快速成形技术在铸造生产中的应用Word文档下载推荐.docx
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选择性激光烧结与立体印刷的生产过程相似，首先还是由CAD/CAM系统根据CAD模型各层切片的平面几何信息生成x-y激光束在各层粉末上的数控运动指令。
制作过程如图1-3所示，随着工作台的分步下降，将粉末一层一层地撒在工作台上，再用平整滚将粉末滚平、压实，每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。
各层上经激光扫描加热的粉末被烧结到基体上，而未被激光扫描的粉末仍留在原处起支撑作用，直至烧结出整个零件。
SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。
SLS工艺无需加支撑，因为未烧结的粉末起到了支撑的作用。
图1-2立体光刻装置示意图图1-3选择性激光烧结示意图
1.3.3叠层实体制造（LOM）
叠层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）又名分层（或层压）实体制造，它的生产程序与前述两种方法相近，其主要特点是根据CAD模型各层切片的平面几何信息对箔材（通常为纸）进行分层实体切割。
如图1-4所示的装置由供料轴和收料轴不断传送箔材。
工作时激光器发出的CO2激光束进行x-y切割运动，将铺在升降台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓。
随后升降台下降一层高度，箔材供料轴和收料轴又传送新的一层箔材，铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘在已成型的箔材上，激光束再次进行切割运动切出第二层平面轮廓，如此重复直至整个三维零件制作完成。
LOM工艺只须在箔材或者纸上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。
因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。
工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。
1.3.4融积成形（FDM）
融积成形（FusedDepositionModeling，简称FDM），其成形材料可用铸造石蜡、尼龙（聚酯塑料）、ABS塑料及医用MABS塑料，可实现塑料零件无注塑成形制造。
FDM融积成形系统采用专用喷头，成形材料以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头直接由计算机控制沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出沉积成实体零件的一超薄层，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。
整个模样从基座开始，由下而上逐层堆积生成，如图1-5所示。
图1-4叠层实体制造示意图图1-5融积成形示意图
FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低，无毒无味和运行稳定可靠，适合办公室环境使用，符合环保要求。
用石蜡成形的零件原型，可以直接用于熔模铸造。
用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。
由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展非常迅速。
1.3.5三维印刷（3DP）
三维印刷（ThreeDimensionPrinting，简称3DP）工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。
所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，如图1-6所示。
用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。
先烧掉粘结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。
该工艺已被美国的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。
图1-6三维印刷示意图
1.4快速铸造技术
快速成形与铸造相结合的产物是快速铸造技术（QuickCasting，简称QC），这种快速铸造使得多种材料、任何形状复杂、内部结构精细的铸件都能生产出来，产品开发周期短、精度高，大大地提高了企业获取订单的竞争力，RP为实现铸造的短周期、多品种、低成本、高精度提供了一个快速响应技术，显示出了强大的生命力和巨大的应用潜力。
快速铸造技术的应用如图1-7所示。
图1-7快速铸造技术的应用
1.4.1直接铸造法
直接铸造法主要是指由RP技术直接一步成形铸造用的型壳、型芯，型壳、型芯经处理后，即可进行金属浇注，铸造出金属零件。
由于从原型到金属零件不经过造型转化，故称直接铸造法。
该类工艺方法一般用于单件、复杂零件的制造。
1.4.1.1直接壳型铸造
直接壳型铸造是利用激光选择性烧结对以反应性树脂包覆的陶瓷粉进行烧结，可以一步制成铸造用的型壳、型芯的方法。
在CAD环境中，直接将零件模样转换为壳型，再配以浇注系统。
型壳的厚度可取5～10mm，烧结过程中，非零件部分进行烧结，零件部分仍是粉末。
烧结完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳，进行浇注后即可制得金属零件。
用此方法，省去传统精密铸造多种工艺过程，是传统铸造的重大变革。
它的最大优点是速度快，不需要任何模具，甚至不需画图，设计工程师通过计算机网络将资料送到铸造车间的系统中便可完成型壳的设计与制作。
该工艺的不足之处主要是零件表面粗糙度值较高。
其关键技术是型壳厚度、型壳表面粗糙度及固化处理工艺。
近几年开发研制的激光快速自动成形系统，还可以利用铸造覆膜砂直接进行选择性激光烧结，制作铸造壳型和壳芯，使这一技术在铸造上的应用得到更进一步的发展。
1.4.1.2直接制模铸造
直接制模铸造（DirectShellProductionCasting，缩写为DSPC），其成形方法不是采用激光进行选择性烧结，而是采用粘结剂进行选择性粘接。
把CAD模型转换成模壳，然后以类似于熔模铸造的工艺，制造出金属零件。
从设计到成品零件出厂前后只要10天，是金属零件设计和制造上的一个突破。
直接制模铸造来源于三维印刷快速成形技术，生产过程如图1-8所示。
图1-8直接制模铸造的过程
a）CAD设计好的零件模型b）模壳设计装置构造模壳设计c）模壳制造装置上表面沉积薄层陶瓷粉d）喷墨头喷射微滴粘结剂e）过程重复出所有的薄层f）取走模壳处的疏松粉g）燃烧模壳注入熔融金属h）分开模壳露出完成的零件
（1）将工件原形CAD模型输入型壳设计装置，生成用于浇注铸件的壳型的电子模样（包括铸件收缩余量、铸造圆角、加工余量、壳型型腔数目、浇注系统等），进行充型凝固模拟，预测铸造时可能出现的各种问题，完善模型并确定壳型和壳芯的厚度等尺寸，以确定所需制壳材料的重量等参数，如图1-8a、b所示。
（2）把电子模样输至模壳制造装置，由电子模样制成固体的三维陶瓷模壳。
①在模壳制造装置上表面沉积一层薄薄的细刚玉粉，由平整辊压平其表面。
②由按指令在x-y平面移动的喷头向刚玉粉层表面喷射由压电陶瓷振动雾化并通过电场而带电的硅胶液粘结剂微滴，使形成型壳厚度的刚玉粉层固化，未被粘接的刚玉粉则留做后面沉积层的支撑。
反复进行①和②操作直至构成整个三维壳型，如图1-8c～e所示。
（3）去除型壳内外的未被粘接的粉料；
然后像熔模铸造一样烘干、烧结型壳，浇注金属液，获得与原形CAD模型形状、尺寸相同的铸件，如图1-8f～h所示。
直接制模铸造从设计到零件交货的周期如图1-9所示。
图1-9直接制模铸造的周期
直接制模铸造使熔模铸造成为金属成形方法中更具吸引力的工艺，因为它是一种柔性、环保工艺，几乎所有的复杂外形以及某些复杂的内部结构都能制作。
该工艺的成形材料也可以是铸造用砂，直接制得铸造用的砂型，浇注后即可获得金属零件。
该方法由于设备运行费用低，成形尺寸大，成形材料便宜，适合用于单件大型复杂零件的铸造。
1.4.2一次转制法
一次转制法主要是指由RP技术（如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等）提供的原型作为母模，可直接与普通砂型铸造、熔模铸造、消失模铸造与真空铸造等铸造工艺结合，制造金属零件。
由于从原型到金属零件要经过一次转化，故称一次转制法。
该类工艺方法一般用于单件、小批量零件生产。
（1）普通砂型铸造用模样的快速成型选用适当的树脂材料制得原型模样，再进行表面喷镀，或者是用LOM法制得原型，然后将模样直接安装在模板、芯盒上使用。
在制作砂型铸造用模样时，还将铸造工艺专用软件与快速成形技术相结合。
首先用铸造工艺专用软件在为欲制作的零件加上加工余量、起模斜度、铸造圆角等。
将有关数据一起送入快速成形机中即可自动制作出所需零件的模样。
制成的模样可以用来拼装模板，也可以代替传统木模用于手工砂型铸造，过大的模样可以分段制作后再组合。
为了节省树脂和上机时间，模样背面通常都制成蜂窝状结构，采用这种结构有时可节省材料70%。
模样表面厚度和蜂窝状结构的具体尺寸根据模样承受的压力来决定。
为了提高模样的耐磨性，可在树脂模样表面喷涂铝合金或特氟隆塑料。
用这种工艺生产的一件直径445mm、高55mm的模样，表层厚度1mm，背部蜂窝状结构厚15mm，在呋喃树脂砂造型线上使用114次后表面发生局部剥离，到180次后经局部修整仍可继续使用。
在模样尺寸精度方面也是令人满意的，使用该系统生产了近200套模具，未发生一次尺寸精度超差的情况。
在某次抽查的模样的20个尺寸中，偏差在-0.62%～+0.9%之间。
LOM纸质原型具有与木模同等水平的强度，等同甚至更优的耐磨性能，可与木模一样进行钻孔等机械加工，也可以进行刮腻子等修饰加工、其硬度、强度数据列于表1-1中。
因此，以此代替木模，不仅适用于单件铸造生产，而且也能适用于小批量铸造生产。
实践中已有使用300次以上仍可继续使用的实例（用于铸造机枪子弹）。
美国福特汽车公司用LOM法制造长685mm的汽车曲轴模样，先分3块制作，然后再拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精度达到±
0.13mm。
表1-1模样肖氏硬度比较表（5次平均值）及模样强度比较
试料
硬度/HS
受压强度/MPa
LOM模样垂直于纸面
LOM模样平行于纸面
铝模
杉木模
松木模
柳安木模
45
17
40
30
20
25
66
153
69
81
—
此外，因其具有优越的强度和造型精度，故还可以用做大型木模。
例如，大型卡车驱动机构外壳零件的铸模，其外形尺寸为760mm×
600mm×
280mm。
可见，使用这种方法制作模样有如下几个优点：
制作周期以及消耗工时都大大降低，可以实现无人化操作，不需要熟练的模样工，可减少模样保管场地等。
（2）精密铸造用熔模的快速成形几乎所有的快速成形技术制作的原型都可以作为熔模铸造的熔失模，各种快速成形技术用于铸造的优缺点比较见表1-2。
表1-2主要快速原型技术用于铸造的优缺点对比
方法
立体印刷
选择性激光烧结
融积成型
叠层实体制造
材料
熔模铸造适应性
铸造方法
烧（熔）前膨胀性
烧（熔）的时间
烧（熔）后残留物
铸件表面光洁程度
环氧类
中等/好
砂型/型壳
高
中等/快
低
乙烯类
慢
中等/高
丙烯类
砂型
聚碳酸脂
好
中等/低
快
一般
石蜡
极好
可忽略
无
差
纸
SLA成形材料是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂。
这些材料只能烧失掉，不能加热熔化。
所以成形树脂模样外涂覆陶瓷耐火材料后焙烧，将模样烧掉而剩下陶瓷壳体，将型壳加入背砂浇注金属液，冷却后即可得金属件，该法制作的制件表面光洁。
SLA制作的模样最初并不能用于熔模铸造生产。
这是由于树脂聚合物模样在结壳后脱模燃烧时的膨胀会导致型壳破裂。
经过不断改进，开发出专门为熔模铸造生产设计的机型，制作的树脂模样是中空的，或用薄到1mm的肋在三个正交方向互相连接起来的支撑网格来构成其中的中空部分，其外壁开有引流孔将中部未硬化的树脂排出。
这样在结壳后燃烧脱模时中空模样首先向内塌缩而不会使型壳开裂。
专门为其开发的环氧型树脂，粘度低，在制作中空模样时，从引流孔排除多余树脂时间短，即使是相当复杂的模样也只需2～3min。
用这种树脂制作的中空模样壁可以很薄（0.3～0.5mm），刚性好，变形小，而且树脂模样与制壳材料浸润性好，制成的型壳浇注出的铸件表面光洁。
此外这种树脂燃烧性能好，燃烧1g模样残留灰渣仅为10μg。
SLS成形材料可以是熔模铸造用蜡粉、聚碳酸脂、尼龙、ABS塑料等。
石蜡、聚碳酸脂等热塑性材料，加热后可完全熔化，很适合于熔模铸造。
由蜡粉制成的模样可直接进入后续的熔模铸造工序。
聚碳酸脂模制作快、强度高、表面粗糙度值低，现已逐步用其代替石蜡模。
聚碳酸脂粉末烧结成的中空模样用于熔模铸造生产也很有前途。
这种模样对温度变化不敏感，强度高，在制作过程中变形和脆断少，在最后燃烧脱蜡工序中残留灰分少。
现在还在研究开发其他粉末材料，如聚苯乙烯和PMMA，其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分更少。
用选择性激光烧结工艺制成的原型尺寸在使用蜡粉时可达±
（0.13～0.25）mm，表面粗糙度均方根值在3.048～4.064μm之间。
使用蜡粉时垂直方向的成形速度为12.7mm/h，使用聚碳酸脂粉末时为25.4mm/h。
尽管SLS制作表面粗糙度值高于其他快速成形技术制件，但聚碳酸脂的模可通过在其表面涂蜡而改善。
据统计有30％的模样采用该法制模，如北美就有50多家铸造厂采用本法生产熔模铸造铸件。
一家公司用其试制一个新气缸盖仅用4周时间和12000美元。
而若用普通砂型方法试制，则需用16周时间和75000美元。
FDM主要使用热塑性材料或石蜡。
该法用于铸件生产的原理与SLS原理相同，但用于铸造过程最理想。
它可以采用灰分含量很低的工业标准铸造石蜡，制造表面粗糙度值较低，符合标准的精铸蜡模。
由于采用通常的铸造石蜡可快速从壳体除蜡，但所得铸件表面粗糙度值比SLS制件高。
LOM用纸张叠层所制原型，也可作为熔模铸造的熔失模，但它易受潮并在蒸汽环境中发出气味，因此原型在作为熔模铸造使用前要将其表面喷涂一层起保护作用的聚氨脂。
加热焙烧时模样会留下少量灰分，有可能会引起铸件表面质量问题。
需特别指出的是：
DSPC含义是直接制模铸造，它通过电子模型制成固体的三维陶瓷模壳。
该工艺与熔模铸造制壳工艺有本质不同，它直接利用计算机辅助设计的数据自动制造陶瓷壳，而无需模具或压型，使熔模铸造省去了制压型、蜡模以及涂挂涂料的工序，大大缩短了熔模铸件的生产周期；
也不用考虑蜡模变形等因素的影响。
因此，不仅可制得近净形零件，并能制造出中空的零件。
使用该法的工厂可在收到订单后一周内可交付高精度的铸件。
（3）实型铸造消失模的快速成形：
立体印刷SLA、叠层实体制造LOM、融积成型FDM等生成的树脂或热塑性材料原型均可以采用实型铸造工艺直接生产铸件。
将涂有耐火材料的成型模样放置于密封并充满干砂的箱体中，抽掉箱中空气，使砂型紧实；
将熔化的金属液通过特殊的浇冒口系统进入砂型中，烧掉模样并取代其位置而形成金属零件。
但由于烧掉模样时而残留下少量的灰分，所以直接影响零件的表面质量。
选择性激光烧结新研究开发聚苯乙烯和PMMA粉末，其烧结温度低、强度高、燃烧快、灰分少。
用其烧结而成的聚苯乙烯或PMMA模样可作为实型铸造的消失模。
1.4.3二次转制法
二次转制法主要是指由RP技术（如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等）提供的原型作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，再用软模具与熔模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造和涂料转移法精密铸造等铸造工艺结合，制造金属零件。
由于从原型到金属零件要经过二次或二次以上工艺转化，故称二次转制法。
该类工艺方法一般用于批量零件制造。
该技术的关键是原型翻制软模具的尺寸精度和表面粗糙度的保证及模具的定位。
1.5各种快速成形技术在铸造上应用的比较
快速成形技术与铸造技术相结合生产金属零件的最佳技术路线及较适合的零件种类，可归纳为表1-3。
对SLA，SLS，LOM，FDM四种原型生产的精铸件精度和表面粗糙度进行比较。
表1-3快速铸造最佳技术路线及适用范围
成形方法
生产金属零件的最佳技术路线
较适合的金属零件种类
SLA
LOM
SLS
FDM
DSPC
SLA原型（零件形）→熔模铸造→铸件
LOM原型（零件形）→石膏型（或陶瓷型）→铸件
SLS原型（陶瓷壳型）→铸件
FDM原型（零件形）→熔模铸造→铸件
用FDM直接生成低熔点金属零件
DSPC原型（陶瓷壳型或砂型）→铸件
中等复杂程度的中小型铸件
简单或中等复杂程度的金属模具和大中型铸件
中小型复杂铸件
大中小型复杂铸件
1.5.1铸件精度比较
测定、统计不同快速成形样件在xy平面内及z轴方向测量误差与样件长度的关系，以及误差密度分布。
样件xy平面内误差与样件长度的关系图如图1-10所示。
综合分析各个图可知SLA原型所生产样件误差最小、误差密度集中。
图1-10样件在xy平面内测量误差与其尺寸大小的关系
a）SLA误差b）SLS误差c）LOM误差d）FDM误差
1.5.2铸件表面粗糙度比较
测试件上表面、斜面和竖直面的表面粗糙度，统计结果见表1-4。
从数据看，LOM原型生产的样件有最低的整体表面粗糙度值，其各方向的表面粗糙度（Ra）分别为1.5μm、2.2μm、1.7μm。
其次是SLA原型生产的件，其表面粗糙度值相对也较小。
表1-4几种不同快速成形原型生产样件的表面粗糙度Ra（单位：
μm）
上表面
斜面（45°
）
竖直面
1.5
2.2
1.7
5.6
4.5
8.2
14.5
11.4
9.5
0.6
6.9
4.6
在工业生产中，选择快速原型除考虑他们对快速金属铸件精度和表面粗糙度的影响外，还得考虑其成本等因素。
从目前情况看，SLA原型的成本较高，做小件时可使用；
生产大铸件时，LOM、SLS原型则可能是较佳的选择。
1.6快速铸造技术应用举例
1.6.1基于快速成形的熔模铸造
熔模铸造是快速成形技术与铸造技术相结合快速制造金属零件和模具最常用的工艺，SLA、SLS、FDM、LOM原型均可用于熔模铸造，表5-2已对各种快速成形工艺用于熔模铸造的优缺点对比。
同一种RP原型其熔模铸造的工艺方案也有多种选择，下面以LOM原型艺术人头像为例进行多种熔模铸造工艺方案的分析对比，如图1-11所示。
图1-11艺术人头像的多种熔模铸造工艺方案
1—凸纸型2—蜡浇口3—型壳涂料层4—金属液5—浇包6—石膏压型7—压板8—凹纸型
9—喷陶瓷10—压蜡嘴11—环氧树脂压型12—锡铋合金压型13—耐高温硅橡胶压型
（1）方案a：
用凸纸模代替蜡模，粘上蜡浇口，直接涂料结壳，经高温焙烧，烧掉纸模，留下中空型壳进行浇注。
该方案的实施条件是要求纸模易燃烧、含杂质少。
试验表明，纸模中含有质量分数为4.93%～5.11%的水分及7.39%～8.00%的灰分，因此在焙烧中，纸模将产生大量气体，引起型壳胀裂，并且焙烧后在型壳中残留较多的灰渣，不易清除干净，易导致精铸件产生夹渣等缺陷。
并且每次浇注都要烧失纸模，其成本也较高。
（2）方案b：
用凸纸模当母模，复制石膏型压型，用石膏压型压制蜡模，再用蜡模涂料结壳，经脱蜡、焙烧得到中空型壳，最后进行浇注。
因石膏压型导热性差，蜡模冷凝速度慢，生产率低，且使用寿命低，故该方案只适合单件、小批量生产。
（3）方案c：
对凹纸型工作表面进行喷陶瓷材料等表面处理，然后用经表面处理过的纸型做压型，进行压蜡、涂料结壳等精铸过程。
表面处理可提高纸型工作面的耐磨性，防止纸型脱胶分层，降低表面粗糙度值，以提高压蜡次数和改善蜡模表面质量。
缺点是需增加表面处理设备费用，形状复杂的压型型腔喷涂后的打磨、抛光较困难，且因喷涂层一般较薄，其背面仍然是导热性差的纸型，也存在蜡模冷凝慢和生产率低的缺点。
（4）方案d：
用凸纸模复制环氧树脂压型，并进行压蜡、结壳等过程。
因环氧树脂也存在导热性差所引起的一系列弊病，还易老化、变形，影响压型和蜡模尺寸精度，故应用较少。
（5）方案e：
用凹纸型复制石膏凸型，然后在石膏凸型
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