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几种快速成型方法在铸造中的应用

2015年11月11日 供稿：Author 浏览：564    打印

　　1 快速成型技术简介

　　快速成型技术（RP，Rapid Prototyping）是20世纪80年代末期发展起来的先进制造技术的重要组成部分，它的最大特点就在于其制造的高柔性，即无需任何专用工具，由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成形制造：只需改变零件的CAD模型，就能很方便的获得相应的零件或原型。

　　快速成型技术主要基于离散一堆积成形思想，不同与传统的受迫成形（模锻、挤压、轧制、辗压、拉拔等成形方式）和去除成形（车、铣、刨、磨、电火花加工、化学腐蚀加工、蚀刻加工等成形方式），它将计算机辅助设计、辅助制造、数字控制、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据产品的三维设计模型，分层切片得到各层截面的轮廓信息，并通过激光粘结、热熔或微滴喷射得到各截面的轮廓实体并逐步形成三维产品，这样就将一个复杂的三维加工转变成一系列二维层片的加工，大大降低了加工难度，即所谓的降维制造。

　　快速成型技术使得成形过程的难度与待成形物理实体形状的复杂程度无关，这一宝贵技术特征使它能最好地适应当代制造业市场的竞争环境而飞速地发展起来。根据国外统计，快速成型技术只需要传统加工方法30%～50%的工时和20%～35%的成本就能直接制造产品样品或模具。RP原型已广泛地应用于机械、电子、汽车、航空、航天领域，随着该项技术的日臻完善，，给制造业带来一场革命。

　　目前快速成型技术在“分层制造”思想的基础上，己出现了几十种工艺，并且新的工艺还在不断涌现。现今比较成熟并已经投入商品化生产的工艺主要有以下几种：

　　（1）固化成型（SLA-stereo Litho-rapid Apparatus）工艺，基于液态光敏树脂的光聚合原理工作，它是以热固性光敏树脂等为材料的薄板实体制造。

　　（2）叠层实体制造（LOM-Laminated Object Manufacturing）工艺，又称薄型材料选择性切割工艺，是以纸、金属箔、塑料等为材料的薄板实体制造。

　　（3）选择性激光烧结（SLS-Selected Laser Sintering），是利用红外线激光来提供热量，熔化热塑性材料以形成三维零件。

　　（4）熔积成型（FDM-Fused Deposition Modeling），又称丝状材料选择性熔覆，是以石蜡、塑料、低熔点金属为材料的熔丝堆积造型。

　　（5）固体基础固化（SGC-Solid Ground Goring）是利用UV射线，通过玻璃罩照射在树脂表面，使零件截面形状固化的造型。

　　2 快速成型技术在铸造中的应用

　　铸造在零件的复杂性和材料适应性方面具有无可比拟的优势，但其柔性较差，铸型的形成往往需要一个较长的周期，铸件的尺寸和结构的改变将会直接影响铸型的设计、制造、装配等工艺过程。将快速成型技术与铸造技术结合起来，采用快速成型技术直接或间接完成铸型的制造，将大大提高铸件的柔性，使铸造技术在制造柔性方面发生巨大的变化和明显提高。

　　采用快速原型的离散一堆积成形原理与工艺完成铸型制造的技术与方法称为RP铸型制造。RP铸型制造又可分为间接RP铸型制造和直接RP铸型制造，前者运用RP技术所完成的仅是铸型的原型，需进一步地翻制和转换才能获得用于浇注的铸型，如硅胶型、石膏型和陶瓷型等，故称为间接RP铸型制造：后者运用RP技术直接完成可供浇注的铸型，如裹覆砂型、树脂砂型等，称为直接RP铸型制造。直接RP铸型制造又可根据RP使能技术（Enable Technology）细分为微滴喷射（Droplet Jetting）技术RP铸型制造和激光束（Laser Beam）RP铸型制造两大类。下面分别介绍几种快速成型技术。

　　2.1 基于快速成型方法的石膏型精密铸造工艺

　　快速成型技术与精密铸造技术相结合，为铸造模具快速设计与制造提供了新途径，并大大提高铸造生产的柔性，其中将RP原型运用到石膏精密铸造技术中就是新发展之一。

　　快速成型技术与石膏型精密铸造相结合主要有两种途径：一种是采用LOM、FDM、SLS或SLA工艺制造的原型作为母模或硅橡胶中间转化模，进行石膏型拔模精密铸造，由于最终的得到零件或模具是RP原型翻制模，即RP原型与生产出的铸件互为铸件、铸型关系，结构正好相反，因而被称为间接RP-石膏型制造工艺：另一种是采用RP原型作为主模型，翻制硅橡胶，采用硅橡胶翻制蜡型或直接采用LOM等工艺制造的原型，进行石膏型熔模精密铸造，铸造最终产物与RP原型尺寸、结构完全相同，是RP原型不同材质的翻版，因而称为直接RP-石膏型制造工艺。

　　采用直接RP-石膏型制造技术，尤其是基于SLS工艺的直接RP-石膏型制造技术，极高的提高了石膏型熔模精密铸造的柔性。石膏型熔模铸造技术正是在直接RP-石膏型制造技术的推动下，展现出无限的生机。

　　2.2 基于覆膜砂激光快速成型方法的铸造工艺

　　覆膜砂具有加热固化的特点，其固化温度一般为200～280℃。当激光扫描覆膜砂时，表面的覆膜砂吸收的光能转化成热能并向深层的覆膜砂传播，使固化温度范围内的砂粒发生固结。激光功率、扫描速度等工艺参数对最终的砂型强度有重要影响。通过热相仪测温、Ansys有限元软件数值模拟及现场实验的办法，得到了不同功率条件下覆膜砂的热固结宽度及深度曲线，给出了覆膜砂SLS法成型的合理工艺参数，并指出功率过大，会因覆膜砂的树脂膜发生过烧和炭化而使其失去粘结作用。

　　利用覆膜砂过热炭化失效的特点，可以产生一种基于激光束轮廓线扫描直接获得覆膜砂铸型的方法。首先利用CAD软件，在计算机中建立要加工零件的三维立体模型，并用分层切片软件对其进行处理，得到不同高度上每一截面层的平面几何信息。CAD/CAM系统根据截面信息生成x-y激光束在各层粉末上的数控运动指令。在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在粉末上扫描出截面形状，激光的功率要足够大，使得轮廓边界处的粉末完全炭化而失去固化作用，逐层扫描直至堆积出零件的三维曲面结构的分型面。按照覆膜砂固化工艺条件的要求对砂箱内型砂进行加热固化，使固化后的覆膜砂沿着分型面分型，就可得到目标铸型。其有主要特点是：成型速度快，效率高：成型件的机械性能及表面质量高：成型材料选择范围广。

　　2.3 基于快速成型方法的冷冻铸造工艺

　　冷冻铸造技术在国内外都尚处于起步阶段，有资料报道的只有美国的Duramax公司在1991年开始致力于冷冻铸造工艺（Freeze Casting Process）的研究，并申请了美国专利。另外，近些年有些研究者将快速成型技术（RP）和冷冻铸造技术结合起来，形成了快速冷冻工艺（Rapid Freeze Prototyping）并取得了一定的进展，具有代表性的是美国的密苏里大学和中国的清华大学，他们都分别设计了自己的RFP系统并利用该系统对有关的工艺参数进行了研究。

　　用RFP技术制作冰模的工艺流程与FDM（熔丝沉积）类似，只是成形材料为水，并且要在冷冻环境下成形。首先在计算机中用RFP成形机可接受的软件系统对冰模进行三维造型，然后用切片软件将三维图形离散成二维图形，根据成型件的二维几何模型的层片信息，在计算机精确控制下用特种喷头喷射出水滴，再在冷冻状态下逐层堆积得到冰模。RFP系统包括运动系统、喷射系统、控制系统和低温成形室。由于水是一种粘度低、流动性好的液体，为得到尺寸精度高、表面光洁的冰模，喷头必须能够喷射出足够细微的水滴。所以喷头的设计是冰成形的一个关键技术，喷嘴的直径及压力决定液滴的大小，喷头运动速度决定冰层厚度。

　　冷冻冰模可以用于陶瓷型和熔模铸造。用冷冻冰模翻制铸型与传统的陶瓷型和熔模铸造工艺的主要区别是：一些工序必须在低温环境中进行。造型材料必须为适应低温环境作出相应调整或重新选择。目前，较多的研究集中在熔模铸造中。

　　目前对冷冻铸造的研究面还应当拓宽，不仅在熔模铸造和陶瓷型铸造技术中，而且还可以拓展到其它铸造工艺，并借鉴其它工艺的一些原理和方法克服冷冻铸造中的工艺难点。另外，在制模技术研究中，采用RFP技术制模，不需要压型，可以缩短生产准备的周期，这在单件多品种生产中具有优势，但由于水物理性质和该成形方法的特点，使冰模的成形速度较慢。因此，这种方法并不适合批量生产方式。因此，研究适合批量生产的更有效、更简捷、更可靠的冰模制作技术非常重要。通过选择、开发低温性能良好的软模材料，设计操作简单，保证程度高的压型结构是提高冰模应用性能的重要保证。

　　3 结语

　　在介绍了快速成型的基本原理和工艺方法的基础上，论述了几种用于铸造工艺上的快速成型方法。在当今技术创新、技术融合的大背景下，将快速成型方法引入传统铸造生产中，会产生出更加适应现代经济社会发展的新型铸造工艺，也将对传统铸造工艺的升级提高起到良好的助力作用，从而使得铸造行业获得科学发展、可持续发展。

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