快速成型技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用

快速成型技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用

摘要：介紹了光固化立體造型技術(shù)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，熔融沉積成型技術(shù)，冰?？焖俪尚渭夹g(shù)的工藝流程及其在熔模鑄造行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。闡述了四種不同技術(shù)下鑄造的金屬鑄件的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)快速成型技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù)；熔模鑄造；冰?？焖俪尚蜛pplicationofrapidprototypingtechnologyininvestmentcastingSongXiuli,WeiXiuting,ZhouJunjie,WangYongqi,LiuXiaofei[SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology]Abstract:Introducestheprocessflowofstereolithographyappearance,selectivelasersintering,fuseddepositionmolding,icemoldrapidprototypinganditsapplicationincastingindustry.Theadvantagesanddisadvantagesofmetalcastingscastwithfourdifferenttechniquesareexpounded.Theapplicationprospectofrapidprototypingtechnologyininvestmentcastingisputforward.Keywords:Rapidprototypingtechnology;Investmentcasting;Icemoldrapidprototyping0引言熔模鑄造又稱熔模精密鑄造，是一種近凈形的液態(tài)金屬成型工藝。有著尺寸精密度高，外表面粗糙度小，可鑄造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、精密的鑄件，合金材料不受限制，大小批量生產(chǎn)均可適用等優(yōu)點(diǎn)。但是又存在過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)工序多，周期長(zhǎng)等缺陷[1]。快速成型（RapidPrototyping,RP）技術(shù)，是一種用物料逐層或逐點(diǎn)沉積出制件的鑄造方法。快速成型技術(shù)的加入明顯地縮短了熔模鑄造新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品開發(fā)速度，形成一種新的技術(shù)——快速熔模鑄造（RapidInvestmentCasting,RIC）技術(shù)[2]，工藝流程如圖1所示。圖1.快速熔模鑄造技術(shù)工藝流程圖1快速成型方法快速成型技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其制造過(guò)程的高柔性，只要用UG、SolidWorks、Pro/E等三維建模軟件設(shè)計(jì)出機(jī)件的CAD模型，或者采用反向工程，運(yùn)用最新的3D機(jī)器人掃描系統(tǒng)，根據(jù)已有的試件樣品，掃描生成3D打印所需的三維模型，然后導(dǎo)出成STL格式，應(yīng)用Cura、Slic3r等分層軟件生成路徑，最后通過(guò)相應(yīng)技術(shù)硬件打印出試件原型。RP技術(shù)是RIC技術(shù)的第一步，其成型精密度對(duì)最終金屬鑄件的影響非常大，而快速成型技術(shù)的種類繁多，不同的RP技術(shù)的成型效果存在較大不同。本文主要闡述并對(duì)比了光固化立體造型（SLA）技術(shù),選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，熔融沉積（FDM）技術(shù)，冰?？焖俪尚危↖RP）技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)及不足。2RP技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用2.1SLA光固化立體造型技術(shù)光固化立體造型技術(shù)工藝如圖2。圖2.光固化立體造型技術(shù)（1）用掃描圖將激光束掃描到樹脂外表面使之曝光。液態(tài)樹脂被激光照射到的部分發(fā)生固化進(jìn)而形成所需截面。（2）升降臺(tái)向下降落一個(gè)層厚，然后用相同的方式在該層面掃描，使其固化成型一個(gè)新的截面，依次類推，從而將截面一層層的疊合在一起，最終構(gòu)成三維原型。（3）升降臺(tái)向上升出液面，取出模樣并進(jìn)行檢驗(yàn)及后處理。在造型結(jié)束后，用強(qiáng)紫外線照射造型后的模樣，使未全部固化的樹脂完全固化。去除模樣的支撐并對(duì)模樣進(jìn)行修整。除此之外，逐層硬化的模樣，不可避免地會(huì)在層與層之間出現(xiàn)臺(tái)階，這些細(xì)小的臺(tái)階必須去除。另外，要想對(duì)模樣精度進(jìn)一步提高，還需在模樣表面進(jìn)行噴砂處理。光固化立體造型技術(shù)的主要材料為光敏樹脂，該技術(shù)是最早用于商用，同時(shí)也是精度最高、最成熟的快速成型技術(shù)?；赟LA的熔模鑄造技術(shù)工藝過(guò)程如圖1所示，將打印的原型均勻的掛上陶瓷漿料，待漿料充分凝結(jié)后，用800℃以上的高溫瞬間氣化其內(nèi)的樹脂原型，使其最大程度的消失，以提高型殼的精度，最后向型殼內(nèi)澆筑金屬液，待金屬液冷卻后去除型殼，得到最周的金屬鑄件，精拋光后得到最終產(chǎn)品。光固化立體造型得到的產(chǎn)品表面粗糙度Ra可達(dá)到3.2μm，經(jīng)拋光后，表面粗糙度可達(dá)到1.2μm;尺寸精度在0.1%以內(nèi)[3]。層間厚度已達(dá)到0.025mm，可成型的最小壁厚已達(dá)到0.7mm。澆注成型的金屬鑄件的尺寸精度按照GB/T6414標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品尺寸公差為3~4級(jí)，表而粗糙度Ra為3.2μm[4]。因其成型的精度最高，使得光固化立體造型技術(shù)成為鑄造行業(yè)中應(yīng)用最多的快速成型技術(shù)，達(dá)到67%。尤其在航天航空和軍工產(chǎn)品生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但是因其材料的特殊性，光固化成型技術(shù)存在成本高，模樣氣化溫度高（800℃左右）等問(wèn)題。該法目前使用的設(shè)備主要有3DSystems公司的PojetMJP系列。中國(guó)陜西恒通、中國(guó)UnionTech聯(lián)泰三維等公司的一些相關(guān)設(shè)備。2.2.SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)SLS法的工藝和設(shè)備如圖所示。圖3.SLS法設(shè)備組成（1）用略低于材料的軟化和熔點(diǎn)的溫度對(duì)工作臺(tái)面粉末和供粉筒進(jìn)行預(yù)熱，可有效防止零件發(fā)生扭曲形變。（2）在預(yù)先設(shè)定的預(yù)熱溫度下，用輥筒先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后計(jì)算機(jī)控制下的激光束，參照讀取到的截面輪廓信息，掃描零件的實(shí)心部分所在的粉末，該區(qū)域的粉末溫度升至熔化點(diǎn)，于是粉末顆粒交界處熔化，使粉末之間相互粘結(jié)，逐步得到各層輪廓。而非燒結(jié)區(qū)的粉末仍舊呈現(xiàn)松散狀態(tài)，可以作為工件和下一層粉末的支撐。（3）成型完成一層后，工作臺(tái)向下降低一個(gè)層界面的高度，再進(jìn)行下一層的界面鋪料和燒結(jié)，依次循環(huán)，最終形成三維的機(jī)件。選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)沒(méi)有原材料的浪費(fèi)，粉末沒(méi)有燒結(jié)的可重復(fù)利用。SLS法成型材料多樣化，包括高分子、金屬粉末、陶瓷以及這些單一物料的復(fù)合粉。主要用于熔模鑄造的材料有蠟粉和非蠟粉兩大類，其中非蠟粉包含：PS（聚苯乙烯）、PC（聚碳酸酯）、HIPS(高抗沖擊聚苯乙烯)和ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等。由于蠟?zāi)４嬖谌鄢鰰r(shí)會(huì)對(duì)型殼產(chǎn)生漲裂破壞的缺點(diǎn)，而非蠟?zāi)２牧系膹?qiáng)度和耐久性均高于蠟料，且在激光燒結(jié)過(guò)程中不易開裂，因此非臘料更適用于熔模精密鑄造[5]。在快速熔模鑄造技術(shù)中蠟料逐漸被PS、PC等非臘料所取代[6]。但是熔失PS熔模需要250℃高溫，熔失熔模時(shí)間需要100分鐘[7]。熔失熔模耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，而且模料不能完全脫出，存在一定的碳缺陷。劉玉滿研究的桂林5號(hào)負(fù)壓燃燒空殼鑄造法能有效解決碳缺陷的問(wèn)題，消碳效果能達(dá)到99%左右[8]。SLS成型精度較SLA技術(shù)低，經(jīng)拋光后模型表面粗糙度能達(dá)到5μm以下，澆筑處、出的金屬鑄件未經(jīng)拋光能達(dá)到18μm以下。代表性企業(yè)包括美國(guó)DTMCorp.公司、德國(guó)EOS、中國(guó)的、武漢濱湖、盈普、華曙高科、華科三維、隆源自動(dòng)成型等企業(yè)。2.3FDM熔融沉積成型技術(shù)熔融沉積成型機(jī)構(gòu)成部分主要有噴頭裝置、送絲裝置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作平臺(tái)等[12]。熔融沉積成型法的設(shè)備及工藝流程如圖4。圖4FDM法的設(shè)備圖（1）由供絲機(jī)構(gòu)將絲狀熱塑性材料（應(yīng)用于熔模鑄造的主要材料為鑄蠟，ABS,PLA等）送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融狀態(tài)。（2）計(jì)算機(jī)控制噴頭沿模型斷面層掃描。根據(jù)片層參數(shù)控制噴頭，同時(shí)將材料熔化了擠出來(lái)，均勻的鋪布在工作臺(tái)上，成型一個(gè)截面。（3）完成一層的成型后，噴頭會(huì)自動(dòng)向上升高一個(gè)界面層的高度，然后進(jìn)行下一層截面的掃描和鋪布，順次循環(huán)往復(fù)多次，最終形成三維工件?；贔DM的熔模鑄造和基于SLA、SLS的熔模鑄造，因?yàn)椴捎玫牟馁|(zhì)大致相同，所以工藝流程基本相似，而且都有不同程度的碳?xì)埩簦瑥亩绊懽罱K試件的成形精度。熔融沉積成型法制作ABS模型的成型速度快，材料的利用率高，成型精度可達(dá)0.127mm（對(duì)于300mm3的成型件）。原料來(lái)源充分可再生，可生物降解，環(huán)保性好，流動(dòng)性好，打印不易開裂，打印過(guò)程無(wú)異味，無(wú)污染。但是原材料的價(jià)格相對(duì)較高，成型件的表層的條紋較為明顯，并且也需設(shè)計(jì)、制造支撐結(jié)構(gòu)。目前研制與制造FDM成型機(jī)的單位有中國(guó)的清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海富奇凡公司，美國(guó)的Stratasys公司和MedModeler公司等。2.4冰?？焖俪尚渭夹g(shù)冰模快速成形工藝是RP技術(shù)與冷凍鑄造工藝（FCP）結(jié)合而成的新工藝，又叫做冰?？焖俪尚?IRP)工藝。是一種新型的快速成型技術(shù)，最早是由清華大學(xué)和美國(guó)Missouri-Rolla大學(xué)提出的[9]。冰?？焖俪尚螌?shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。1-空氣壓縮機(jī)2-電動(dòng)吸引機(jī)3-調(diào)壓閥4-穩(wěn)壓管5-電控制器6-氣壓控制器7-Z運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)8-供液管9-儲(chǔ)液罐10-滑塊11-X運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)12-Y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)13-支架14-低溫成型室15-壓電式噴頭16-工作平臺(tái)圖5冰?？焖俪尚螌?shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖冰?？焖俪尚渭夹g(shù)的成型原理與熔融沉積成型技術(shù)相似，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的CAD模型，在低溫環(huán)境下（-20℃），通過(guò)分層選擇性地沉積和快速冷凍水線（如圖a所示）離散微滴（如圖b所示），直接構(gòu)建三維冰模[10]。冰模快速成形技術(shù)的特點(diǎn)（1）成型材料是綠色環(huán)保、沒(méi)有污染、成本低廉、來(lái)源廣泛的水及溶液，在成型過(guò)程中沒(méi)有污染物排放，給工作人員的健康以及保護(hù)環(huán)境提供了便利。（2）固態(tài)的冰融化成液態(tài)的水時(shí)體積是減小的，因而在冰模熔失時(shí)，不會(huì)像蠟?zāi)Ｈ凼菢右蚺蛎浂茐哪ぃ档丸T件精度，并且水的流動(dòng)性要好于蠟，冰模脫出更徹底，不會(huì)像蠟?zāi)Ｒ粯哟嬖跉埩鬧11]。（3）冰?？焖俪尚尾淮嬖跓岱e累效應(yīng)。在FDM中，因?yàn)橐笰BS塑料、石蠟等材料維持較好的流動(dòng)性，而且為了能讓層與層之間能良好地結(jié)合，必須把噴嘴中的材料加熱到較高的溫度，在之后的凝結(jié)固化過(guò)程中會(huì)散發(fā)較大的熱量，熱量的積累會(huì)影響鑄件加工精度和表面光潔度。而冰?？焖俪尚渭夹g(shù)中，所運(yùn)用的水是一種晶體材料，液態(tài)的水可以維持在僅比冰點(diǎn)稍高一點(diǎn)的溫度在噴嘴中，低溫的環(huán)境能很快的吸收凝固過(guò)程產(chǎn)生的熱量，因而不會(huì)產(chǎn)生諸如FDM中的熱積聚效應(yīng)[12]。（4）當(dāng)水在低溫環(huán)境下結(jié)冰時(shí)體積膨脹，并會(huì)有壓應(yīng)力產(chǎn)生，這種壓應(yīng)力可以通過(guò)合適的內(nèi)部填充來(lái)補(bǔ)償。相反，其它的FDM工藝，當(dāng)材料凝固時(shí)收縮，會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，這種收縮是比較難以補(bǔ)償?shù)?。?）對(duì)于實(shí)體三維造型，可以先打印外壁，然后灌水充填，大大減少成型時(shí)間。冰?？焖俪尚渭夹g(shù)當(dāng)然也存在有一定的缺陷。因?yàn)樗奶匦?，在配置陶瓷漿料時(shí)不能用價(jià)格低廉的水玻璃和硅溶膠，只能選用成本更高的硅酸乙酯。另外其余材料也必須耐低溫且不溶于水。缺少有效的手段和儀器對(duì)冰模的精度和表面光潔度進(jìn)行測(cè)量，難以有效控制冰模成型的尺寸精度[13-14]。冰?？焖俪尚喂に嚨难芯吭趪?guó)內(nèi)外都尚且處在起步階段，研究單位主要有美國(guó)的密蘇里大學(xué)，國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)和山東理工大學(xué)等。密蘇里大學(xué)的M.C.Leu等人率先設(shè)計(jì)了快速冷凍成型系統(tǒng)，并對(duì)其中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了研究。清華大學(xué)激光成型中心建立了自己的冰成型實(shí)驗(yàn)體系，包括三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、低溫成型室、供水系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，對(duì)冰?？焖俪尚喂に囈约盎诒？焖俪尚喂に嚨娜勰ｈT造技術(shù)進(jìn)行了理論論證和實(shí)驗(yàn)研究，找到了可行的陶瓷漿料和工藝流程[15]。另外山東理工大學(xué)的魏修亭等人設(shè)計(jì)并搭建了自己的冰?？焖俪尚蜗到y(tǒng)，采用壓電式噴頭，離散式噴射，研究確定了成型過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，并進(jìn)行了成形過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬，設(shè)計(jì)了自己的制殼工藝[16]。3展望近年來(lái)快速成型技術(shù)的發(fā)展速度飛快，其也越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在熔模鑄造中。快速成型技術(shù)的應(yīng)用提高了鑄造產(chǎn)品質(zhì)量，加速了新產(chǎn)品的開發(fā)，大大促進(jìn)了鑄造技術(shù)的進(jìn)步?，F(xiàn)有的用于熔模鑄造的快速成型的原料普遍存在較高成本和較高污染的弊端。因此研究開發(fā)成本低廉、成型質(zhì)量高、環(huán)保無(wú)污染的成型材料，以及開發(fā)新的成型能源將是未來(lái)快速成型技術(shù)研究的一個(gè)重要方向?？焖俪尚图夹g(shù)將會(huì)推動(dòng)熔模鑄造行業(yè)向著更加高效、高質(zhì)量、更清潔的方向不斷前進(jìn)。參考文獻(xiàn)

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