快速成型技术在熔模铸造中的应用

发布时间： 06 / 24 2021 作者：网站编辑访问：13961

快速成型 (RP) 是 1990 年代开发的一项高科技。它可以快速将人们脑海中的设计理念转化为实物。特别值得一提的是，整个产品开发过程不需要任何模具和工艺设备，大大缩短了样机和新产品的试制周期，迅速成为提升企业竞争力的重要手段和工具。 INCAST 2004 (11) 公布的互联网问卷调查显示，欧洲 93 多家熔模铸造制造商中有 400% 以上使用了快速成型。所有受访者都同意使用这项新技术对于加速推出新产品至关重要。培养和提高企业对市场的快速反应能力非常重要。

快速成型技术在熔模铸造中的应用

常用快速成型方法在熔模铸造中的应用

快速成型技术在熔模铸造中的应用主要包括以下几个方面：

1. 进行投资

在制作图案时，快速成型机不仅可以输入其他CAD软件建立的三维几何模型，还可以接收工业CT（计算机断层扫描）扫描的数据文件。例如，首先通过CT扫描零件（螺旋桨，图12-1a），获得其横截面的二维图像（图12-1b）。随后，图像处理软件将各断面的二维图像（图12-1c）组合起来，形成三维几何模型（图12-1d）。然后送至快速成型机制作图案（图12-1e）[2]。这种复原（逆向）工程方法不仅可以复原机器零件，还可以模仿某些人体器官。

2.制作模具（压缩成型）等工艺设备

快速成型精密铸造模具的制作方法有两种：一种是先制作母模，然后再制作环氧树脂或硅橡胶仿形；另一种方法是利用CAD系统生成的三维仿形块将几何模型直接输入快速成型机进行树脂成型。此类仿形主要适用于小批量生产（数十件）。如果在母模表面喷涂约2mm厚的金属层，然后填充环氧树脂制成金属-环氧树脂复合型材，就可以满足生产数百个精密铸件的要求。例如使用SLS法时，将加工对象从树脂粉变为表面有薄薄一层热固性树脂的钢粉，激光烧结形成压块，然后烧制除去树脂，最后进行铜液渗入压块的孔隙中。由此产生的轮廓在强度和导热性方面类似于金属。此外，快速成型技术还可用于制作某些不规则形状的模具。

3.直接生产模具铸件

1990年代初，美国桑迪亚纳国家实验室进行了一项名为快速铸造（FastCAST）的专项研究，命名为直接壳型铸造（DSPC）。不幸的是，后来很少有报道。

1994年，美国Z公司成功开发出3D打印技术3D打印。该技术最初由麻省理工学院的 Ely Sachs 教授发明并获得专利。基本原理类似于SLS方法。首先用滚筒喷涂一层耐火材料或塑料粉末。与SLS不同的是，它不是驱动激光发射头，而是驱动喷墨打印头根据产品的截面形状喷胶进行“打印”。重复以上动作，直到零件完成，故命名为“3D打印技术”。其优点是运行成本和材料成本低，速度快。如果喷出的粉末是石膏和陶瓷的混合粉末，可以直接快速制成铸模（石膏模），用于铸造铝、镁、锌等有色合金铸件，称为ZCast（图12-2） .

常用快速成型方法应用效果对比

目前实际生产中比较流行的快速成型方法有三维光刻（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积（FDM）、层压制造（LOM）和直接模铸（DSPC）等。近年来，国外许多研究机构在熔模铸造的生产模式质量和性能方面对上述方法进行了比较。结果如下：

1) SLA方法对图案的尺寸精度最高，其次是SLS和FDM，LOM方法最低[4]。
2) 图案表面粗糙度将图案表面打磨抛光，用表面粗糙度仪测量。结果如表12-1[4]所示。可以看出，SLA和LOM方法表面粗糙度更细，FDM方法最厚。
3）再现精细零件的能力这四种方法再现精细零件的能力以齿距约3mm的齿条为对象进行研究。因此，SLA 是最好的，而 FDM 是最差的 [4]。
4）在熔模铸造中的性能在上述四种方法中，产品本身是一种蜡模方法（如FDM或SLS），可以轻松适应熔模铸造工艺的要求，无疑表现更好。虽然树脂或纸模也可以燃烧，但它们不像蜡模那样容易适应熔模铸造的要求。需要不断改进以避免缺点。

图案表面粗糙度比较

测量部分	LOM	SLS	FDM	SLA
水平面	1.5	5.6	14.5	0.6
斜面	2.2	4.5	11.4	6.9
垂直平面	1.7	8.2	9.5	4.6

从整体来看，虽然SLA法与熔模铸造工艺存在一定的不兼容，但因其良好的尺寸精度和表面质量而广受欢迎。在国外，特别是在航空航天和军工行业，熔模铸造企业得到广泛应用。 SLS法虽然质量略逊于SLA，但很容易适应熔模铸造的工艺要求。因此，越来越多的应用在国内熔模铸造中。 FDM法虽然最容易适应熔模铸造的工艺要求，但蜡模的尺寸精度和表面质量不尽如人意；而LOM法质量尚可，但难以适应熔模铸造。因此，难以适应熔模铸造。这两种方法在熔模铸造中的推广应用受到一定的限制。

SLA和SLS在熔模铸造中的应用新进展

1.新型光固化树脂

SLA方法早在1987年就已经商业化，最初用于制作具有一定功能的物理模型和原型。 1990年代初期，美国3D System Inc的QuickCast软件开发成功，使SLA快速成型机能够生产蜂窝状结构（图12-3a），同时仍保持光滑致密的外观（图12） -3b) ，不仅节省90%的成型材料，而且在烧制外壳时，图案先向内塌陷，不会使外壳破裂。此外，人们逐渐发现，用于模具制造的光固化树脂，还需要满足以下特殊要求：

粘度——如果树脂粘度太高，在制模后很难排出型腔中剩余的树脂。如果残留树脂过多，在烘烤过程中仍有可能使外壳破裂，因此往往需要离心分离。措施。此外，成品图案的表面也难以清洁。
残灰——这可能是最重要的要求。如果外壳烘烤后残留灰分，会造成铸件表面出现非金属夹杂物等缺陷。
·重金属元素含量——这对于铸造高温合金尤为重要。例如，锑是 SLA 光固化树脂中相对常见的元素。如果它出现在炮弹烧制后的残灰中，可能会污染合金，甚至导致铸件报废。
尺寸稳定性——图案尺寸在整个操作过程中应保持稳定。为此，树脂的低吸湿性也很重要。

近年来，美国DSM Somos成功开发出新型光固化树脂Somos 10120，满足上述主要要求，颇受熔模铸造厂商青睐。这种新产品已经在三个不同的精密铸造厂用三种合金（铝、钛和钴钼合金）进行铸造，取得了令人满意的结果。

2.小批量生产使用SLA模式

使用SLA图案的精密铸件小批量生产需要考虑两个主要问题：一是图案和铸件所能达到的尺寸精度，二是生产成本和交货期是否具有优势。美国的几家精密铸造厂，如 Solidiform、Nu-Cast、PCC 和 Uni-Cast，已经使用 SLA 模式铸造了数百个铸件。经过对铸件尺寸的实测，统计分析表明使用的是帝斯曼Somos开发的新型11120光固化树脂。使用 QuickCast 技术，生成的 SLA 图案的尺寸偏差不超过铸造公差值的 50%。大多数铸件尺寸满足公差要求，合格率在95%以上（图12-4）[7]。

虽然制作一个SLA模型的成本比制作同样的蜡模要高很多，而且时间也更长，但是不需要设计和制作仿形。因此，在小批量生产单件时，成本和交货时间仍然是优势。铸件越复杂，这种优势就越明显。以Nu-Cast生产的复杂形状的航空精密铸件为例（图12-5）[7]，模具制作成本约为85,000美元，每天生产4个蜡模，每个蜡的成本模具（包括材料和人工）150 美元。如果采用SLA方式，每个SLA模型的成本为2846美元，但不需要设计和制造模具。由此计算，如果产量小于32件，使用SLA模具的成本低于蜡模；如果超过32件，成本高于蜡模（图12-6）；使用蜡模，设计和制造模具需要14-16周，而SLA模具不需要模具。因此，如果产量低于87件，使用SLA模具，铸件的交付速度比蜡模快（图12-7）。但超过87件，蜡模速度更快[7]。另一个需要考虑的因素是，如果使用蜡模，当产品更新时，需要重新制作模具，成本高；而有了SLA外观，只需更改CAD几何模型，这比重新制作模具要容易和快捷得多。 .

3. SLS烧结聚苯乙烯粉末浸渍蜡纹

SLS最初使用激光将一种特殊的蜡粉烧结到蜡模中，非常适合熔模铸造的工艺特点。早在1990年底，美国就有50多家铸造厂，生产约3000个蜡模，并成功铸造。生产各种金属铸件。然而，蜡粉并不是最理想的成型材料。用它制成的蜡模强度不足，温度高时容易软化变形，温度低时容易破裂。因此，在1990年代初期，美国的一些SLA用户试图用聚苯乙烯（PS）或聚碳酸酯（PC）等热塑性粉末代替蜡粉。这种材料制成疏松多孔的形状（孔隙率在25%以上），降低了脱模过程中壳体膨胀开裂的风险。炮弹烧制后，灰分较少，但花纹表面粗糙。因此，图案制作完成后，需要手工打蜡抛光，使表面光滑致密。目前，该方法已在国内外得到广泛应用。

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