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3D打印深度报告：3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的应用
核心提示：3D打印SLS技术和铸造模拟CASTsoft技术是由北京北方恒利科技发展有限公司开发。使用CASTsoft软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据模拟结果确定、改进、优化铸造工艺。& & 《深度报告》系列是由三迪时空网通过与3D打印行业的相关企业调研沟通后，获得企业在目前实践应用当中通过验证的行业解决方案报告书。同时也将企业在3D打印行业当中的诸多研发成果做一个深度对接展示。也希望通过三迪时空网，能将更多的在传统行业当中的解决方案推介给更多的企业，帮助企业将技术创新、技术改造的难点排除掉，为传统行业的进一步发展，为3D打印更好地融入到实际生产做出贡献。也希望 《3D打印深度报告》&系列的推出能得到广大3D打印行业企业的支持！
& & 特别感谢：
& & 北京北方恒利科技发展有限公司（北京海淀100089）
& & 浙江遂金特种铸造有限公司（浙江遂昌323300）
报告摘要：3D打印SLS技术和铸造模拟CASTsoft技术是由北京北方恒利科技发展有限公司开发。使用CASTsoft软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据模拟结果确定、改进、优化铸造工艺。利用CASTsoftCAD/CAE软件可以对铸造工艺参数如：浇注温度、充型时间、铸型材料、浇口棒等进行改进，改进后再次进行模拟，经过多次的改进直到消除铸造缺陷。3D打印技术可以使企业有能力快速生产各类大尺寸、结构复杂熔模精密铸件所用蜡模，减少大量外协费用，同时对于单件、小批量熔模精密铸件的生产可以不用模具，从而节省大量模具加工费用。
关键词：精密铸造&3D打印&铸造工艺模拟&工艺优化&CASTsoft&CAD/CAE
在航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。传统生产制造这些零件通常采用铸造或解体加工的方法。现在，利用北京北方恒利科技发展有限公司的CASTsoftCAD/CAE铸造模拟软件和激光粉末快速成型技术的相结合，可有效的解决这些问题。生产周期可缩短十倍以上。实现了生产的低成本和高效益，达到了铸件生产的个性化、多样性、快速铸造的目的。
2、&铸造模拟技术和3D打印技术
铸造工艺模拟CASTsoftCAD/CAE系统和3D打印技术系统框图（图1），铸造工艺设计CAD由铸件重量、体积、模数、补缩、浇铸等工艺参数计算和工艺图绘制、三维自动转二维、工艺卡自动绘制组成；铸造工艺模拟CAE集铸造过程仿真、铸造缺陷定量预测及结果定量显示。用3D打印技术无模具制造蜡件后，通过精密铸造生产出产品毛坯。整个周期只需要15-25天。
基本思路是：1）、将三维设计完成的铸件毛坯（含加工余量）输入到铸造工艺设计CAD中，进行浇注系统计算、冒口计算、冷铁计算、孤立熔池计算、模数计算；2）、根据计算结果大小和位置将浇注系统、冒口（冷铁）添加到铸件毛坯中；3）、将初始化的浇注系统和冒口信息输入铸造工艺模拟CAE，进行铸造过程模拟仿真，优化浇注系统和冒口，将优化好的浇冒信息输出；4）、根据毛坯三维图，利用HLP-500激光粉末快速成型机直接生产出铸件原型蜡件（含收缩量）；5）、按照设计好的铸造工艺方案，给原型蜡件链接上浇注系统，并通过制壳、脱蜡、
高温焙烧等工艺制造模壳；6）、将加热到一定温度的金属液浇注到模壳里，冷却后脱壳，生产出铸件毛坯；7）、最后，利用数控设备生产出最终产品进行装配验证设计的合理性。
图1铸造工艺模拟CASTsoftCAE系统和3D打印技术系统框图
图2铸件三维图
按照传统生产制造图2所示的铸件。由于是新产品，生产周期很长。首先是根据技术工程师经验，设计出大概的浇注工艺，然后进行模具的设计和生产。此零件形状并不复杂，如果采用设计压型进行生产，其模具的设计、生产周期约需2～3个月，模具投入生产到得到铸件还需半个月的时间。只要其中一个环节的设计不合理，整个过程可能就要重新开始，而且可能要反复数次。这不仅浪费了大量的人力物力，又将最终产品的批量生产拖延三五个月，甚至更久。现在，通过CASTsoftCAD/CAE软件和3D打印技术恰好解决这个难题。利用其特点，从设计到生产出成品件的整个加工周期只要20天，甚至更少。
3、&铸造工艺方案设计
利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造工艺设计及工艺模拟CASTsoftCAD/CAE技术对铸件毛坯模数、工艺热结计算、冒口系统计算、浇注过程计算、凝固过程计算，对铸件毛坯进行工艺设计和铸造工艺缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进，最后设计出合理的铸造工艺。采用CAStsoftCAD/CAE技术进行体积法和模数法进行浇注系统计算、浇口棒计算和浇口位置确定，初步确定工艺，通过浇注过程凝固过程进行分析，进一步优化合理工艺，从而缩短工艺试制周期、降低工艺试制成本。
3.1工艺确定步骤步骤
1：采用CASTsoftCAE铸造工艺设计模块进行工艺热结计算确定铸件工艺布局，确定浇注系统。
图3工艺放置方案1
图4工艺放置方案2
图5工艺放置方案1热节及收缩情况
图6工艺放置方案2热节及收缩情况
根据模拟计算缺陷的结果（图5、图6），可以知道工艺方案1热节集中在铸件侧面的大平面旁边，适合放置冒口浇口棒，所以按方案1计算浇口棒，确定铸件工艺布局，确定浇注系统。步骤2：根据缺陷设计浇口棒，得到最终没有缩孔缩松缺陷的铸件。通过造型、涂料及浇注温度等方式保证表面质量，再通过铸造模拟软件进行铸造过程模拟，最后确定可行浇注工艺方案。
图7铸件工艺三维模型
3.2前处理本次模拟时，铸件毛坯进行网格剖分的网格尺寸为2mm&2mm&2mm，共剖分网格800万单元（如图8）。
图8铸件网格剖分
图9模壳网格剖分
3.3铸造模型构建及模拟计算：按工艺要求添加精密铸造相应的工艺参数。参数设置如下：铸件材料：WCB，铸型材料：水玻璃，浇注温度1600&C，模壳焙烧&C，浇注时模壳700&C左右。
3.4铸造工艺结果显示及工艺合理评定：
图10孤立熔池位置a
图11孤立熔池位置b
图12凝固过程温度场剖面图
图13凝固过程温度场
图14缺陷透视图
采用CASTsoftCAE铸造工艺模拟模块进行铸造过程模拟验证，通过凝固过程、温度场及缩孔缩松的判定可以看到铸件内部没有产生缺陷，理论上满足质量要求。
4、3D打印蜡模的制造
4.1生产设备及原理
& & 使用激光粉末快速成型技术的工业级烧结粉末材料（如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、覆膜砂和金属粉等）。成型时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行下一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。优点：由于粉末具有自支撑作用，不需另外支撑；材料广泛，不仅包括PS塑料材料和尼龙材料，还可以直接生产金属和陶瓷零件。且材料可重复使用，利用率高。可用于样件，功能件，模具，模型，铸造蜡模等。设备结构如图15所示。
图15设备原理图
4.2蜡模的生产
& & 生产蜡模，首先要确定蜡模尺寸。根据蜡模收缩率、合金收缩率、模壳膨胀系数、模拟结果给出蜡模X、Y、Z方向上的线收缩率。该收缩率确定后，可以在MagicsRP软件对零件处理时首先进行放缩，这样即可得到理想尺寸的蜡模，继而获得尺寸合格的铸件毛坯。经过12.5个小时的设备加工生产出主体材料为ps粉（聚苯乙烯）铸件原型。这个原型还不能直接使用，需要做一下简单的后处理工作。第一步是把铸件原型浸入到中温蜡液体中，是原型表面附着一次薄薄的石蜡，冷却后再次浸入。第二部把冷却后的原型表面打磨光滑，打磨的越光滑，实际生产出的铸件表面光洁度越高。最终生产出如图16所示蜡件。
图16&3D打印蜡件
4.3、蜡模的组焊
按照设计好的铸造工艺方案，给蜡件链接上浇注系统。如图17所示。快速成型机制出的蜡模原型要求无形变，尺寸准确，通过精整处理后表面光洁，可以进行组焊、粘浆、制壳、脱蜡。浇注系统选用性能相近的中温蜡，以便于粘结牢固，满足制壳的强度要求，其尺寸按熔模铸造工艺设计选取。组焊工艺与传统蜡模相似，保证内浇口长度和间距，便于冒口补缩，模壳放置平稳。
图17&3D打印蜡件链接浇注系统
4.4、型壳制备
& & 快速成型技术制成的蜡模涂挂性能好，可以用原工艺配制涂料，粘浆与撒砂，干燥。粘结剂用硅溶胶或硅酸乙酯，面层耐火材料用锆英粉，背层用莫来石或煤矸石粉。由于使用的烧结粉料熔化温度高，没有流动性，型壳不能通过蒸汽脱蜡工艺将原型全部去除，但可以在纯氧环境下通过高温焙烧的方法去除蜡模，或者在开放的大气环境中焙烧脱除浇冒口及蜡模。直接高温焙烧会使型壳涨裂导致生产失败。所以我们通过以下步奏制壳：1、利用水玻璃工艺制壳5层；2、脱蜡：温度170度，压力0.7MPa，持续时间13分钟；3、焙烧：温度缓慢上升，加热到850度，持续时间一小时；4、简单清理一下内部残余。
& & 4.5、浇注金属液，冷却脱壳
& & 浇注金属液，冷却脱壳、铸件清理和原精铸工序相同。最终得到如图铸件。
5、&结果与分析
使用CASTsoft软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据模拟结果确定、改进、优化铸造工艺。利用CASTsoftCAE软件可以对铸造工艺参数如：浇注温度、充型时间、铸型材料、浇口棒等进行改进，改进后再次进行模拟，经过多次的改进直到消除铸造缺陷。3D打印技术可以使企业有能力快速生产各类大尺寸、结构复杂熔模精密铸件所用蜡模，减少大量外协费用，同时对于单件、小批量熔模精密铸件的生产可以不用模具，从而节省大量模具加工费用。
CASTsoft软件与3D打印技术的结合可以大大缩短生产周期，为新产品研制和开发获得了大量宝贵时间，降低了生产成本，极大的提高了铸造车间精密铸造水平，为确保后续型号产品中精密铸件生产任务的顺利完成打下良好的基础。挺高了企业竞争力。
（1）宋彬：出生于1978年7月，材料成型及控制铸造专业，工程师，现在北京北方恒利科技发展有限公司工作，从事铸造数值化模拟技术相关工作。
& & &电话：，010-9，E-mail:,
（2）崔聿辰，出生于1988年3月，材料成型及控制铸造专业，工程师，现在北京北方恒利科技发展有限公司工作，从事铸造数值化模拟技术相关工作。
& & &电话：,E-mail:,
（3）李雨，出生于1986年8月，材料成型及控制铸造专业，工程师，现在北京北方恒利科技发展有限公司工作，2010年毕业以来一直从事3D打印相关工作。
& & & 电话：,E-mail:,
（4）施利进，1963年11月，矿山机械专业，机械工程师、经济师，现在浙江遂金特种铸造有限公司工作（总经理），
& & & 电话：，邮箱：
（5）骆建权，1968年05月，矿山机械专业，工程师，现在浙江遂金特种铸造有限公司工作（总工），
& & & 电话：，邮箱：
（6）张志峰，1987年08月，模具设计与制造专业，工程师，现在浙江遂金特种铸造有限公司工作（新产品试样工艺及模拟），
& & & 电话：，邮箱：
[1]李庆春铸件形成理论基础机械工业出版社1982年1月
[2]李魁盛铸造工艺及原理机械工业出版社1988年
[3]范英俊铸造手册之特种铸造机械工业出版社2003年2月
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[5]胡汉起金属凝固原理机械工业出版社1997年8月
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[8]徐宏铸造工艺设计及模拟技术教育出版社
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& & & 铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理等，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。
　　铸件应用历史悠久。古代人们用铸件作钱币、祭器、兵器、工具和一些生活用具。近代，铸件主要用作机器零部件的毛坯，有些精密铸件，也可直接用作机器的零部件。铸件在机械产品中占有很大的比重，如拖拉机中，铸件重量约占整机重量的50～70％，农业机械中占40～70％，机床、内燃机等中达70～90％。各类铸件中，以机械用的铸件品种最多，形状最复杂，用量也最大，约占铸件总产量的60％。其次是冶金用的钢锭模和工程用的管道。 　　
&&&&&& 铸件也与日常生活有密切关系。例如经常使用的门把、门锁、暖气片、上下水管道、铁锅、煤气炉架、熨斗等，都是铸件。
　　铸件有多种分类方法：按其所用金属材料的不同，分为铸钢件、铸铁件、铸铜件、铸铝件、铸镁件、铸锌件、铸钛件等。而每类铸件又可按其化学成分或金相组织进一步分成不同的种类。如铸铁件可分为灰铸铁件、球墨铸铁件、蠕墨铸铁件、可锻铸铁件、合金铸铁件等；按铸型成型方法的不同，可以把铸件分为普通砂型铸件、金属型铸件、压铸件、离心铸件、连续浇注件、熔模铸件、陶瓷型铸件、电渣重熔铸件、双金属铸件等。其中以普通砂型铸件应用最多，约占全部铸件产量的80%。而铝、镁、锌等有色金属铸件，多是压铸件。
铸件性能与用途:
　 &铸件有优良的机械、物理性能，它可以有各种不同的强度、硬度、韧性配合的综合性能，还可兼具一种或多种特殊性能，如耐磨、耐高温和低温、耐腐蚀等。 　　
&&&&& 铸件的重量和尺寸范围都很宽，重量最轻的只有几克，最重的可达到400吨，壁厚最薄的只有0.5毫米，最厚可超过1米，长度可由几毫米到十几米，可满足不同工业部门的使用要求。
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&#165&19.9元大型铝合金前罩铸造工艺模拟-案例分析
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摘要：利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoft对大型铝合金综合传动箱铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合
摘要：利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoft对大型铝合金综合传动箱铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合理的铸造工艺。铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。关键词：铸造模拟凝固过程
铝合金传动箱铸件Simulation of Casting
Technology on
alnico Wheel BoxNorth China Engine Research Institute
(037036) chengrijunBeijing North Hengli Science and Technology Co., Ltd.（100089） songbinAbstract:By using Beijing North Hengli Science and Technology Co., Ltd.
cast simulation software CAStsoft
simulates langer alnico Wheel Box in this text .Mainly including solidiy course and injection course. It analyzed temperature field and defect might produce. Using analysis result improved the technology and design reasonable technology. Casting computer simulation can be reduced or canceled new products on the technology ,It can effectively avoid the possible casting error process to ensure the reliability of the new products developed to shorten the cycle.Keywords: Simulation of Casting
solidiy course temperature field
alnico Wheel Box中图分类号：文献标识码：A传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。近年来铸造过程计算机模拟技术得到飞速发展，使得通过铸造模拟来确定铸造工艺成为可能，铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。本次分析采用的软件是北京北方恒利科技发展有限公司的CASTSOFT软件。通过模拟分析发现工艺存在的问题，采取工艺改进措施后再次进行模拟，直到铸造工艺趋向合理。1. 铸造工艺方案设计1．1铸造工艺方法的选择：由于综合传动箱属于大型复杂薄壁铝合金铸件，铸件最薄的地方为6mm,最厚大的地方为80×110×120，外轮廓尺寸为860×920×510，且最后机械加工出4个&O12的高压油道，油管要进行压力试验，试验的压力为2.2~2.5 Mpa ，5分钟不允许渗漏。用砂型重力铸造难以保证顺利充满和厚大部位不产生疏松，特别是高压油管处质量。低压铸造工艺具有金属液充型平稳、铸件在压力下结晶，生产的铸件缩松、气孔、夹杂少的优点，因此选用砂型低压铸造的工艺方案。在砂型、砂芯铸件相应厚大的地方放置冷铁调节铸件厚大部位的冷却速度。1．2浇注系统位置的选择：因传动箱的轴瓦处壁厚度为45mm，且轴瓦处是传动箱受力最大的部位，所以对此处的组织要求高，不允许有缩松、气孔等铸造缺陷，为了使得铸件实现顺序凝固且保证轴瓦处的力学性能，在几处轴瓦处共设6道内浇口，通过厚大内浇口在压力下对其进行补缩。2. 三维建模2．1铸件的三维建模：采用Pro-E软件对铸件进行三维建模，并在铸件的基础上加浇注系统。图1
加浇注系统铸件三维模型2．2冷铁的三维建模：由于在工艺模拟时冷铁属于另外的实体附在铸件上，要求冷铁与铸件间面贴合。由于铸件的一些地方是不规则的曲面所以冷铁的形状也为不规则曲面形状即为随形冷铁，同时由于铸件的热节不连续相互间孤立、分散，所以冷铁也分散分布，相互间不相连，而在工艺模拟时要求同种材料的冷铁组合成一个整体，生成一个STL文件。加浇注系统铸件三维模型如图1所视；加浇注系统、冷铁的铸件三维模型如图2所视：图2 加浇注系统、冷铁的铸件三维模型 3. 工艺模拟及工艺优化的工作流程图（图3）图3 铸件浇注工艺设计优化流程图3．1前处理：本次模拟时，铸件、铸型及冷铁网格剖分的网格尺寸为5mm×5mm×5mm，共剖分网格6351545个。3．2凝固过程模拟：按工艺要求添加低压铸造相应的工艺参数。参数设置如下：①铸件材料为ZL101A.②砂型为树脂砂。③冷铁的材料为HT250。④浇注温度为700℃。⑤保压压力为0.065MPa，保压时间1500秒。通过凝固过程、温度场及缩孔、缩松的判定可以看到铸件有8处存在缩孔，其中在80×110×220处存在严重缩孔缺陷。从温度场、凝固过程及冷却速度的分析可以清晰看到热节周围的温度远低于热节区的温度（在温度场状态图中标示位置），早于热节凝固，使得热节最后凝固形成缩孔。如下图4-9所示。通过此次模拟可以看出先前制定的工艺存在问题。
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数据加载中..复杂铸造工艺装配体有限元网格划分关键技术研究--《铸造设备与工艺》2014年05期
复杂铸造工艺装配体有限元网格划分关键技术研究
【摘要】：铸造CAE技术是预测铸造缺陷、改进铸造工艺的有效方法,但其应用推广仍受到有限元网格划分技术的制约,许多复杂铸造工艺因为无法顺利地生成出合格的有限元网格而不能进行铸造CAE计算分析。本文提出了一种适用于任意复杂铸造工艺的有限元网格生成方法,并详述其中用到的关键技术和方法,包括隐式曲面几何描述方法、有限元网格尺寸智能化计算方法,以及有限元网格自动生成和网格质量优化方法。基于此算法,开发了有限元四面体网格划分前处理模块,能够为复杂铸造工艺的几何模型一键生成合格有限元网格,为铸造CAE技术的进一步推广和应用提供重要的技术保障。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG24【正文快照】：
在计算机技术飞速发展的今天,铸造这个古老的行业也开始引进先进的信息化和智能化技术,对传统的铸造工艺设计和生产过程进行现代化和信息化改造。在计算机数值计算的基础上,学者们发展出了铸造CAE技术[1]。铸造CAE技术将传统的试错法放在计算机虚拟的世界中进行,大大减少了产
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