快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping,簡(jiǎn)稱RP)是20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)。它能使人們頭腦中的設(shè)計(jì)概念迅速變成實(shí)物。特別值得一提的是，整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程不需要任何模具和工藝裝備，大大縮短樣件和新產(chǎn)品試制周期，迅速成為增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段和工具。INCAST 2004(11)發(fā)表的互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)卷調(diào)查表明，全歐 400多家精鑄廠家中，有 93%以上都曾使用過(guò)快速成形模樣，所有受訪者都認(rèn)同，采用此項(xiàng)新技術(shù)對(duì)于加速新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力至關(guān)重要[1]。
一.常用快速成形方法在熔模鑄造中的應(yīng)用
快速成形技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用主要有以下幾方面：
1.制作熔模
制作模樣時(shí)，快速成形機(jī)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(yè) CT(計(jì)算機(jī)層析射線攝影技術(shù))掃描所得的數(shù)據(jù)文件。例如，首先通過(guò) CT 對(duì)零件(螺旋推進(jìn)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(lái)(圖 12-1c)，構(gòu)成三維幾何模型(圖 12-1d)。再將它傳送給快速成形機(jī)制成模樣(圖12-1e)[2]。這種復(fù)原(逆向)工程方法不但可以將機(jī)器零件復(fù)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(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠壓型;另一種方法是將CAD 系統(tǒng)中生成的壓型型塊的三維幾何模型直接輸入快速成形機(jī)制成樹(shù)脂壓型。這類壓型主要適合小批量生產(chǎn)(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(huán)氧樹(shù)脂制成金屬-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合壓型，可以滿足生產(chǎn)數(shù)百件精鑄件的要求。采用 SLS 法時(shí)如將加工對(duì)象由樹(shù)脂粉末換成表面帶一薄層熱固性樹(shù)脂的鋼粉，用激光燒結(jié)成壓型，再焙燒以除掉樹(shù)脂，最后將銅液滲入壓型的孔隙中。由此所得的壓型在強(qiáng)度、導(dǎo)熱等方面的性能與金屬相似。除此之外，快速成形技術(shù)還可用于制作某些形狀不規(guī)則的胎具。
3.直接制作鑄型澆鑄鑄件
20 世紀(jì) 90 年代初美國(guó) Sandiana 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了一項(xiàng)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(lái)很少再見(jiàn)報(bào)道。
1994年美國(guó)Z Corporation 開(kāi)發(fā)成功三維打印技術(shù) 3D Printing。該項(xiàng)技術(shù)最初由麻省理工學(xué)院Ely Sachs 教授發(fā)明并擁有專利權(quán)。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(qū)動(dòng)激光發(fā)射頭，而是驅(qū)動(dòng)噴墨打印頭，按照制品的截面形狀噴射膠水‘打印’。重復(fù)以上動(dòng)作，直至零件制作完成，故被命名為‘三維打印技術(shù)’。其優(yōu)點(diǎn)是，運(yùn)行費(fèi)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(yīng)用效果比較
目前實(shí)際生產(chǎn)中較流行的快速成形方法有立體平板印刷法(SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)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(lái)，國(guó)外不少研究機(jī)構(gòu)從制作模樣的質(zhì)量和在熔模鑄造中的表現(xiàn)等方面，對(duì)上述方法進(jìn)行了比較，結(jié)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(jīng)打磨精整后用表面粗糙度儀測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表 12-1[4]。可見(jiàn)表面粗糙度以 SLA 和LOM法較細(xì)，F(xiàn)DM 法最粗。
3) 再現(xiàn)精細(xì)部位的能力 以齒間距約3mm 的齒條為對(duì)象考察這四種方法復(fù)制精細(xì)部位的能力。結(jié)果以 SLA 最佳，F(xiàn)DM最差[4]。
4) 在熔模鑄造中的表現(xiàn) 上述四種方法中，制品本身就是蠟?zāi)５姆椒?如FDM或SLS)，很容易適應(yīng)熔模鑄造工藝的要求，無(wú)疑表現(xiàn)較好。而樹(shù)脂或紙制模樣盡管也可燃燒掉，但畢竟不象蠟?zāi)Ｄ菢尤菀走m應(yīng)熔模鑄造的要求，需要不斷改進(jìn)，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(yīng)之處，但由于制成的模樣尺寸精度和表面質(zhì)量好而倍受青睞，在國(guó)外，特別是航空航天和軍工部門的熔模鑄造企業(yè)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。SLS 法模樣質(zhì)量雖較 SLA 略遜一籌，但容易適應(yīng)熔模鑄造的工藝要求，所以，國(guó)內(nèi)熔模鑄造中應(yīng)用越來(lái)越多。FDM 法盡管最容易適應(yīng)熔模鑄造的工藝要求，但制成蠟?zāi)５某叽缇群捅砻尜|(zhì)量尚不盡如人意;而 LOM法雖模樣質(zhì)量尚可，但難以適應(yīng)熔模鑄造，因此，目前后二種方法在熔模鑄造中推廣應(yīng)用均受到一定限制。
三.熔模鑄造中應(yīng)用 SLA 和SLS 的新進(jìn)展
1.新型光固化樹(shù)脂[5][6]
SLA法早在1987年就已商業(yè)化了，它最初是被用來(lái)制作實(shí)體模型和具有一定功能的樣件。20 世紀(jì)90年代初期，美國(guó) 3D System Inc 的QuickCast軟件開(kāi)發(fā)成功，使SLA 快速成型機(jī)能夠制作出內(nèi)部呈蜂窩形結(jié)構(gòu)(圖 12-3a)而外表仍保持光滑致密的精確模樣(圖 12-3b)，不僅節(jié)省了 90%的制模材料，而且在焙燒型殼的時(shí)候，模樣首先向內(nèi)癱塌而不致將型殼脹裂。除此之外，人們逐步發(fā)現(xiàn)，對(duì)于制模用光固化樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，還需要滿足以下一些特殊要求:
·粘度—— 如果樹(shù)脂粘度太大，模樣制成后內(nèi)腔中剩余的樹(shù)脂很難排盡，殘存樹(shù)脂過(guò)多，仍有可能在焙燒時(shí)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(dǎo)致鑄件表面產(chǎn)生非金屬夾雜及其它缺陷。
·重金屬元素含量——這對(duì)于鑄造高溫合金特別重要。例如銻在SLA 光固化樹(shù)脂中就是一種較為常見(jiàn)的元素，如果它出現(xiàn)在型殼焙燒后的殘灰中，就可能污染合金，甚至使鑄件報(bào)廢。
·尺寸穩(wěn)定性——在整個(gè)操作過(guò)程中模樣尺寸都應(yīng)保持穩(wěn)定，為此，樹(shù)脂的吸濕性低也是非常重要的。
近年來(lái)，美國(guó) DSM Somos 公司研制成功一種新型的光固化樹(shù)脂Somos 10120，滿足了上述主要要求，頗受精鑄生產(chǎn)廠家青睞。這種新產(chǎn)品已在三個(gè)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(jìn)行小批量生產(chǎn)
采用 SLA 模樣小批量生產(chǎn)精鑄件需要考慮 2 個(gè)主要問(wèn)題: 一是模樣和鑄件所能達(dá)到的尺寸精度，二是生產(chǎn)成本和交貨期是否具有優(yōu)勢(shì)。美國(guó) Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等多家精鑄廠，采用 SLA 模樣鑄造了數(shù)百個(gè)鑄件，實(shí)際測(cè)量鑄件尺寸后，統(tǒng)計(jì)分析表明，采用DSM Somos 公司新開(kāi)發(fā)的 11120光固化樹(shù)脂和QuickCast 技術(shù)，制成的SLA模樣，尺寸偏差不超過(guò)鑄件公差值的50%。絕大多數(shù)鑄件尺寸符合公差要求，合格率達(dá)95%以上(圖 12-4) [7]。
盡管制作一個(gè) SLA 模樣的成本要比制作相同蠟?zāi)８叩枚啵馁M(fèi)時(shí)間也要長(zhǎng)一些，但不需要設(shè)計(jì)制造壓型，所以，在單件小批量生產(chǎn)時(shí)，在成本和交貨期方面仍具有優(yōu)勢(shì)。鑄件越復(fù)雜，這種優(yōu)勢(shì)越明顯。以Nu-Cast公司生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的航空精鑄件為例(圖12-5)[7]，其模具制作費(fèi)用約85000美元，每天生產(chǎn) 4個(gè)蠟?zāi)＃總�(gè)蠟?zāi)３杀举M(fèi)(含材料和人工)150美元。如果采用 SLA 法，每個(gè) SLA 模樣成本 2846 美元，但不需要設(shè)計(jì)制造模具。由此算出，如果產(chǎn)量小于32件，采用SLA 模成本低于蠟?zāi)? 超過(guò)32 件，則成本高于蠟?zāi)?圖 12-6);使用蠟?zāi)＃O(shè)計(jì)制造模具需耗時(shí) 14～16周，而SLA 模不需要模具。因此，如果產(chǎn)量少于 87 件，采用 SLA 模，交付鑄件比蠟?zāi)？?圖 12-7)。但超過(guò) 87 件，則采用蠟?zāi)８靃7]。另一個(gè)需要考慮的因素是，如果采用蠟?zāi)＃?dāng)產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)，模具需要重新制作，付出代價(jià)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(jiǎn)便快捷得多。
3.SLS燒結(jié)聚苯乙烯粉末浸蠟?zāi)?/P>
SLS 最初是用激光將特制的蠟粉燒結(jié)成蠟?zāi)＃苓m合熔模鑄造的工藝特點(diǎn)，早在 1990年底，美國(guó)已有超過(guò)50家鑄造廠，生產(chǎn)多達(dá)約 3000個(gè)蠟?zāi)＃⒊晒﹁T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?zāi)５膹?qiáng)度不足，氣溫高時(shí)易軟化變形，氣溫低時(shí)又容易碎斷。因此，1990 年代初期，美國(guó)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(dá)25%以上)，減輕了脫模時(shí)脹裂型殼的危險(xiǎn)，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(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用。圖12-8 所示為北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司用 SLS 法燒制成的聚苯乙烯粉末浸蠟?zāi)５牟糠值湫蛯?shí)例。
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