印刷品铸造作为一种低成本替代方案到3D金属打印。这就是它的工作原理!

粘合剂喷射3D打印技术领先一步:汽车供应商GRATZ工程有限公司展示了它是如何做到的。通过将砂型3D打印技术融入其技术业务领域,格拉茨工程有限公司在经济效益和生产速度方面给其原型生产带来了推动。

这家来自巴登-符腾堡州东北部的汽车供应商早在90年代就认识到3D打印的巨大潜力,当时它还很年轻。从那时起,GRATZ就依靠快速的金属打印和低成本的3D打印砂型铸造模具。

GRATZ工程有限公司在德国的六个地点拥有230名员工,是一家典型的中型企业。自1985年上市以来,工程师们是早期采用3D打印技术进行零件生产的人。直接金属激光烧结(DMLS),即直接金属打印,以及用于铸造的砂模或熔模的3D打印都被使用。

烧结件和铸造件的区别

现在,烧结部件的部件质量和材料耐久性非常好,在适当返工的情况下,甚至在高生产速度下,99%的部件密度是可行的。然而,由于材料和系统价格高,激光烧结的成本相当高,而且构建速度仍然相对较慢。

Andreas Steinbronn继续说:”如果速度不重要,像激光烧结这样的金属3D打印总是太昂贵。如果原型有两到三周的时间完成,我们一般倾向于使用传统的铸造与3D打印的砂模或PMMA制成的熔模铸造模型相结合。这极大地节省了成本,当然,部件的耐用性和稳定性的提高也是一个优势。实际情况是,安装空间大,印刷率高。因为在Binder Jetting打印系统的安装空间中,我们可以直接在一个3D打印过程中平行和相互嵌套地生产我们的原型,如涡轮增压器,而不是像DMLS那样只在一个平面上生产。我们尽可能地利用建造空间的体积,也称为工作箱。这使我们能够将后续的测试平行化,从而节省了额外的时间。与激光烧结相比,这仍然需要花费更多的时间,但我们可以同时直接测试部件的不同变体,以尽快确定最终设计,并将其投入生产。此外,我们有更多的铸造材料。我们实际上可以与任何合金合作。另一方面,对于烧结来说,我们受到的限制更大。” 在增材制造之后,这两种工艺通常都需要进行机械后处理。

我们有更多种类的材料可供铸造。我们实际上可以与任何合金合作。另一方面,对于烧结来说,我们受到的限制要多得多。

安德烈亚斯-斯坦布隆,系主任GRATZ工程有限公司

什么时候DMLS,什么时候3D打印和铸造?

目前,直接金属激光烧结技术在一个相对较小的领域与铸造厂竞争。DMLS系统的安装空间主要适用于需要极快生产的小型部件。然而,直接3D金属打印也是非常昂贵的。

对于DMLS,在增材制造之后,平行热等静压(HIP)是必要的,以达到足够好的部件密度和强度。”底线是,因此3D打印金属部件的平均价格是每公斤铝约300欧元,不锈钢400欧元,特殊合金高达每公斤1300欧元。GRATZ部门负责人Steinbronn说:”直接比较的话,3D砂打印的纯金属铸件价格约为每公斤6.5至32欧元,而每升打印材料约为9欧元。

Steinbronn继续说:”只要多花一点时间,我们也可以经济地生产具有复杂几何形状的部件,小批量生产最多100件,或通过铸造生产一批,”。”先决条件是,我们可以快速、经济地生产模具、模芯和模型,而不需要昂贵的特殊工具。这正是voxeljet的工业3D打印发挥作用的地方。”

这个过程被称为快速铸造,完全不需要工具就能用铸造厂常用的材料打印出铸造所需的模具和型芯。Voxeljet的VX4000是目前世界上最大的砂模3D打印机,安装空间为4000 x 2000 x 1000毫米。

该系统利用高性能的粘结剂喷射工艺实现了模具的快速和自动化生产。另一种方法是由voxeljet的PMMA材料组提供。使用这些塑料,可以在没有工具的情况下打印出模型,然后可以像传统蜡模一样在投资铸造过程中进行加工。

DMLS与3D打印和铸造的对比:旅程从哪里开始,又将走向哪里?

GRATZ工程有限公司只是众多将各种形式的3D打印牢牢融入其商业模式的例子之一。对于工程专家GRATZ来说,今天不使用该技术已不再是一个选项。因为在交货时间、经济效益和通过几何自由度提高性能方面的优势实在是太大了。

“好的方面是,作为一个中型公司,你不必直接投资自己的印刷系统。为了获得关于印刷部件和模具的行为和使用的初步经验,值得依靠按需服务。这是一种方便的入门方式,或多或少具有与购买自己的3D打印系统相同的积极效果,”Steinbronn解释。今天,GRATZ工程有限公司以添加剂方式生产各种发动机部件:从支架到排气歧管再到气缸盖。特别是在提高汽车工业的效率和可持续性方面,GRATZ推荐使用该技术。”由于巨大的几何自由度,3D打印使我们的工程师能够从全新的角度来设计和建造部件,也可以重新评估已被证实的部件。3D打印使我们能够摆脱为制造而设计的理念,即为经济生产而设计的经典制造工艺。我们最终可以在功能设计的方向上进行更多的思考,也就是在功能和效率方面对组件进行优化。这让工程师和企业家的心跳都加快了。因为即使是最复杂的设计,也可以用3D打印技术经济地生产。这就是为什么我们看到了该技术的巨大未来潜力,”Steinbronn总结道。

快速铸造中的粘结剂喷射过程:这就是它的工作原理

3D打印系统在建筑平台上铺上300微米的薄沙层。然后打印头使用粘接剂将沙粒粘在要制作沙模的地方。构建平台降低一层厚度,这个过程再次开始,直到模具完成。然后将多余的沙子去除,现在模具已经准备好铸造了。打印出来的模具和型芯也可以随时与简单的、传统生产的铸造模具相结合。

与沙子印刷工艺不同,在该工艺中,所需部件的阴性模具被打印出来,而用PMMA材料设定的熔模铸造是用塑料粉末打印出阳性模型–也称为主模型。这个模型在熔模铸造厂被涂上陶瓷,然后被烧掉。剩下的是一个空心陶瓷模具,可以在其中进行铸造。这样做的好处是,有可能铸造出更精确的结构和表面。

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