您可能已經聽說過3D打印塑料和金屬。但您知道沙子也是3D打印的潛在材料嗎？事實上，它對于許多行業(yè)來說都是一種具有成本效益的解決方案，并且特別是對傳統(tǒng)砂型鑄造的補充。但3D砂型打印是如何工作的，傳統(tǒng)砂型鑄造如何從這種增材工藝中受益？我們在本文中仔細研究這些問題。

要了解3D砂打印對于鑄造的重要性，首先要了解傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝。砂型鑄造是一種用于生產由金屬和其他材料制成的最終零件的鑄造工藝。倒入液體材料的模具由耐高溫的沙子制成。最初的鑄造工藝已經過數(shù)千年的測試和驗證，其歷史可以追溯到公元前3,200年左右。當然，制造工藝經歷了幾個發(fā)展階段，但基本概念沒有改變。

在砂型鑄造過程中，液體材料（通常是金屬）被倒入砂罐中（照片來源：BigRep）

該過程從要制造的物體的二維繪圖開始?；谶@個概念，生產了一個模板，但如果將其用于最終的金屬零件，則其尺寸會增加以允許收縮。此外，模型必須包括澆注通道。將制作好的陰模壓入充滿沙子的成型箱中。然后在沙子中形成模型的圖像（模具）。將液體材料（鋁、鋼、鎂、鐵）倒入該模具中，冷卻后立即取出。在精加工階段，還必須去除澆口。

盡管砂型鑄造已通過詳細的結果證明了自己，但上述工藝步驟表明，這是一個步驟眾多的復雜工藝。這就是3D打印的用武之地。傳統(tǒng)鑄造和增材制造的結合使流程更加高效，因為帶有型腔的零件的模具或型芯是通過CAD數(shù)字化設計并通過3D砂打印制造的。這樣，就省去了設計模型、創(chuàng)建模型以及在成型框架中打印的步驟?？傊?D打印提供了實現(xiàn)預期目標的捷徑，節(jié)省時間、成本和資源。

打印之前，通過CAD創(chuàng)建形狀設計（圖片來源：voxeljet）

在我們更詳細地討論3D砂打印的諸多好處之前，讓我們先關注一下3D砂打印本身。用于3D打印的石英砂不是沙箱或海灘中的傳統(tǒng)沙子，主要由石英顆粒組成。根據(jù)最終零件的鑄造合金，可以使用不同類型的砂。SH-F01石英砂呈啞光黑色，而SH-P14呈米色，通常為沙色。兩者都具有高耐熱性和強度。也可采用SH C052合成砂。它是基于陶瓷的，具有與上述類型類似的特性。在3D砂打印中，然后通過粘合劑噴射將砂轉變?yōu)樯靶丸T造的模具。

優(yōu)點及應用

與其他3D打印技術相比，粘合劑噴射被認為特別有效。這不僅適用于聚合物或金屬粉末的加工，也適用于沙子的加工。這意味著粘合劑噴射不僅可以跳過傳統(tǒng)砂型鑄造的眾多步驟，而且還可以特別高效地生產模具。生產中節(jié)省的時間也可以轉化為經濟收益。例如，模具打印可以在整個生產過程中降低高達75%的成本。

機器操作員清理3D打印型芯上的沙子（照片來源：Hoosier）

3D模型是在計算機上設計的，這有利于個人修改和適應。還可以制造復雜的幾何形狀，并進行任何規(guī)模的生產。粘合劑噴射打印砂模的另一個優(yōu)點是它們具有更好的尺寸精度并且可以進行不同數(shù)量的生產。這也提供了競爭優(yōu)勢，因為可以更好地滿足客戶的要求。

除了節(jié)省時間和金錢之外，砂印還節(jié)省資源。不再需要處理材料來創(chuàng)建物理模型。由于增材工藝主要僅使用實際需要的材料，因此產生的廢物也較少。石英砂被認為是一種環(huán)保材料，其數(shù)量幾乎無限，未使用的打印粉也可以部分重復使用。從這個意義上說，3D砂打印有助于實現(xiàn)更可持續(xù)的生產。

3D砂打印可考慮用于各種應用的模具，特別是那些需要高效生產復雜零件的模具。汽車或航空航天工業(yè)就是這種情況，例如車輪或螺旋槳等具體應用。例如，英國鑄造廠Boro Foundry已使用3D砂打印來生產備件。該技術還可用于制造設計師家具、藝術和餐飲業(yè)。它可用于生產原型和小批量生產。

車輪3D砂打印模具（照片來源：voxeljet）

沙子3D打印機制造商

在3D打印領域，有一些專門從事砂處理的制造商。德國公司voxeljet在這一領域尤其享有盛譽。它提供多種砂型3D打印系統(tǒng)，包括VX 200、500、1000、2000和4000機器，它們具有不同尺寸的打印床。除了voxeljet之外，還應該提到ExOne（2021年被Desktop Metal收購，但仍然活躍在砂業(yè)務中），該公司也專注于粘合劑噴射系統(tǒng)，是該領域的領導者之一。

雖然沙子3D打印的應用范圍比樹脂、聚合物和金屬3D打印的應用范圍要窄，但它可以滿足特定的需求。這就是為什么越來越多的服務提供商將其添加到他們的產品中，以更好地滿足客戶需求，并幫助想要通過3D打印改革砂型鑄造，但自己沒有資源投資3D砂型打印機的小型鑄造廠。

voxeljet VX4000是迄今為止最大的砂型3D打印機（照片來源：voxeljet）

來源：3dnatives