论文总字数：20683字

摘 要

3D打印是一种三维快速成型技术，它通过逐点、逐线、逐面的方式来增加材料。它适用于几乎所有种类的材料生产，同时，它也可以构造出适合特性的新材料，从而推进材料技术的发展。本文简介了3D打印技术和3D打印技术在砂型铸造方面的应用，介绍了砂型铸造中设计浇注系统和冒口的原则。选取特定铸件后，通过查阅资料，结合前人经验，针对选定的铸件设计出几种不同的方案，确定直浇道、横浇道、内浇道和冒口等的位置、形状与尺寸。利用Solidworks软件绘制出各个方案的3D模型。然后利用ProCAST软件对模型进行网格划分，设置参数后开始模拟。观察各个方案的模拟结果之后，比较分析并针对相应问题进行改良。改进方案或设置新的参数之后再次进行模拟分析，得出最优方案。

关键词：3D打印，砂型铸造，浇注系统，设计，模拟

Abstract

3D printing is a three-dimensional rapid prototyping technology that adds material by point-by-point, line-by-face. It is suitable for almost all kinds of material production, at the same time, it can also be constructed for the characteristics of new materials, thus promoting the development of materials technology. This paper introduces the application of 3D printing technology and 3D printing technology in sand casting, and introduces the principle of designing gating system and riser in sand casting. After selecting the specific castings, several different schemes are designed for the selected castings by referring to the data and combined with previous experience to determine the location, shape and size of the sprues,runners and risers. Using Solidworks software to draw out the 3D model of each program. Then use ProCAST software to model the grid, set the parameters and start the simulation. After observing the simulation results of each scheme, compare and analyze the corresponding problems. Improve the program or set the new parameters after the simulation analysis again, the optimal solution.

KEY WORDS : 3D printing, sand casting, pouring system, design, simulation

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………… Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 3D打印技术简介 1

1.2 3D打印技术与砂型铸造 2

1.3浇注系统设计 2

1.3.1浇注系统的类型与适用范围 3

1.3.2 浇口杯设计 5

1.3.3直浇道和浇口窝设计 5

1.3.4横浇道设计 6

1.3.5内浇道设计 6

1.4冒口设计 7

1.4.1冒口种类 7

1.4.2冒口形状 8

1.4.3冒口位置 8

1.4.4冒口设计基本原则 8

1.5型砂 9

1.6本文研究内容及其意义 9

1.6.1 主要研究内容 9

1.6.2 课题研究意义 10

第二章 设计与方案 11

2.1设计流程 11

2.2前期准备 11

2.2.1 Solidworks简介 11

2.2.2 ProCAST简介 12

2.2.3铸件选择 13

2.3砂型设计 13

2.3.1方案一 14

2.3.2方案一修改 14

2.3.2方案二 15

2.3.3方案三 16

2.3.4方案四 16

2.4模拟计算 17

2.5优化改良 20

第三章 模拟结果与分析 21

3.1方案一 21

3.2方案一修改 25

3.3方案二 29

3.4方案三 33

3.5方案四 37

3.6比较分析 41

第四章 总结与展望 43

致谢 45

参考文献（References） 46

第一章 绪论

1.1 3D打印技术简介

3D打印是一种三维快速成型技术，它通过逐点、逐线、逐面的方式来增加材料。它适用于几乎所有种类的材料生产，同时，它也可以构造出适合特性的新材料，从而推进材料技术的发展。

当前，金属零部件产品的主要优点是力学性能高、实用意义大等，因此其在制造业中有广泛的应用。至于传统的金属件制造工艺，特别是铸造和锻造过程，存在工序繁多、周期太长、污染严重、浪费材料及重复利用率低等问题，因此不能符合市场对小规模、低投入、多种类、高性能、结构复杂产品的灵活制造需求，也不符合工业发展过程中的节能减排要求。而以3D打印为典型的众多快捷、高效、无污染的柔性制造技术的产生，不但提高了产品设计及制造水平，有效缓解了个性化生产与投入成本之间的矛盾， 同时有利于传统的大批量制造模式转变为个性化制造模式。

当前主流的3D打印类型有熔融沉积造型、立体印刷术、选择性激光烧结和微凝沉积。这些技术都拥有一些共同的特点，例如：零件精度高、开发周期短、制造材料多样、可进行个性化尝试以及可应用于复杂的一体成型零件等。

由于我国经济社会转型发展对生产方式提出了新的需求，我们需要不断尝试创新，3D打印的灵活性有利于激发民众的创造热情。目前社会正处在信息化的新时代背景下，3D打印技术可以促进工业化与信息化的进一步融合。而关于3D打印方向上的研究，中国与发达国家的差距不是很大，如果我们进一步强化研究并且推动产业化发展，那么就有望在这一高新技术前沿逐步赶上其他国家。在这之中，完善3D打印的工艺和产业链，是推动3D打印事业发展的一个关键方向。

1.2 3D打印技术与砂型铸造

在传统砂型铸造的工艺过程中，基本工序为制造模型、准备造型材料、造型、造芯、烘干、合箱、浇注、后续处理等，利用3D打印技术进行砂型铸造可以简化造型和造芯及之前的准备工作，从而有利于缩短研发周期。

为了获得高质量铸件，国内外都很看重各种合金浇注系统的设计，主要包含结构形式、浇道截面尺寸、 浇道位置等，通过改变这些因素，从而调整金属液体进入型腔的速度、状态，减少当设计整体浇注系统产生问题时，可能会造成的夹渣或缩孔等方面的问题。目前来说，最需要解决的问题是针对各式各样的铸件要求，设计相应的适宜的浇注系统。而3D打印技术所独有的灵活性，使得设计形式多样，结构独特的浇注系统成为可能。与传统砂型铸造的浇注系统不同，3D打印技术设计的浇道位置更灵活，浇道形状更多样，浇道结构更多变，有利探索更适合的浇注系统。

1.3浇注系统设计

浇注系统是液态金属在铸型中流动的通道。构成浇注系统的结构大致有：浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道。浇注系统的结构在一定程度上关系到铸件的质量是否达标，所以设计浇注系统时应遵循以下原则：

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