3D打印通过提供更快，更便宜，更准确的替代传统铸造方法的方式，正在革新金属零件的制造方式。
铸造金属零件已有数千年的历史了。如今，现代铸造已成为许多行业的骨干，从汽车和航空航天到IT和消费品。由于其重要性，已经开发出了多种用于金属铸造的技术，而3D打印是通过提供更快，更准确和更便宜的方法而崭露头角的最新技术。
如果您不熟悉铸造，这里有一些基本知识。任何金属铸造过程都由两部分组成-准备模具和铸件本身。模具是将熔融金属倒入其中的框架。创建模具需要首先制作一个主模型（也称为模型），该模型是最终金属零件的精确非金属副本。由该模型制成模具。
倒入模具中的金属冷却并固化后，铸造过程便完成了。可以将零件从模具中撬出，以进行进一步加工或销售。
在本文中，我们将探讨3D打印大师模型或图案如何替代金属铸造中的传统工艺。我们将研究的优缺点，以及最适合金属零件生产商的技术。
取代传统模式
在Fusion中创建的零件的数字文件
在3D打印兴起之前，金属零件制造商只有有限的主图案生产选择。大多数传统工艺都是劳动密集型的，因为它们需要手工雕刻的木制模型或机械加工的金属才能产生印象。
手工制作的产品各有其独特的特点，可能会在装饰品和纪念品中受到欢迎。但是，对于要求一致结果的行业而言，差异很大的结果并不理想。
由于手工制作图案时可能会出现人为错误，因此传统方法通常需要多次铸造才能制作出正模和负模。毋庸置疑，这会迅速增加成本，特别是如果铸件由于图案错误而以失败而告终。
能够生产这些木制图案的木匠和车间的数量也越来越少。剩下的几位图案制造商的需求正在增加，这导致交货时间延长。如果初始模式某种程度上存在缺陷，并且金属零件生产商需要快速的新零件来继续生产，这将是一个特别的问题。
因此，确实需要用更快，更可靠的工艺来代替这些传统的图案生产方法。数十个行业已经转向3D打印模式，以提供比传统方法更快，更便宜的高质量，高精度模具。
普通金属铸造工艺
铸造金属零件
根据金属的需求，金属零件生产中的模具可以用多种材料制成。模具类型通常在铸造过程中得名。
砂模铸造
在砂型铸造中，模具由砂与黏合剂（例如黏土）混合而成，就不足为奇了。完成的模具是通过将沙子压实在模子和浇铸熔融金属的通道（或浇口）周围而制成的。模具凝固后，将图案移除，并用熔融金属填充模具腔并进行冷却。然后将砂型打碎并除去最后的部分。通常，沙子可以再用于更多的模具。
砂型铸造是一种相对便宜的铸造方法，甚至适用于重型钢铸造应用。这是最受欢迎的铸造工艺，约占所有金属铸件的60％。
熔模铸造
尽管其名称具有误导性，但熔模铸造与股市无关。该名称源自用一种材料（通常是蜡或某些耐火材料）进行投资或包围的图案。
然后，将蜡压印包在诸如陶瓷浆料之类的材料中，然后在熔炉中熔化并烧掉，从而使熔模铸造的另一个通用名称为“失蜡铸造”。然后使用剩余的模具铸造最终的金属零件。此技术在珠宝行业很常见。
石膏铸造金属零件
石膏铸造
石膏铸造与砂型铸造类似，不同的是模具由石膏制成，而不是砂型。这是生产小零件（例如阀门，齿轮和配件）的常用方法。
石膏铸造的主要缺点是不能与钢铁等铁质材料一起使用。石膏也不如沙子稳定，并且冷却时间长限制了产量。
压铸件
在此过程中，熔融金属在压力作用下进入模具。这是生产发动机黑和船用螺旋桨的常用方法。
像石膏铸造一样，压铸件通常用于有色金属材料，例如铝，铜，锡或锡。压铸模具具有弹性，通常用于需要大量生产中小型铸件的行业。
行业与应用
PMMA模型（左）和完成的铝制零件（右）
3D打印模式的主要优点之一是该方法的多功能性。任何使用金属铸造的行业都最有可能在模具生产中受益于3D打印。
3D打印的图案几乎可以无限扩展-在一定程度上，您根本不会制作微观的金属铸件。再说一次，考虑到最小的3D打印物体的大小大约是人发厚度的三分之一，因此，如果您的行业需要缩小尺寸，就不会成为问题。
这意味着最终金属零件的尺寸不会限制的适用性–3D打印模具可用于复杂的珠宝和风力涡轮机叶片等各种物品。因此，它们是众多行业的绝佳选择，其中包括：
精美艺术
对于雕塑，珠宝制造商和建筑师而言，3D打印模式是一种真正的节省时间和金钱的方式。传统上，珠宝是通过手工制作或通过熔模铸造制成的，两者都是耗时的过程，很容易因小错误而损坏。
通常由蜡制成的，使珠宝商可以轻松地根据客户的需求创建更可定制的设计。该技术还为设计提供了更多的创作自由，并降低了批量生产的成本。
比利时设计师根据3D打印模型制作的黄貂鱼椅子
小型金属零件
金属工具的价格通常过高，特别是对于小型公司。3D打印甚至为他们打开门，以合理的价格获得高度可定制的金属零件。
以定制自行车的零件生产为例。使用3D打印的图案可以使用现代材料制造定制的小型金属零件，而无需昂贵的工具过程。对于极少量的生产或一次性的独特金属工具，公司正在转向直接3D打印金属。
汽车行业
尽管汽车制造商通常有资本以传统方式完成其零件，但始终欢迎节省成本和时间。3D打印技术在创建新的实验车和赛车时特别有用，因为零件的设计文件可以随着计划的更改轻松地进行编辑。
可在零件设计中进行高级优化。例如，一个赛车设计团队能够使用3D打印将转向器壳体的重量减少一半。
涡轮增压器原型模式和最终零件
工业机械
正如我们提到的，尺寸对于3D打印的浇铸图案而言并不是一个大问题。甚至重型钢铁工业机械的制造商也已开始跳上3D打印的行列，并且看到了生产率的显着提高和成本节省。
简而言之，3D打印为所有金属铸造应用开辟了新的可能性。不管最终零件是用来做什么的，都可以使用小型和大型3D打印选项。
3D打印模具的优缺点
水龙头分水器设计
优点
·自由设计：3D打印使无需任何工具就可以在一个步骤中创建复杂的薄壁几何形状。在传统的图案制作中，基本零件通常是由金属制成的（模制或机加工的），然后用研磨，切割，打磨或焊接最终模具母模的工具手动进行微调。某些类型的结构无法通过传统方法创建，并且与传统方法相比，使用3D打印通常可以达到更高的几何复杂度和准确性。
·低成本：所需的只是数字文件，打印材料和打印机本身。无需使用多台机器，每台机器都有专门的员工来创建主模式。3D打印机在工作时也不需要进行监视，甚至可能不需要购买一台打印机-只需研究第三方3D打印服务，例如Craftcloud。
·生产速度：传统的图案生产过程可能需要数周时间，并且如上所述需要大量的体力劳动。通过自动3D打印过程，您可以在几小时或几天内打印出图案。如果图案最终无法使用，则可以轻松修改数字设计并一次又一次地打印。
·减少原材料和废料：由于3D打印是一种附加过程，因此您所需要的只是用于最终印刷图案产品的材料。与此相比，在机械加工中，您需要将大量材料（例如铝）分解成所需的形状，从而产生铝屑。
·消除模型库存：特别是对于重工业，经常需要存放工业零件的主模，以备需要更换零件时使用。使用数字文件消除了存储模型的需要，因为可以快速且经济高效地3D打印新模型。
尽管与传统的铸造工艺相比，3D打印具有许多优势-更快，更便宜，更精确-但它并不总是完美的解决方案。有缺点要考虑。
缺点
·最初的高投资：3D打印是一种相对较新的技术，尤其是大型打印机可能会很昂贵。尽管3D打印机可以迅速节省投资成本，但您仍需要考虑是否自己购买一台打印机是正确的选择，还是应该考虑外包。
直接3D打印模具
一个3D打印的砂模及其制成的金属零件
到目前为止，我们一直在谈论3D打印金属零件的主模型或图案，您将用它们来制作传统模具。但是，多年来，主要的金属铸造厂一直在直接3D打印其模具，从而省去了制作初始图案的步骤。
当使用软件（例如Fusion或Netfabb）设计零件时，创建否定设计（或模具）是相对简单的过程。然后将模具的数字文件直接发送到您的3D打印机，以便以任何类型的塑料，硅树脂，金属，复合材料或通常是沙子的形式进行打印。
例如，VoxeljetVX是世界上最大的3D打印系统，用于直接打印砂模和型芯。印刷过程结束后，将模具拆开包装并清除多余的砂子。没有其他工具或流程。由于砂模直接基于数字数据生产，因此可以实现精细的细节和精度。其他用于模具和型芯的3D沙打印机包括EnvisionTec的Viridis3D和ExOne的S-MaxPro。
适用材料
由Polymaker用可浇铸细丝PolyCast制成的金属零件铸件（来源：Polymaker）
如上所述，打印材料是3D打印浇铸图案时的主要考虑因素之一。
对于用于沙子，灰泥或压铸件的3D打印模型，材料需要能够承受热量，磨损和过程中使用的各种化学物质（包括脱模剂和粘合剂），而不会翘曲或损坏。各种塑料，陶瓷，金属和复合材料均具有经过验证的特性，使其成为图案的理想选择。
对于精密铸造，模型需要干净融化并燃烧掉，而模具腔内不会残留任何残留物。几家制造商生产用于3D打印机的“铸造”灯丝。
印刷技术
树脂打印机可能实现的精细细节示例（来源：Formlabs）
选择打印机时，只要材料合适，几乎可以使用任何3D打印技术来制作图案。直接打印金属铸模仅限于少数使用粘合剂喷射技术生产沙子3D打印机的公司，该技术通过选择性地将粘合剂沉积到胶水上来工作。
也就是说，树脂和选择性激光烧结打印机通常比FDM打印机产生更精细的打印细节。FDM打印机在最终打印中会产生可见的层线，可以通过打磨或化学处理减少可见的层线，但细节精度仍低于其他方法。