—國外精鑄技術(shù)進(jìn)展述評(píng)(12)—

《特種鑄造及有色合金》 ,，2005（12） ：732~735

快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping,簡稱RP)是20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的高新技術(shù),。它能使人們頭腦中的設(shè)計(jì)概念迅速變成實(shí)物。特別值得一提的是,，整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程不需要任何模具和工藝裝備,，大大縮短樣件和新產(chǎn)品試制周期，迅速成為增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭力的重要手段和工具,。INCAST 2004(11)發(fā)表的互聯(lián)網(wǎng)問卷調(diào)查表明,，全歐 400多家精鑄廠家中，有 93%以上都曾使用過快速成形模樣,，所有受訪者都認(rèn)同,，采用此項(xiàng)新技術(shù)對(duì)于加速新產(chǎn)品開發(fā)和增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力至關(guān)重要[1]。

一．常用快速成形方法在熔模鑄造中的應(yīng)用 

快速成形技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用主要有以下幾方面：

1．制作熔模 

制作模樣時(shí),，快速成形機(jī)不僅可以輸入由其它 CAD軟件建立的三維幾何模型,，也可以接收由工業(yè) CT(計(jì)算機(jī)層析射線攝影技術(shù))掃描所得的數(shù)據(jù)文件。例如,，首先通過 CT 對(duì)零件(螺旋推進(jìn)器,，圖 12-1a)掃描，獲得其斷面的二維圖象(圖 12-1b),。隨后,，圖象處理軟件再將各斷面的二維圖象組合起來(圖 12-1c)，構(gòu)成三維幾何模型(圖 12-1d),。再將它傳送給快速成形機(jī)制成模樣(圖12-1e)[2],。這種復(fù)原（逆向）工程方法不但可以將機(jī)器零件復(fù)原，而且還可以仿制某些人體器官,。

    2．制作模具（壓型）和其它工藝裝備[2] [3]

    用快速成形方法制作精鑄模具有兩種方法：一種是先制成母模,，再翻制環(huán)氧樹脂或硅橡膠壓型；另一種方法是將CAD 系統(tǒng)中生成的壓型型塊的三維幾何模型直接輸入快速成形機(jī)制成樹脂壓型,。這類壓型主要適合小批量生產(chǎn)（幾十件） ,。如果在母模表面噴涂約 2mm 厚的金屬層，并在其后充填環(huán)氧樹脂制成金屬－環(huán)氧樹脂復(fù)合壓型,，可以滿足生產(chǎn)數(shù)百件精鑄件的要求,。采用  SLS 法時(shí)如將加工對(duì)象由樹脂粉末換成表面帶一薄層熱固性樹脂的鋼粉,，用激光燒結(jié)成壓型，再焙燒以除掉樹脂,，最后將銅液滲入壓型的孔隙中,。由此所得的壓型在強(qiáng)度、導(dǎo)熱等方面的性能與金屬相似,。除此之外,，快速成形技術(shù)還可用于制作某些形狀不規(guī)則的胎具。  

    3．直接制作鑄型澆鑄鑄件 

20 世紀(jì) 90 年代初美國 Sandiana 國家實(shí)驗(yàn)室開展了一項(xiàng)名為快速鑄造(FastCAST)的專門研究,，被命名為直接型殼鑄造法( DSPC),。遺憾的是，后來很少再見報(bào)道,。

1994年美國Z Corporation 開發(fā)成功三維打印技術(shù) 3D Printing,。該項(xiàng)技術(shù)最初由麻省理工學(xué)院Ely Sachs 教授發(fā)明并擁有專利權(quán)。其基本原理與 SLS 法相似,，先用滾筒噴鋪一層耐火材料或塑料粉末,。跟 SLS 不同的是，它不是驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射頭,，而是驅(qū)動(dòng)噴墨打印頭,，按照制品的截面形狀噴射膠水‘打印’。重復(fù)以上動(dòng)作,，直至零件制作完成,，故被命名為‘三維打印技術(shù)’。其優(yōu)點(diǎn)是,，運(yùn)行費(fèi)用和材料成本低,，速度快。如果噴鋪的粉末是石膏和陶瓷的混合粉末, 即可直接快速制成鑄型（石膏型）,，用于澆鑄鋁,、鎂、鋅等有色合金鑄件,，稱之為 ZCast（圖12-2）,。

二．常用快速成形方法應(yīng)用效果比較 

    目前實(shí)際生產(chǎn)中較流行的快速成形方法有立體平板印刷法(SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)法(SLS),、熔融堆積法(FDM),、層合物制造法（LOM）和直接型殼鑄造法( DSPC)等。近年來,，國外不少研究機(jī)構(gòu)從制作模樣的質(zhì)量和在熔模鑄造中的表現(xiàn)等方面,，對(duì)上述方法進(jìn)行了比較,，結(jié)果如下:

    1) 制成模樣的尺寸精度   SLA 法最高,，SLS 和 FDM次之,，LOM法最低[4]。

    2) 模樣表面粗糙度  模樣表面經(jīng)打磨精整后用表面粗糙度儀測(cè)量,，結(jié)果見表 12-1[4],。可見表面粗糙度以 SLA 和LOM法較細(xì),，FDM 法最粗,。

    3) 再現(xiàn)精細(xì)部位的能力   以齒間距約3mm 的齒條為對(duì)象考察這四種方法復(fù)制精細(xì)部位的能力。結(jié)果以 SLA 最佳,，FDM最差[4],。

4) 在熔模鑄造中的表現(xiàn)   上述四種方法中，制品本身就是蠟?zāi)５姆椒?span>(如FDM或SLS),，很容易適應(yīng)熔模鑄造工藝的要求,，無疑表現(xiàn)較好。而樹脂或紙制模樣盡管也可燃燒掉,，但畢竟不象蠟?zāi)Ｄ菢尤菀走m應(yīng)熔模鑄造的要求,，需要不斷改進(jìn)，以趨利避害,。

表 12-1  模樣表面粗糙度的比較      (單位：μm)

從總體看,，SLA 法盡管與熔模鑄造工藝也還有某些不適應(yīng)之處，但由于制成的模樣尺寸精度和表面質(zhì)量好而倍受青睞,，在國外,，特別是航空航天和軍工部門的熔模鑄造企業(yè)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。SLS 法模樣質(zhì)量雖較 SLA 略遜一籌,，但容易適應(yīng)熔模鑄造的工藝要求,，所以，國內(nèi)熔模鑄造中應(yīng)用越來越多,。FDM 法盡管最容易適應(yīng)熔模鑄造的工藝要求,，但制成蠟?zāi)５某叽缇群捅砻尜|(zhì)量尚不盡如人意；而 LOM法雖模樣質(zhì)量尚可,，但難以適應(yīng)熔模鑄造,，因此，目前后二種方法在熔模鑄造中推廣應(yīng)用均受到一定限制,。

三．熔模鑄造中應(yīng)用 SLA 和SLS 的新進(jìn)展 

   1．新型光固化樹脂[5][6]

SLA法早在1987年就已商業(yè)化了,，它最初是被用來制作實(shí)體模型和具有一定功能的樣件。20 世紀(jì)90年代初期,，美國 3D System Inc  的QuickCast軟件開發(fā)成功,，使SLA 快速成型機(jī)能夠制作出內(nèi)部呈蜂窩形結(jié)構(gòu)(圖 12-3a)而外表仍保持光滑致密的精確模樣(圖 12-3b)，不僅節(jié)省了 90%的制模材料，而且在焙燒型殼的時(shí)候,，模樣首先向內(nèi)癱塌而不致將型殼脹裂,。除此之外，人們逐步發(fā)現(xiàn),，對(duì)于制模用光固化樹脂來說,，還需要滿足以下一些特殊要求:

·粘度—— 如果樹脂粘度太大，模樣制成后內(nèi)腔中剩余的樹脂很難排盡,，殘存樹脂過多,，仍有可能在焙燒時(shí)將型殼脹裂，因而往往不得不采用離心分離等措施,。另外,，制成的模樣表面也很難擦凈。

·殘留灰分——這也許是最重要的要求,，如果型殼焙燒后殘留灰分多,，將導(dǎo)致鑄件表面產(chǎn)生非金屬夾雜及其它缺陷。

·重金屬元素含量——這對(duì)于鑄造高溫合金特別重要,。例如銻在SLA 光固化樹脂中就是一種較為常見的元素,，如果它出現(xiàn)在型殼焙燒后的殘灰中，就可能污染合金,，甚至使鑄件報(bào)廢,。

·尺寸穩(wěn)定性——在整個(gè)操作過程中模樣尺寸都應(yīng)保持穩(wěn)定，為此,，樹脂的吸濕性低也是非常重要的,。

    近年來，美國  DSM Somos 公司研制成功一種新型的光固化樹脂Somos 10120,，滿足了上述主要要求,，頗受精鑄生產(chǎn)廠家青睞。這種新產(chǎn)品已在三個(gè)不同精鑄廠鑄造了三種合金(鋁,、鈦和鈷鉬合金),，取得了滿意的效果[6]。

    2．采用SLA模樣進(jìn)行小批量生產(chǎn) 

    采用 SLA 模樣小批量生產(chǎn)精鑄件需要考慮 2 個(gè)主要問題: 一是模樣和鑄件所能達(dá)到的尺寸精度,，二是生產(chǎn)成本和交貨期是否具有優(yōu)勢(shì),。美國 Solidiform、Nu-Cast,、PCC,、Uni-Cast 等多家精鑄廠，采用 SLA 模樣鑄造了數(shù)百個(gè)鑄件,，實(shí)際測(cè)量鑄件尺寸后,，統(tǒng)計(jì)分析表明，采用DSM Somos 公司新開發(fā)的 11120光固化樹脂和QuickCast 技術(shù)，制成的SLA模樣,，尺寸偏差不超過鑄件公差值的50％,。絕大多數(shù)鑄件尺寸符合公差要求，合格率達(dá)95％以上（圖 12-4） [7],。

盡管制作一個(gè) SLA 模樣的成本要比制作相同蠟?zāi)８叩枚啵馁M(fèi)時(shí)間也要長一些,，但不需要設(shè)計(jì)制造壓型,，所以，在單件小批量生產(chǎn)時(shí),，在成本和交貨期方面仍具有優(yōu)勢(shì),。鑄件越復(fù)雜，這種優(yōu)勢(shì)越明顯,。以Nu-Cast公司生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的航空精鑄件為例（圖12-5）[7],，其模具制作費(fèi)用約85000美元，每天生產(chǎn) 4個(gè)蠟?zāi)?，每個(gè)蠟?zāi)３杀举M(fèi)（含材料和人工）150美元,。如果采用 SLA 法，每個(gè) SLA 模樣成本 2846 美元,，但不需要設(shè)計(jì)制造模具,。由此算出，如果產(chǎn)量小于32件,，采用SLA 模成本低于蠟?zāi)?/span>; 超過32 件,，則成本高于蠟?zāi)＃▓D 12-6）；使用蠟?zāi)?，設(shè)計(jì)制造模具需耗時(shí)  14～16周,，而SLA 模不需要模具。因此,，如果產(chǎn)量少于 87 件,，采用 SLA 模，交付鑄件比蠟?zāi),？欤▓D 12-7）,。但超過 87 件，則采用蠟?zāi)８?/span>[7],。另一個(gè)需要考慮的因素是,，如果采用蠟?zāi)＃?dāng)產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí),，模具需要重新制作,，付出代價(jià)大；而采用SLA 模樣，需要做的只是更改CAD幾何模型,，比重新制作模具簡便快捷得多,。

   3．SLS燒結(jié)聚苯乙烯粉末浸蠟?zāi)?/span> 

SLS 最初是用激光將特制的蠟粉燒結(jié)成蠟?zāi)＃苓m合熔模鑄造的工藝特點(diǎn),，早在 1990年底,，美國已有超過50家鑄造廠，生產(chǎn)多達(dá)約 3000個(gè)蠟?zāi)?，并成功鑄出多種金屬鑄件,。然而，蠟粉并不是最理想的制模材料,，由它制成蠟?zāi)５膹?qiáng)度不足,，氣溫高時(shí)易軟化變形，氣溫低時(shí)又容易碎斷,。因此,，1990 年代初期，美國一些 SLA 用戶就嘗試采用聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯(PC)等熱塑性塑料粉末代替蠟粉,。此類材料制成模樣疏松多孔(孔隙率達(dá)25%以上),，減輕了脫模時(shí)脹裂型殼的危險(xiǎn)，型殼焙燒后灰分少,，但模樣表面粗糙,。因此，模樣制成后需要浸蠟和手工打磨精整,，使其表面光滑致密,。目前這種方法已在國內(nèi)外普遍應(yīng)用。圖12-8 所示為北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司用 SLS 法燒制成的聚苯乙烯粉末浸蠟?zāi)５牟糠值湫蛯?shí)例,。

參 考 文 獻(xiàn)

1.  Pedro Egizabal. Study Shows Implementation of New Technologies in the European Investment Casting Sector. INCAST 2004(11):20~23

2.  Robert N. Integration of Reverse Engineering Solidification Modeling and Rapid Prototyping Technologies for The Production of Net-Shape Investment Cast Tooling. Proceedings Of The 43th Annual Technical Meeting on Investment Casting., USA. 1995, 21:1~9   

3.  Michael  Hascher.  Rapid  Prototyping  And  Rapid  Manufacturing  For  The Modern  Investment  Caster. Proceedings Of The 49th Annual Technical Meeting On Investment Casting, USA. 2001, 18:1~18:9

4.  Tony  Riek.  Comparing  Rapid  Prototyping  Patterns  For  Investment  Casting  - An  Australian  Investigation. Proceedings Of The 9thWorld Conference On Investment Casting. San Francisco, USA. 1996, 20:1~20:11

5.  Curtis Wahleren, Suresh  Jayanth, Tom Mueller. Dimensional  Issues With  Investment Casting Patterns Made By Stereolithography. Proceedings Of The 48th Annual Technical Meeting On Investment Casting., USA. 2000, 3:1~3:9

6.  Charles  Kaufmann.  Investment  Casting  Trial  Studies  Examine  Significant  New  Developments  In Stereolithography Resins. INCAST 2002(11): 12~15

7.  Tom Mueller. Rapid Prototyping Technology ——The Changing The Economics of Low-Volume Investment Casting. INCAST 2004(10): 11~15