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幾種快速成型方法在鑄造中的應用

2015年11月11日 供稿：Author 瀏覽：564    打印

　　1 快速成型技術簡介

　　快速成型技術（RP，Rapid Prototyping）是20世紀80年代末期發(fā)展起來的先進制造技術的重要組成部分，它的最大特點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)動設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的零件或原型。

　　快速成型技術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、化學腐蝕加工、蝕刻加工等成形方式），它將計算機輔助設計、輔助制造、數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動和新材料等先進技術集于一體，依據(jù)產(chǎn)品的三維設計模型，分層切片得到各層截面的輪廓信息，并通過激光粘結、熱熔或微滴噴射得到各截面的輪廓實體并逐步形成三維產(chǎn)品，這樣就將一個復雜的三維加工轉(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。

　　快速成型技術使得成形過程的難度與待成形物理實體形狀的復雜程度無關，這一寶貴技術特征使它能最好地適應當代制造業(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，快速成型技術只需要傳統(tǒng)加工方法30%～50%的工時和20%～35%的成本就能直接制造產(chǎn)品樣品或模具。RP原型已廣泛地應用于機械、電子、汽車、航空、航天領域，隨著該項技術的日臻完善，，給制造業(yè)帶來一場革命。

　　目前快速成型技術在“分層制造”思想的基礎上，己出現(xiàn)了幾十種工藝，并且新的工藝還在不斷涌現(xiàn)。現(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體制造。

　�。�2）疊層實體制造（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體制造。

　　（3）選擇性激光燒結（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、低熔點金屬為材料的熔絲堆積造型。

　　（5）固體基礎固化（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 快速成型技術在鑄造中的應用

　　鑄造在零件的復雜性和材料適應性方面具有無可比擬的優(yōu)勢，但其柔性較差，鑄型的形成往往需要一個較長的周期，鑄件的尺寸和結構的改變將會直接影響鑄型的設計、制造、裝配等工藝過程。將快速成型技術與鑄造技術結合起來，采用快速成型技術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，前者運用RP技術所完成的僅是鑄型的原型，需進一步地翻制和轉(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：后者運用RP技術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（Enable Technology）細分為微滴噴射（Droplet Jetting）技術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。

　　2.1 基于快速成型方法的石膏型精密鑄造工藝

　　快速成型技術與精密鑄造技術相結合，為鑄造模具快速設計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原型運用到石膏精密鑄造技術中就是新發(fā)展之一。

　　快速成型技術與石膏型精密鑄造相結合主要有兩種途徑：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、鑄型關系，結構正好相反，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，進行石膏型熔模精密鑄造，鑄造最終產(chǎn)物與RP原型尺寸、結構完全相同，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，尤其是基于SLS工藝的直接RP-石膏型制造技術，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正是在直接RP-石膏型制造技術的推動下，展現(xiàn)出無限的生機。

　　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，其固化溫度一般為200～280℃。當激光掃描覆膜砂時，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。激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對最終的砂型強度有重要影響。通過熱相儀測溫、Ansys有限元軟件數(shù)值模擬及現(xiàn)場實驗的辦法，得到了不同功率條件下覆膜砂的熱固結寬度及深度曲線，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，會因覆膜砂的樹脂膜發(fā)生過燒和炭化而使其失去粘結作用。

　　利用覆膜砂過熱炭化失效的特點，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，在計算機中建立要加工零件的三維立體模型，并用分層切片軟件對其進行處理，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)控運動指令。在計算機的控制下，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構的分型面。按照覆膜砂固化工藝條件的要求對砂箱內(nèi)型砂進行加熱固化，使固化后的覆膜砂沿著分型面分型，就可得到目標鑄型。其有主要特點是：成型速度快，效率高：成型件的機械性能及表面質(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

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

　　用RFP技術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。首先在計算機中用RFP成形機可接受的軟件系統(tǒng)對冰模進行三維造型，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，在計算機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)包括運動系統(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微的水滴。所以噴頭的設計是冰成形的一個關鍵技術，噴嘴的直徑及壓力決定液滴的大小，噴頭運動速度決定冰層厚度。

　　冷凍冰�？梢杂糜谔沾尚秃腿勰ｈT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)境中進行。造型材料必須為適應低溫環(huán)境作出相應調(diào)整或重新選擇。目前，較多的研究集中在熔模鑄造中。

　　目前對冷凍鑄造的研究面還應當拓寬，不僅在熔模鑄造和陶瓷型鑄造技術中，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。另外，在制模技術研究中，采用RFP技術制模，不需要壓型，可以縮短生產(chǎn)準備的周期，這在單件多品種生產(chǎn)中具有優(yōu)勢，但由于水物理性質(zhì)和該成形方法的特點，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非常重要。通過選擇、開發(fā)低溫性能良好的軟模材料，設計操作簡單，保證程度高的壓型結構是提高冰模應用性能的重要保證。

　　3 結語

　　在介紹了快速成型的基本原理和工藝方法的基礎上，論述了幾種用于鑄造工藝上的快速成型方法。在當今技術創(chuàng)新、技術融合的大背景下，將快速成型方法引入傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)中，會產(chǎn)生出更加適應現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展的新型鑄造工藝，也將對傳統(tǒng)鑄造工藝的升級提高起到良好的助力作用，從而使得鑄造行業(yè)獲得科學發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

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