多年来，代工厂采用了各种增材制造(AM)工艺, 根据最近的调查，90%以上的铸造厂都采用了使用粘合剂喷射工艺制作砂芯和模具的3D打印砂. 在生产环境中，3D打印砂型铸件的使用越来越多, 初步的反馈是，工艺结果可与精密砂型铸造工艺相媲美. 

目前, 3D砂打印主要通过混合方法用于生产, 模具是用传统的绿砂工艺制作的，复杂的核心组件是用3d打印核心重新设计的. 然而, 很少有研究和已知的在公共领域的尺寸公差实现了这种无工具精密砂型铸造工艺, 特别是实现更真实的位置和更好的内部特征公差的潜力. AFS的一项研究项目旨在为设计工程师确定并提供3D打印砂威尼斯注册送38元的尺寸公差改进指南，以便他们可以设计新的铸件或重新设计当前的铸件，以实现精密砂铁铸造无工具添加工艺. 

Conventional 铸造 dimensional tolerances are impacted by many factors: the solidification and cooling behavior of the alloy; rigging design (risering and gating system); wear and tear of the pattern and 核心 boxes; type of mold and 核心 media and binder; key 铸造 process parameters (pour temperature, 落砂时间, 模具硬度, 模具及芯层涂装)及后浇铸作业. Toolingless 3D printed sand is a digital manufacuring process; however, 尺寸公差, 可再现性和可重复性受到3D打印机设备类型及其构建参数(打印介质和粘合剂类型)的影响, 印后处理, 和处理. 另外, 复杂的高芯铸件凝固和冷却受到芯和模具溃散性的限制, 以及相对于重力的方向. 复杂铸件通常不会在所有方向上显示均匀的收缩, 哪一个是典型的统一应用于模具的图案收缩余量. 用目前的铸造过程模拟工具可以准确地估计残余应力和变形, 提供了准确的合金热物理和热机械性能, 核心, 并备有模具材料. 

The metal铸造 industry sees the value of 核心 consolidation; however, 3D打印岩芯的整体尺寸公差能力是未知的. 这项研究工作通过并排试验和尺寸研究进行，主要关注岩心之间的相互关系，以测试和量化3D砂打印岩心的能力，最终使设计工程师能够实现轻量化, 有信心的优质零件. 最终, 该研究的目的是为OEM设计工程师提供这种使用3d打印砂模和砂芯的新型精密砂型铸造工艺的标准工艺能力.

核心固结重新设计

在参与铸造厂生产的一个复杂等级的铁外壳示范铸件使用了六个等固化的化学粘合二氧化硅芯组件(图1)。. 这些组件被放置在一个垂直分开的地方, 对本研究的双型腔绿砂模具进行评价. 如图2所示，将六件式岩心组件重新设计为三件式，并根据当前工具和岩心组件的3D模型进行验证. 图3显示了一些关键维度, 用新的三件式设计来评估总体堆叠和核心内打印消除的影响，测量了哪些. 根据ISO 8062标准，推荐生产的铁砂铸件公差等级DCTG(尺寸铸件公差等级)从8到12(表1). 外壳铸件的指定公差为ISO 8062标准表2中的DCTG 9.

岩芯的3D打印

在发布完整的生产试验之前，对3D打印三片核心组件进行了详细的形式和安装验证，并进行了预生产试验. 对预试铸件进行了切片和比较, 使用3D扫描技术制作的六件式芯组件的生产铸件, and were found satisfactory; Figure 4 shows a typical 3D scan result comparison. 将三件式配置的3D文件提供给由3D打印设备供应商组成的6家3D打印核心制造商团队, 学术界, 领导服务局. 表3显示了各种3D打印芯的总结，以及所使用的基材和粘合剂系统的详细信息. 每个3D打印参与者都遵循他们的最佳实践并捕获了以下3D打印构建 & 机参数:

• 方位与核心层
• 层厚度，构建速率/时间.
• 粘合剂类型和添加百分比.
• 衬底-硅或陶瓷与GFN，形状.
• 强度(横向和剪切犬骨)，3D打印芯材的LOI.
• 构建盒布局.
• 使用的机器类型和一些机器参数.
   

每家3D打印核心供应商生产25个核心组件. 每个打印的芯都按照供应商指定的可追溯性代码进行序列化，以保持与浇铸件和尺寸检查的一对一关系. 在装运前，每个核心的整体尺寸都经过目视检查. 一些核心供应商提供了打印过程中每个阶段的照片, de-sanding, 清理, 检查, 包装, 和运输. 生产铸造厂目视检查所有芯，以确保序列号被捕获, 而且在任何核心上都没有发现物理损伤. 芯洗采用相同的生产工艺, 在放入模具之前，每个芯组件都使用生产芯组件夹具进行验证，以确保正确的形状和配合.

铸件生产试验明细

一旦所有150个3D打印核心可用, 总共超过175个铸件(目前有25个是6件设计)一次浇铸完毕. 捕获了每个模具的关键工艺参数, 在使用三坐标测量机检查关键尺寸之前，每个铸件都经过相同的加工. 浇注温度范围记录为2470F至2574F (1354).4C–1412.2 C); 模具硬度 was in the range of 94–95 on B scale and pour time was in the range of 14.68 to 14.82秒.

使用Minitab软件对CMM测量尺寸进行统计分析，并对可重复性进行总体尺寸评估, 进行了再现性和变异性/公差，并与常规的六件套做法进行了比较.

结果与讨论

Residual maximum principle stress and displacement estimated after shakeout and cooling to room temperature using production conditions consisted of 2548F (1398C) pour temperature; 14.7秒浇注时间, 具有呋喃粘合的3D打印硅芯和坚硬稳定的绿色砂型, 如图5和图6所示. 注意由于铸件几何形状和索具系统影响残余应力和变形而导致的不均匀冷却.

图5在左侧显示了一个典型的构建框布局，尺寸为64.芯芯供应商B的尺寸为9mm，带有序列号, 似乎没有很好的相关性，核心的位置在构建盒(1).e.，位于底部与顶部).

表4显示了64的测量结果摘要.9毫米尺寸的各种3D打印的核心, 生产芯运行的活动(标记为R)和历史生产测量超过400个铸件(标记为P). 3D打印的核心组件的标准偏差最小，Cp和Cpk值最高.

图6显示了64的直方图.9毫米尺寸测量图形.

类似的, 104毫米尺寸的汇总如图7所示, 3D打印陶瓷砂在哪里, furan bonded shows the least variability; however, 这是均值的偏移, 表明随着3D打印H(酚醛硅键合)，沙子的膨胀较小。.

另一个观察结果如图8中112的框图所示.7mm尺寸分析表明陶瓷砂与硅砂相比具有最小的可变性，这是因为陶瓷砂在较高的铁温度范围内是稳定的，并且不像新鲜的硅砂那样经历任何相变或体积变化. 当前生产砂芯(标记为R和P), 采用热回收硅砂, 也表现出相对于3D打印新鲜硅呋喃键合的最小变异性. 这些方面需要进一步研究.

表5显示了3D打印岩芯对潜在震源尺寸变异性的进一步分析. 假设控制良好的关键铸造工艺参数，包括铸造后操作变量, three different sources were quantified for the few critical dimensions listed in Column 1: 3D printing machine accuracy including reproducibility and repeatability; 铸造 residual stress and distortion related; and the balance by 3D printed 核心s potentially attributed to manual post-printing cleaning, 处理, 和发货. 这可能是一个合理的假设，因为3D打印的核心是无工具的, 数字化制造过程消除了其他可变性的原因. 

3D打印机精度数据使用设备制造商推荐的最坏情况变异性为0.线性尺寸的2%，如表5所示. 最小变量ISO 8062 DCTG等级8被用于比较, 即使外壳铸造是需要满足DCTG 9. 总体变化定义为计算最小和最大尺寸测量值之间的差异的范围，并在第6列中报告. 第5列显示了平均测量值. 打印后3D核心相关的尺寸变异性是通过从第6列中报告的所有五个维度的总变异性中减去第9列中估计的3D打印机相关的变异性和第11列中模拟预测的铸件凝固和冷却相关的变形而得出的. 根据3D打印芯的整体范围和ISO 8062(表3)，DCTG等级从5到8是可行的3D打印芯铸件生产类似复杂的铸铁件, 哪一个属于表1所示的4 - 8级熔模铸造DCTG.

图8是总维度可变性贡献者的总结, 在三个类别中，每个类别中测量的五个关键维度的平均值的百分比. It appears that 3D printing machines print 核心s very accurately; it is the subsequent manual post printing operations (such as de-sanding, 处理, 航运, 并应用涂层)，诱导更多的扩散和可变性，如图9所示, 今后的研究还需要在这些方面进行重点研究. 自动化de-sanding, 例如, 加上控制压力/流量, 除砂时的接触压力, 机器人处理打印的核心可以潜在地减少这种可变性，并进一步收紧尺寸公差. 图10是3D打印与传统制芯对比的直方图.

结论

1. 与传统砂型铸造相比，3D打印无工具岩心固结具有更严格的尺寸公差能力, as demonstrated with a few critical 铸造 dimensions in a complex iron 铸造 production; the expected DCTG per ISO 8062 is in the range of 5 to 8, 重叠熔模铸造工艺可实现的公差能力. 需要对铁和其他合金进行更多此类研究，并提供额外的示例，以建立一个单独的DCTG，用于无工具3D打印精度和铸造过程，这将使工程师能够创建具有更薄壁的新设计, 更轻的重量, 改善了性能.

2. It appears that the location of the 核心 in the build box of a 3D printer has no impact on 尺寸公差; however, 这需要进一步研究.

3. 3D打印陶瓷砂(一批25芯)的有限数据显示，与硅砂相比，3D打印陶瓷砂的尺寸可变性最小，并且被认为是由于没有与陶瓷基板相关的相变或体积膨胀和收缩. 这需要进一步研究，包括更多的样本和数据.

4. 从有限的测量数据来看, 打印后的手工操作，如去砂和3D打印芯的处理，可能会影响观察到的尺寸变化，需要进一步研究.