3D打印用于熔模鑄造 - 為什么混合方法比金屬燒結(jié)法更有優(yōu)勢(shì)

在全世界眾多的鑄造廠中，類似于Aristo Cast Inc.這樣的鑄造廠還是為數(shù)不多的。該鑄造廠位于美國(guó)密歇根州，是多種獎(jiǎng)項(xiàng)獲得者，同時(shí)也是全球七大可以鑄造鎂的鑄造廠之一。

幾十年來(lái)，該鑄造廠一直為航空航天、汽車、藝術(shù)等領(lǐng)域提供3D打印鑄件，正因如此，該鑄造廠不認(rèn)為自己受到直接金屬加工技術(shù)崛起的威脅。同時(shí)，他們認(rèn)為增材制造的鑄件，即3D打印與金屬鑄造的混合是一種未來(lái)技術(shù)。

已經(jīng)是我們合作十多年的客戶了，我們?cè)鴨?wèn)過(guò)該公司的首席執(zhí)行官Jack Ziemba這樣的話，“金屬鑄造的幾何極限在哪里？什么樣情況下，你會(huì)說(shuō)一個(gè)零件適合直接打印，而不是鑄造？”他也肯定的回答我們，

“我們永遠(yuǎn)不會(huì)說(shuō)這樣的話，幾乎沒(méi)有什么零件是不能鑄造的。”

但是，每當(dāng)說(shuō)起Desktop Metal這樣專業(yè)從事金屬增材制造的公司，在過(guò)去的幾年中已經(jīng)籌集數(shù)億美元的投資時(shí)，Jack Ziemba的說(shuō)法聽起來(lái)就顯得非常大膽。不過(guò)這并不意味著他言之不實(shí)，我們可以從頭開始了解。

1995年，Jack Ziemba決定把他的鑄造廠D&N Castings改名為Aristo Cast，在之后的發(fā)展中Aristo Cast贏得了眾多的獎(jiǎng)項(xiàng)和各個(gè)行業(yè)的知名客戶。該鑄造廠主要專注于稀有合金和輕合金的生產(chǎn)，同時(shí)它還是全球僅有的七家可以做鎂合金熔模鑄造的廠家之一。為了保持長(zhǎng)久的競(jìng)爭(zhēng)力，他們特別重視現(xiàn)代化的、創(chuàng)新的模型模具制造技術(shù)。

早在1998年，Aristo Cast就將蠟型的3D打印整合到他們的生產(chǎn)中，隨后在2003年建立了一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)中心，配備了先進(jìn)的增材制造設(shè)備、鎂鋁鑄造設(shè)備以及數(shù)控加工設(shè)備。2011年，Aristo Cast開始使用維捷voxeljet的3D打印PMMA蠟?zāi)＃⒃谄浼夹g(shù)中心增加了一套VX1000。美國(guó)的熔模鑄造協(xié)會(huì)曾給Aritso Cast頒發(fā)過(guò)好幾個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，這就很好的肯定了Aristo Cast的發(fā)展戰(zhàn)略是有效的、成功的。

粘合劑噴射或直接金屬激光燒結(jié)？這些標(biāo)準(zhǔn)是決定性的

多年來(lái)，金屬的直接增材制造技術(shù)一直在擴(kuò)大市場(chǎng)份額，其中有些應(yīng)用案例會(huì)讓人對(duì)熔模鑄造的未來(lái)產(chǎn)生疑問(wèn)。那么，Jack Ziemba的說(shuō)法如何才能合理化？熔模鑄造的未來(lái)是什么？打印熔模鑄造和直接激光燒結(jié)技術(shù)之間有什么區(qū)別？

在3D打印的領(lǐng)域中，逐層堆疊的工藝技術(shù)使得零件的幾何復(fù)雜度變得不再那么明顯。Aristo Cast就使用3D打印的PMMA模型來(lái)生產(chǎn)各種形狀的零件，甚至于那些壁厚薄至0.5毫米的產(chǎn)品。與直接激光燒結(jié)相比，PMMA模型的鑄件在尺寸方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。VX1000的構(gòu)建體積為1000 x 600 x 500毫米，為大尺寸的單個(gè)零件或大量的小尺寸零件提供了足夠的空間，它使Aristo Cast能夠生產(chǎn)重量從幾克到15公斤的鑄件。對(duì)于非常復(fù)雜的零件，唯一可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)就是給打印好的PMMA模型上涂料。即使對(duì)于這些罕見的特殊情況，Aristo Cast團(tuán)隊(duì)也有解決辦法。

Aristo Cast和多數(shù)鑄造廠一樣在合金的選擇方面沒(méi)有限制，提供鋁、鎂、鈷、銅、鎳、鋅和各種鋼，只有那些必須在真空中鑄造的合金目前暫不提供。相反的是，直接激光燒結(jié)系統(tǒng)只有很少金屬材料可供選擇，目前可用的材料主要是鋁合金與鋼合金。由于輕合金的強(qiáng)烈反應(yīng)，直接金屬打印鎂合金還很遙遠(yuǎn)。

生產(chǎn)周期短經(jīng)常被認(rèn)為是直接激光燒結(jié)的最大優(yōu)勢(shì)之一，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以直接制造出最終的零件。但是經(jīng)常被忽略的是，直接激光燒結(jié)的零件還需要進(jìn)行燒結(jié)或熱等靜壓處理，以使零件可以達(dá)到設(shè)計(jì)性能。Aristo Cast使用3D打印PMMA模型，也能在72小時(shí)內(nèi)交付鑄件。

對(duì)于一個(gè)重約1公斤的零件，直接激光燒結(jié)需要大約100公斤的粉末。采用鑄造，只有需要的部分才會(huì)被熔化。由于采用了現(xiàn)代模擬軟件，它可以精確的控制需要熔化的金屬重量。然而，由于金屬粉末生產(chǎn)的復(fù)雜性，材料成本顯得更加昂貴，鋁粉的成本約為每公斤600歐元。特種鋼合金很快就能賣到1300歐元每公斤。另一方面，對(duì)于鑄造而言，每公斤鋁的成本約為6.50歐元，每公斤鋼的成本為32歐元。根據(jù)Aristo Cast的經(jīng)驗(yàn)，3D打印加熔模鑄造通常情況下比直接激光燒結(jié)更便宜。

在實(shí)踐中，熔模鑄造和直接激光燒結(jié)零件都經(jīng)常用于航空航天工業(yè)。在這里，鑄造有一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)——認(rèn)證。幾十年來(lái)，鑄造已被認(rèn)證為可在空中使用。然而，直接用金屬打印的零件，往往要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)而昂貴的認(rèn)證過(guò)程，才能被批準(zhǔn)在實(shí)際中使用。這反過(guò)來(lái)又為鑄造帶來(lái)了時(shí)間和成本上的優(yōu)勢(shì)。

節(jié)省材料意味著節(jié)省成本--增材制造的力量

特別是在航空航天領(lǐng)域，也就是Aristo Cast十多年來(lái)提供服務(wù)的主要行業(yè)之一，3D打印與熔模鑄造相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。許多訂單都是所謂的 “遺留部件”，這些零件由于年代久遠(yuǎn)已經(jīng)沒(méi)有任何設(shè)計(jì)圖紙了。這些都可以在Aristo Cast使用現(xiàn)代掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集可以打印出來(lái)直接鑄造，或者可以在功能或重量方面進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)于Aristo Cast和歐特克公司的一個(gè)令人印象深刻的合作案例已經(jīng)在2017年向市場(chǎng)發(fā)布。利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，歐特克設(shè)計(jì)了一種具有非凡仿生結(jié)構(gòu)的飛機(jī)座椅框架原型。由于框架的復(fù)雜性和巨大尺寸，傳統(tǒng)制造或直接的金屬3D打印技術(shù)都不是最佳選擇。因此，歐特克求助于Aristo Cast公司，該公司在VX1000上打印了一個(gè)框架的PMMA模型，然后用鎂合金鑄造。結(jié)果不言而喻：座椅框架比目前安裝的版本輕了30%。一架A380飛機(jī)全部安裝這些框架，按100架飛機(jī)20年壽命計(jì)算，由于降低了油耗，可以節(jié)省超過(guò)2.2億美元。

由于使用了3D打印和熔模鑄造，生產(chǎn)本身也大大降低了成本。通過(guò)打印鑄造，生產(chǎn)成本約為4000美元。通過(guò)直接激光燒結(jié)，該座椅框架將花費(fèi)12,000美元。此外，目前沒(méi)有任何一種直接激光燒結(jié)系統(tǒng)能夠一體化的生產(chǎn)該部件，更不用說(shuō)用鎂合金制造框架來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。

給下一代人敲響警鐘。想想3D（打印）吧

"雖然今天打印鑄件已經(jīng)被廣泛用于各行各業(yè)，但其潛力在很大程度上仍被年輕的工程師所低估"，市場(chǎng)對(duì)日益復(fù)雜的部件的需求正在持續(xù)上升。客戶來(lái)找我們，往往是因?yàn)樗麄冊(cè)噲D直接用金屬打印一個(gè)零件，卻發(fā)現(xiàn)它不起作用，并因此而損失了寶貴的時(shí)間。

Jack Ziemba, CEOAristo Cast