3D打印用于熔模铸造 - 为什么混合方法比金属烧结法更有优势

在全世界众多的铸造厂中，类似于Aristo Cast Inc.这样的铸造厂还是为数不多的。该铸造厂位于美国密歇根州，是多种奖项获得者，同时也是全球七大可以铸造镁的铸造厂之一。

几十年来，该铸造厂一直为航空航天、汽车、艺术等领域提供3D打印铸件，正因如此，该铸造厂不认为自己受到直接金属加工技术崛起的威胁。同时，他们认为增材制造的铸件，即3D打印与金属铸造的混合是一种未来技术。

已经是我们合作十多年的客户了，我们曾问过该公司的首席执行官Jack Ziemba这样的话，“金属铸造的几何极限在哪里？什么样情况下，你会说一个零件适合直接打印，而不是铸造？”他也肯定的回答我们，

“我们永远不会说这样的话，几乎没有什么零件是不能铸造的。”

但是，每当说起Desktop Metal这样专业从事金属增材制造的公司，在过去的几年中已经筹集数亿美元的投资时，Jack Ziemba的说法听起来就显得非常大胆。不过这并不意味着他言之不实，我们可以从头开始了解。

1995年，Jack Ziemba决定把他的铸造厂D&N Castings改名为Aristo Cast，在之后的发展中Aristo Cast赢得了众多的奖项和各个行业的知名客户。该铸造厂主要专注于稀有合金和轻合金的生产，同时它还是全球仅有的七家可以做镁合金熔模铸造的厂家之一。为了保持长久的竞争力，他们特别重视现代化的、创新的模型模具制造技术。

早在1998年，Aristo Cast就将蜡型的3D打印整合到他们的生产中，随后在2003年建立了一个先进的技术中心，配备了先进的增材制造设备、镁铝铸造设备以及数控加工设备。2011年，Aristo Cast开始使用维捷voxeljet的3D打印PMMA蜡模，并在其技术中心增加了一套VX1000。美国的熔模铸造协会曾给Aritso Cast颁发过好几个奖项，这就很好的肯定了Aristo Cast的发展战略是有效的、成功的。

粘合剂喷射或直接金属激光烧结？这些标准是决定性的

多年来，金属的直接增材制造技术一直在扩大市场份额，其中有些应用案例会让人对熔模铸造的未来产生疑问。那么，Jack Ziemba的说法如何才能合理化？熔模铸造的未来是什么？打印熔模铸造和直接激光烧结技术之间有什么区别？

在3D打印的领域中，逐层堆叠的工艺技术使得零件的几何复杂度变得不再那么明显。Aristo Cast就使用3D打印的PMMA模型来生产各种形状的零件，甚至于那些壁厚薄至0.5毫米的产品。与直接激光烧结相比，PMMA模型的铸件在尺寸方面具有很大的优势。VX1000的构建体积为1000 x 600 x 500毫米，为大尺寸的单个零件或大量的小尺寸零件提供了足够的空间，它使Aristo Cast能够生产重量从几克到15公斤的铸件。对于非常复杂的零件，唯一可能出现的挑战就是给打印好的PMMA模型上涂料。即使对于这些罕见的特殊情况，Aristo Cast团队也有解决办法。

Aristo Cast和多数铸造厂一样在合金的选择方面没有限制，提供铝、镁、钴、铜、镍、锌和各种钢，只有那些必须在真空中铸造的合金目前暂不提供。相反的是，直接激光烧结系统只有很少金属材料可供选择，目前可用的材料主要是铝合金与钢合金。由于轻合金的强烈反应，直接金属打印镁合金还很遥远。

生产周期短经常被认为是直接激光烧结的最大优势之一，因为该系统可以直接制造出最终的零件。但是经常被忽略的是，直接激光烧结的零件还需要进行烧结或热等静压处理，以使零件可以达到设计性能。Aristo Cast使用3D打印PMMA模型，也能在72小时内交付铸件。

对于一个重约1公斤的零件，直接激光烧结需要大约100公斤的粉末。采用铸造，只有需要的部分才会被熔化。由于采用了现代模拟软件，它可以精确的控制需要熔化的金属重量。然而，由于金属粉末生产的复杂性，材料成本显得更加昂贵，铝粉的成本约为每公斤600欧元。特种钢合金很快就能卖到1300欧元每公斤。另一方面，对于铸造而言，每公斤铝的成本约为6.50欧元，每公斤钢的成本为32欧元。根据Aristo Cast的经验，3D打印加熔模铸造通常情况下比直接激光烧结更便宜。

在实践中，熔模铸造和直接激光烧结零件都经常用于航空航天工业。在这里，铸造有一个非常大的优势——认证。几十年来，铸造已被认证为可在空中使用。然而，直接用金属打印的零件，往往要经过漫长而昂贵的认证过程，才能被批准在实际中使用。这反过来又为铸造带来了时间和成本上的优势。

节省材料意味着节省成本--增材制造的力量

特别是在航空航天领域，也就是Aristo Cast十多年来提供服务的主要行业之一，3D打印与熔模铸造相结合的优势尤为明显。许多订单都是所谓的 “遗留部件”，这些零件由于年代久远已经没有任何设计图纸了。这些都可以在Aristo Cast使用现代扫描技术进行数字化。数字数据集可以打印出来直接铸造，或者可以在功能或重量方面进行优化。

关于Aristo Cast和欧特克公司的一个令人印象深刻的合作案例已经在2017年向市场发布。利用拓扑优化技术，欧特克设计了一种具有非凡仿生结构的飞机座椅框架原型。由于框架的复杂性和巨大尺寸，传统制造或直接的金属3D打印技术都不是最佳选择。因此，欧特克求助于Aristo Cast公司，该公司在VX1000上打印了一个框架的PMMA模型，然后用镁合金铸造。结果不言而喻：座椅框架比目前安装的版本轻了30%。一架A380飞机全部安装这些框架，按100架飞机20年寿命计算，由于降低了油耗，可以节省超过2.2亿美元。