案例 l 3D列印砂模解決輕量化大型鑄件快速製造的挑戰

農業機械製造商Amazone希望使農業機械設備變得更加穩定、耐用，並實現輕量化。在進行新一代產品的研發和探索時，Amazone 採用了拓撲優化設計和3DP 3D列印技術製造的砂模、砂芯來製造某款農業機械的大型機架鑄件。本期，3D科學谷就與谷友通過Amazone 的農機機架鑄件製造案例來了解一下3DP 3D列印技術在大型輕量化鑄件快速製造中體現出的價值。

複雜輕量化鑄件

快速製造解決方案

Amazone 是來自Hasbergen的家族企業，位於德國 Osnabrück附近。該公司生產的其中一類產品是農業機械上帶機架的緊湊型圓盤耙，這是一種固定在拖拉機上的裝置，用於淺層和強化土壤種植，工作深度可達15厘米。機架的作用是將設備連接到軸上，使圓盤耙設備能夠被拖動。

Amazone使用的上一代農業機械機架由幾個部分焊接而成，重量為245千克，焊縫長度為16.5米，其製造過程繁瑣。為了降低成本，使農業機械設備更加穩定和輕巧，Amazone決定使用輕量化的鑄件來替代上一代機架。

農機機架的設計優化過程（右圖為拓撲優化的輕量化設計方案）

Amazone在設計新一代農業機械機架時，使用了Altair的拓撲優化軟體Inspire，設計出符合力學性能要求，並適合鑄造的機架。拓撲優化技術使材料分布在零件合理的部位，使機架的鑄件相比上一代底盤重量減輕了45千克。在開始進行鑄件製造之前，金屬的鑄造過程還經過了Inspire軟體的模擬模擬，這一過程能夠降低實際鑄造中產生氣孔等缺陷的風險，保證鑄件質量。

Amazone公司表示，新一代機架的設計方案使機架的使用壽命提高2.5倍，相比上一代機架重量降低18%。3DP 3D列印技術則在實現這種複雜輕量化結構和鑄件的快速製造方面發揮了重要作用。

實現複雜結構

Amazone 公司使用了voxeljet 公司3DP 3D列印設備VX4000 製造機架鑄造用的砂模。在列印之初，voxeljet將CAD文件轉換為適合3D列印的格式，隨後操作人員將數據導入系統中。該機架的鑄造砂模將被分為4個部分進行列印。

砂模列印完成之後，進行清潔後處理和檢測。圖為4個砂模中的一個。

列印開始，刮板鋪設粉床（石英砂），列印頭以300dpi的解析度進行工作並按照數模幾何結構有選擇性的噴射粘結劑。每列印一層，成型平台下降一個層厚，直到零件列印完成。 voxeljet的VX4000印表機的成型尺寸可達4 x 2 x 1米。

4個3D列印砂模被組裝在一起

列印完成之後，操作人員從設備中取出砂模，並進行後處理和組裝，處理完成的3D列印砂模可以直接用於機架的鑄造。

鑄造過程：在砂模內部，液態金屬最終固化

鑄造廠為鑄造模具進行塗層，從而保護砂模不受到熱應力的影響。

鑄造廠的工作人員將鑄件從模具中取出，並經過後續機械加工後，機架鑄件製造完成。

節省時間和成本

準備交付使用的機架鑄件

通常為這樣一個複雜的鑄件製造鑄造用的砂模是非常耗時、繁瑣的過程，因此在進行鑄件設計時， 設計師就考慮使用voxeljet 的VX4000 3D列印設備直接進行鑄件砂模的快速製造。這一製造工藝為鑄件製造節省了時間。

此外，由於3D列印技術對於列印對象結構的複雜性不敏感，在製造複雜砂模時，不會因為產品的複雜性的上升而使成本顯著上升。對於用傳統製造方式製造難度非常高的幾何結構，3D列印設備甚至可以降低製造成本。

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