快速成形技術(Rapid Prototyping,簡稱RP)是20 世紀90 年代發展起來的高新技術。它能使人們頭腦中的設計概念迅速變成實物。特別值得一提的是，整個產品開發過程不需要任何模具和工藝裝備，大大縮短樣件和新產品試制周期，迅速成為增強企業競爭力的重要手段和工具。INCAST 2004(11)發表的互聯網問卷調查表明，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，所有受訪者都認同，采用此項新技術對于加速新產品開發和增強企業對市場的快速反應能力至關重要[1]。
一.常用快速成形方法在熔模鑄造中的應用
快速成形技術在熔模鑄造中的應用主要有以下幾方面：
1.制作熔模
制作模樣時，快速成形機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 CT(計算機層析射線攝影技術)掃描所得的數據文件。例如，首先通過 CT 對零件(螺旋推進器，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)，構成三維幾何模型(圖 12-1d)。再將它傳送給快速成形機制成模樣(圖12-1e)[2]。這種復原(逆向)工程方法不但可以將機器零件復原，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，再翻制環氧樹脂或硅橡膠壓型;另一種方法是將CAD 系統中生成的壓型型塊的三維幾何模型直接輸入快速成形機制成樹脂壓型。這類壓型主要適合小批量生產(幾十件) 。如果在母模表面噴涂約 2mm 厚的金屬層，并在其后充填環氧樹脂制成金屬-環氧樹脂復合壓型，可以滿足生產數百件精鑄件的要求。采用 SLS 法時如將加工對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度、導熱等方面的性能與金屬相似。除此之外，快速成形技術還可用于制作某些形狀不規則的胎具。
3.直接制作鑄型澆鑄鑄件
20 世紀 90 年代初美國 Sandiana 國家實驗室開展了一項名為快速鑄造(FastCAST)的專門研究，被命名為直接型殼鑄造法( DSPC)。遺憾的是，后來很少再見報道。
1994年美國Z Corporation 開發成功三維打印技術 3D Printing。該項技術最初由麻省理工學院Ely Sachs 教授發明并擁有專利權。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，它不是驅動激光發射頭，而是驅動噴墨打印頭，按照制品的截面形狀噴射膠水‘打印’。重復以上動作，直至零件制作完成，故被命名為‘三維打印技術’。其優點是，運行費用和材料成本低，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用效果比較
目前實際生產中較流行的快速成形方法有立體平板印刷法(SLA)、選區激光燒結法(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，國外不少研究機構從制作模樣的質量和在熔模鑄造中的表現等方面，對上述方法進行了比較，結果如下:
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 模樣表面經打磨精整后用表面粗糙度儀測量，結果見表 12-1[4]。可見表面粗糙度以 SLA 和LOM法較細，FDM 法最粗。
3) 再現精細部位的能力 以齒間距約3mm 的齒條為對象考察這四種方法復制精細部位的能力。結果以 SLA 最佳，FDM最差[4]。
4) 在熔模鑄造中的表現 上述四種方法中，制品本身就是蠟模的方法(如FDM或SLS)，很容易適應熔模鑄造工藝的要求，無疑表現較好。而樹脂或紙制模樣盡管也可燃燒掉，但畢竟不象蠟模那樣容易適應熔模鑄造的要求，需要不斷改進，以趨利避害。
從總體看，SLA 法盡管與熔模鑄造工藝也還有某些不適應之處，但由于制成的模樣尺寸精度和表面質量好而倍受青睞，在國外，特別是航空航天和軍工部門的熔模鑄造企業應用相當廣泛。SLS 法模樣質量雖較 SLA 略遜一籌，但容易適應熔模鑄造的工藝要求，所以，國內熔模鑄造中應用越來越多。FDM 法盡管最容易適應熔模鑄造的工藝要求，但制成蠟模的尺寸精度和表面質量尚不盡如人意;而 LOM法雖模樣質量尚可，但難以適應熔模鑄造，因此，目前后二種方法在熔模鑄造中推廣應用均受到一定限制。
三.熔模鑄造中應用 SLA 和SLS 的新進展
1.新型光固化樹脂[5][6]
SLA法早在1987年就已商業化了，它最初是被用來制作實體模型和具有一定功能的樣件。20 世紀90年代初期，美國 3D System Inc 的QuickCast軟件開發成功，使SLA 快速成型機能夠制作出內部呈蜂窩形結構(圖 12-3a)而外表仍保持光滑致密的精確模樣(圖 12-3b)，不僅節省了 90%的制模材料，而且在焙燒型殼的時候，模樣首先向內癱塌而不致將型殼脹裂。除此之外，人們逐步發現，對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，將導致鑄件表面產生非金屬夾雜及其它缺陷。
·重金屬元素含量——這對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，如果它出現在型殼焙燒后的殘灰中，就可能污染合金，甚至使鑄件報廢。
·尺寸穩定性——在整個操作過程中模樣尺寸都應保持穩定，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，頗受精鑄生產廠家青睞。這種新產品已在三個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模樣進行小批量生產
采用 SLA 模樣小批量生產精鑄件需要考慮 2 個主要問題: 一是模樣和鑄件所能達到的尺寸精度，二是生產成本和交貨期是否具有優勢。美國 Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等多家精鑄廠，采用 SLA 模樣鑄造了數百個鑄件，實際測量鑄件尺寸后，統計分析表明，采用DSM Somos 公司新開發的 11120光固化樹脂和QuickCast 技術，制成的SLA模樣，尺寸偏差不超過鑄件公差值的50%。絕大多數鑄件尺寸符合公差要求，合格率達95%以上(圖 12-4) [7]。
盡管制作一個 SLA 模樣的成本要比制作相同蠟模高得多，耗費時間也要長一些，但不需要設計制造壓型，所以，在單件小批量生產時，在成本和交貨期方面仍具有優勢。鑄件越復雜，這種優勢越明顯。以Nu-Cast公司生產的形狀復雜的航空精鑄件為例(圖12-5)[7]，其模具制作費用約85000美元，每天生產 4個蠟模，每個蠟模成本費(含材料和人工)150美元。如果采用 SLA 法，每個 SLA 模樣成本 2846 美元，但不需要設計制造模具。由此算出，如果產量小于32件，采用SLA 模成本低于蠟模; 超過32 件，則成本高于蠟模(圖 12-6);使用蠟模，設計制造模具需耗時 14～16周，而SLA 模不需要模具。因此，如果產量少于 87 件，采用 SLA 模，交付鑄件比蠟模快(圖 12-7)。但超過 87 件，則采用蠟模更快[7]。另一個需要考慮的因素是，如果采用蠟模，當產品更新換代時，模具需要重新制作，付出代價大;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燒結聚苯乙烯粉末浸蠟模樣
SLS 最初是用激光將特制的蠟粉燒結成蠟模，很適合熔模鑄造的工藝特點，早在 1990年底，美國已有超過50家鑄造廠，生產多達約 3000個蠟模，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，由它制成蠟模的強度不足，氣溫高時易軟化變形，氣溫低時又容易碎斷。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25%以上)，減輕了脫模時脹裂型殼的危險，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外普遍應用。圖12-8 所示為北京隆源自動成型系統有限公司用 SLS 法燒制成的聚苯乙烯粉末浸蠟模的部分典型實例。
| 【上一個】 低合金高強鋼焊材合金成分的優化很關鍵 | 【下一個】 國內在汽車用非調質鋼方面的研發工作已經獲得了重要進展 |