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幾種快速成型方法在鑄造中的應(yīng)用

2015年11月11日 供稿：Author 瀏覽：564    打印

　　1 快速成型技術(shù)簡介

　　快速成型技術(shù)（RP，Rapid Prototyping）是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，它的最大特點(diǎn)就在于其制造的高柔性，即無需任何專用工具，由零件的CAD模型，直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成零件或零件原型的成形制造：只需改變零件的CAD模型，就能很方便的獲得相應(yīng)的零件或原型。

　　快速成型技術(shù)主要基于離散一堆積成形思想，不同與傳統(tǒng)的受迫成形（模鍛、擠壓、軋制、輾壓、拉拔等成形方式）和去除成形（車、銑、刨、磨、電火花加工、化學(xué)腐蝕加工、蝕刻加工等成形方式），它將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，依據(jù)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)模型，分層切片得到各層截面的輪廓信息，并通過激光粘結(jié)、熱熔或微滴噴射得到各截面的輪廓實(shí)體并逐步形成三維產(chǎn)品，這樣就將一個(gè)復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變成一系列二維層片的加工，大大降低了加工難度，即所謂的降維制造。

　　快速成型技術(shù)使得成形過程的難度與待成形物理實(shí)體形狀的復(fù)雜程度無關(guān)，這一寶貴技術(shù)特征使它能最好地適應(yīng)當(dāng)代制造業(yè)市場的競爭環(huán)境而飛速地發(fā)展起來。根據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，快速成型技術(shù)只需要傳統(tǒng)加工方法30%～50%的工時(shí)和20%～35%的成本就能直接制造產(chǎn)品樣品或模具。RP原型已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車、航空、航天領(lǐng)域，隨著該項(xiàng)技術(shù)的日臻完善，，給制造業(yè)帶來一場革命。

　　目前快速成型技術(shù)在“分層制造”思想的基礎(chǔ)上，己出現(xiàn)了幾十種工藝，并且新的工藝還在不斷涌現(xiàn)�，F(xiàn)今比較成熟并已經(jīng)投入商品化生產(chǎn)的工藝主要有以下幾種：

　�。�1）固化成型（SLA-stereo Litho-rapid Apparatus）工藝，基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作，它是以熱固性光敏樹脂等為材料的薄板實(shí)體制造。

　�。�2）疊層實(shí)體制造（LOM-Laminated Object Manufacturing）工藝，又稱薄型材料選擇性切割工藝，是以紙、金屬箔、塑料等為材料的薄板實(shí)體制造。

　�。�3）選擇性激光燒結(jié)（SLS-Selected Laser Sintering），是利用紅外線激光來提供熱量，熔化熱塑性材料以形成三維零件。

　�。�4）熔積成型（FDM-Fused Deposition Modeling），又稱絲狀材料選擇性熔覆，是以石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬為材料的熔絲堆積造型。

　�。�5）固體基礎(chǔ)固化（SGC-Solid Ground Goring）是利用UV射線，通過玻璃罩照射在樹脂表面，使零件截面形狀固化的造型。

　　2 快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用

　　鑄造在零件的復(fù)雜性和材料適應(yīng)性方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但其柔性較差，鑄型的形成往往需要一個(gè)較長的周期，鑄件的尺寸和結(jié)構(gòu)的改變將會(huì)直接影響鑄型的設(shè)計(jì)、制造、裝配等工藝過程。將快速成型技術(shù)與鑄造技術(shù)結(jié)合起來，采用快速成型技術(shù)直接或間接完成鑄型的制造，將大大提高鑄件的柔性，使鑄造技術(shù)在制造柔性方面發(fā)生巨大的變化和明顯提高。

　　采用快速原型的離散一堆積成形原理與工藝完成鑄型制造的技術(shù)與方法稱為RP鑄型制造。RP鑄型制造又可分為間接RP鑄型制造和直接RP鑄型制造，前者運(yùn)用RP技術(shù)所完成的僅是鑄型的原型，需進(jìn)一步地翻制和轉(zhuǎn)換才能獲得用于澆注的鑄型，如硅膠型、石膏型和陶瓷型等，故稱為間接RP鑄型制造：后者運(yùn)用RP技術(shù)直接完成可供澆注的鑄型，如裹覆砂型、樹脂砂型等，稱為直接RP鑄型制造。直接RP鑄型制造又可根據(jù)RP使能技術(shù)（Enable Technology）細(xì)分為微滴噴射（Droplet Jetting）技術(shù)RP鑄型制造和激光束（Laser Beam）RP鑄型制造兩大類。下面分別介紹幾種快速成型技術(shù)。

　　2.1 基于快速成型方法的石膏型精密鑄造工藝

　　快速成型技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，為鑄造模具快速設(shè)計(jì)與制造提供了新途徑，并大大提高鑄造生產(chǎn)的柔性，其中將RP原型運(yùn)用到石膏精密鑄造技術(shù)中就是新發(fā)展之一。

　　快速成型技術(shù)與石膏型精密鑄造相結(jié)合主要有兩種途徑：一種是采用LOM、FDM、SLS或SLA工藝制造的原型作為母�；蚬柘鹉z中間轉(zhuǎn)化模，進(jìn)行石膏型拔模精密鑄造，由于最終的得到零件或模具是RP原型翻制模，即RP原型與生產(chǎn)出的鑄件互為鑄件、鑄型關(guān)系，結(jié)構(gòu)正好相反，因而被稱為間接RP-石膏型制造工藝：另一種是采用RP原型作為主模型，翻制硅橡膠，采用硅橡膠翻制蠟型或直接采用LOM等工藝制造的原型，進(jìn)行石膏型熔模精密鑄造，鑄造最終產(chǎn)物與RP原型尺寸、結(jié)構(gòu)完全相同，是RP原型不同材質(zhì)的翻版，因而稱為直接RP-石膏型制造工藝。

　　采用直接RP-石膏型制造技術(shù)，尤其是基于SLS工藝的直接RP-石膏型制造技術(shù)，極高的提高了石膏型熔模精密鑄造的柔性。石膏型熔模鑄造技術(shù)正是在直接RP-石膏型制造技術(shù)的推動(dòng)下，展現(xiàn)出無限的生機(jī)。

　　2.2 基于覆膜砂激光快速成型方法的鑄造工藝

　　覆膜砂具有加熱固化的特點(diǎn)，其固化溫度一般為200～280℃。當(dāng)激光掃描覆膜砂時(shí)，表面的覆膜砂吸收的光能轉(zhuǎn)化成熱能并向深層的覆膜砂傳播，使固化溫度范圍內(nèi)的砂粒發(fā)生固結(jié)。激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)最終的砂型強(qiáng)度有重要影響。通過熱相儀測(cè)溫、Ansys有限元軟件數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的辦法，得到了不同功率條件下覆膜砂的熱固結(jié)寬度及深度曲線，給出了覆膜砂SLS法成型的合理工藝參數(shù)，并指出功率過大，會(huì)因覆膜砂的樹脂膜發(fā)生過燒和炭化而使其失去粘結(jié)作用。

　　利用覆膜砂過熱炭化失效的特點(diǎn)，可以產(chǎn)生一種基于激光束輪廓線掃描直接獲得覆膜砂鑄型的方法。首先利用CAD軟件，在計(jì)算機(jī)中建立要加工零件的三維立體模型，并用分層切片軟件對(duì)其進(jìn)行處理，得到不同高度上每一截面層的平面幾何信息。CAD/CAM系統(tǒng)根據(jù)截面信息生成x-y激光束在各層粉末上的數(shù)控運(yùn)動(dòng)指令。在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，在粉末上掃描出截面形狀，激光的功率要足夠大，使得輪廓邊界處的粉末完全炭化而失去固化作用，逐層掃描直至堆積出零件的三維曲面結(jié)構(gòu)的分型面。按照覆膜砂固化工藝條件的要求對(duì)砂箱內(nèi)型砂進(jìn)行加熱固化，使固化后的覆膜砂沿著分型面分型，就可得到目標(biāo)鑄型。其有主要特點(diǎn)是：成型速度快，效率高：成型件的機(jī)械性能及表面質(zhì)量高：成型材料選擇范圍廣。

　　2.3 基于快速成型方法的冷凍鑄造工藝

　　冷凍鑄造技術(shù)在國內(nèi)外都尚處于起步階段，有資料報(bào)道的只有美國的Duramax公司在1991年開始致力于冷凍鑄造工藝（Freeze Casting Process）的研究，并申請(qǐng)了美國專利。另外，近些年有些研究者將快速成型技術(shù)（RP）和冷凍鑄造技術(shù)結(jié)合起來，形成了快速冷凍工藝（Rapid Freeze Prototyping）并取得了一定的進(jìn)展，具有代表性的是美國的密蘇里大學(xué)和中國的清華大學(xué)，他們都分別設(shè)計(jì)了自己的RFP系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對(duì)有關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。

　　用RFP技術(shù)制作冰模的工藝流程與FDM（熔絲沉積）類似，只是成形材料為水，并且要在冷凍環(huán)境下成形。首先在計(jì)算機(jī)中用RFP成形機(jī)可接受的軟件系統(tǒng)對(duì)冰模進(jìn)行三維造型，然后用切片軟件將三維圖形離散成二維圖形，根據(jù)成型件的二維幾何模型的層片信息，在計(jì)算機(jī)精確控制下用特種噴頭噴射出水滴，再在冷凍狀態(tài)下逐層堆積得到冰模。RFP系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和低溫成形室。由于水是一種粘度低、流動(dòng)性好的液體，為得到尺寸精度高、表面光潔的冰模，噴頭必須能夠噴射出足夠細(xì)微的水滴。所以噴頭的設(shè)計(jì)是冰成形的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，噴嘴的直徑及壓力決定液滴的大小，噴頭運(yùn)動(dòng)速度決定冰層厚度。

　　冷凍冰模可以用于陶瓷型和熔模鑄造。用冷凍冰模翻制鑄型與傳統(tǒng)的陶瓷型和熔模鑄造工藝的主要區(qū)別是：一些工序必須在低溫環(huán)境中進(jìn)行。造型材料必須為適應(yīng)低溫環(huán)境作出相應(yīng)調(diào)整或重新選擇。目前，較多的研究集中在熔模鑄造中。

　　目前對(duì)冷凍鑄造的研究面還應(yīng)當(dāng)拓寬，不僅在熔模鑄造和陶瓷型鑄造技術(shù)中，而且還可以拓展到其它鑄造工藝，并借鑒其它工藝的一些原理和方法克服冷凍鑄造中的工藝難點(diǎn)。另外，在制模技術(shù)研究中，采用RFP技術(shù)制模，不需要壓型，可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備的周期，這在單件多品種生產(chǎn)中具有優(yōu)勢(shì)，但由于水物理性質(zhì)和該成形方法的特點(diǎn)，使冰模的成形速度較慢。因此，這種方法并不適合批量生產(chǎn)方式。因此，研究適合批量生產(chǎn)的更有效、更簡捷、更可靠的冰模制作技術(shù)非常重要。通過選擇、開發(fā)低溫性能良好的軟模材料，設(shè)計(jì)操作簡單，保證程度高的壓型結(jié)構(gòu)是提高冰模應(yīng)用性能的重要保證。

　　3 結(jié)語

　　在介紹了快速成型的基本原理和工藝方法的基礎(chǔ)上，論述了幾種用于鑄造工藝上的快速成型方法。在當(dāng)今技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)融合的大背景下，將快速成型方法引入傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)中，會(huì)產(chǎn)生出更加適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新型鑄造工藝，也將對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝的升級(jí)提高起到良好的助力作用，從而使得鑄造行業(yè)獲得科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

  本文關(guān)鍵詞：幾種快速成型方法在鑄造中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。