複雜鑄件的快速製造方法

中國是鑄造的大國，但不是鑄造強國，許多中小企業長期依靠生產附加值低的簡單鑄件，而對技術難度較高的複雜鑄件望而生畏。因為對於複雜鑄件，特別是對於一些形狀複雜且小批量生產的薄壁鑄件，鑄造一直是個難題。更何況現在客戶對短周期及低成本要求很高，傳統的工藝很難勝任。

快速成形（RP）的出現和發展為解決上述問題提供了一條極具前景的新路，因此我們應好好運用這一先進技術為鑄造業服務。快速成形技術（RP）是一種集計算機輔助設計、精密機械、數控激光技術和材料學為一體的新興技術。它採用軟體離散化和材料堆積的原理，將所設計物體的CAD模型轉化為實物樣件。由於RP技術採用將三維形體轉化為二維平面分層製造的原理，因此能夠處理任意複雜的構件，而且構件越是複雜越能體現它的優越性。

但由快速成形設備生產的製件只是原型或模型而不是鑄件，運用這些原型或模型來生產鑄件可以選擇多種工藝路線，而如何選擇最佳的工藝路線則需要相應的專業知識。華中科技大學快速成形中心於1991年開始快速成形技術的研究，是中國最早開展該項技術研究的單位之一，並取得了豐碩的成果，成功推出了多種快速成形系統，經用戶使用，產生了顯著的經濟效益和社會效益。近年來對快速成形在各行業中的運用，特別是對複雜鑄件的快速製造開展了大量的研究，積累了豐富的經驗。在此我們將這些研究成果介紹給讀者。

母模製造方法的選擇與比較

目前，國內外研究了多種快速成形方法，比較成熟實用的主要有LOM、SLA、SLS、FDM、3DP，這些技術各有優缺點，其具體原理和特點如下：

一、立體光刻(SLA)

SLA是利用紫外激光掃描光敏樹脂、光敏樹脂在激光的作用下固化逐層堆集而成。用SLA原型可代替鑄造中的木模和熔模精密鑄造中的蠟模。SLA技術成形速度快，精度高。由於SLA所用樹脂為熱固性光敏樹脂，加熱不能熔失，只能燒失，所以熔模鑄造時對焙燒工藝要求較高，原型件最好做成鏤空結構。SLA原型對水較敏感，長時間在潮濕環境中易吸潮變形，所以要注意防潮。SLA的設備及運行成本較高，適合於製造薄壁精細輪廓精密鑄件的模型。

二、分層實體製造(LOM)

LOM工藝是根據零件分層得到的輪廓信息用激光切割薄材，這樣逐層堆集而成的三維實體。LOM主要特點是設備和材料價格較低，運行成本也低。原型經處理後強度好，精度高，不變形，在鑄造中可代替複雜的木模，特別適合於中小型鑄造廠單件或小批量生產。

三、選擇性激光燒結(SLS)

其原理是：激光束在計算機的控制下，對粉末進行掃描，掃描部分粉末熔化粘結而成的實體。SLS技術的最大特點是成形材料廣泛，塑料、陶瓷、金屬、蠟粉、腹膜砂及它們的複合材料都可作為SLS的成形材料，製備相應的功能件、金屬件、蠟模及砂型（芯），所以適用性強。SLS製作蠟模進行熔模鑄造是目前在國內運用最為廣泛的方法，不僅成本相對較低，而且精度高，表面質量好，無需支撐，可製作形狀極其複雜的蠟模生產複雜鑄件。

四、熔絲沉積（FDM）

熔絲沉積將材料液化後經過噴嘴逐層沉積成製件，成形材料包括塑料絲、蠟絲等，因此製備塑料原型件和蠟模。該工藝中沒有價格昂貴的激光器，所以設備價格低，且由於材料被完全熔化，製件強度高。但成形速度慢，製件精度差，表面質量差，且噴絲頭的噴嘴易產生流延和堵塞。

五、三維列印（3DP）

三維列印工作原理類似於噴墨印表機。該技術的材料包括陶瓷、金屬/有機複合材料等。該技術成本較低，成形速度快，精度高，但製件表面粗糙，強度不高，且列印噴頭容易堵塞。在鑄造中適合於原型的驗證製作蠟模或製造石膏型。

快速製造與鑄造方法的選擇

1、熔模鑄造

SLS快速成形所得到的蠟模可直接用於熔模鑄造得到金屬件。這種快速成形工藝無需製造壓型，大大縮短了毛坯的生產周期，並可實現小批量生產。

SLS製作蠟模不僅速度快，價格相對便宜，表面質量高，而且所用蠟料性質與一般鑄造中的高溫蠟料或中蠟料相似，只要對熔模鑄造中現行的焙燒工藝稍微改變就可實現SLS蠟料的焙燒脫出。SLS蠟模在熔模鑄造中的運用十分廣泛，既可鑄造小型精密鑄件，也可製作大型複雜鑄件，特別是可以與常規低熔點蠟模組焊成複合蠟模，即用普通蠟料壓型製作鑄件的簡單部分，而用SLS製作複雜部分，大幅提高生產效率，降低蠟模製作成本。

用SLA法製作的樹脂件也可用於熔模鑄造，SLA樹脂件強度高，表面質量好，所以可用於鑄造非常精細的小型鑄件。但由於焙燒工藝複雜，並要求採用易燒失的SLA專用樹脂，原型件的製造成本也高，所以目前在國內運用還不如SLS法廣泛。FDM也可擠出蠟料，只是FDM的成形速度慢，表質質量不高，所以這方面的應用也不多。

熔模精密鑄造是實現鑄件批量生產的有效方法之一。在傳統的熔模鑄造過程中，最困難的環節是快速製造製作熔模壓型，對於形狀複雜的大型件更為突出，通常是根據鑄件的形狀及尺寸進行設計，經金屬切削加工製成，周期長並且成本高。採用快速成形技術製造母模，通過快速軟模或快速過渡模等得到熔模鑄造的壓型。然後用此壓型注射蠟模，再用此蠟模經傳統的失蠟鑄造工藝製作金屬鑄件，不僅工藝簡單而且成本低。其製作工藝可以分為：

(1) 用快速成形製作母模再翻製成硅橡膠軟模、金屬冷噴模、石膏型、陶瓷型和經過中間轉換的合金模、電鑄模、環氧樹脂模等陰模當壓型，壓制蠟模；

(2) 用快速成形直接製造壓型，如華中科技大學開發的高分子/金屬複合材料，用選擇性激光燒結成形，製件經表面處理後可以直接作為熔模壓型，從而大大簡化了小批量生產鑄件的步驟。

2、石膏型及陶瓷型精密鑄造

石膏型及陶瓷型鑄造具有高精度及低表面粗糙度值的優點。利用快速成形獲得鑄造陶瓷型或石膏型有多種途徑：(1) 利用LOM、SLA、SLS、3DP製作的原型當母模，直接翻製成陶瓷型或石膏型，對於形狀複雜不易拔模的製件可以先轉製成硅橡膠型。這種方法的特點是成本低，且可實現小批量生產，但這種方法不適用形狀複雜、不能拔模的製件；(2) 類似於熔模鑄造的方法，用SLS、SLA、3DP或FDM製作蠟模，再熔失或燒失。

3、砂型鑄造

傳統的砂型鑄造一般要先制木模，而木模製造靠人工的方法往往在技術、生產周期、精度及材質方面難於完全滿足要求。用快速成形得到的LOM模型可以代替木模直接用於鑄造生產。由於經過了特殊的處理，紙質模堅如硬木，表面光滑有利於砂型鑄造。它在200℃以下工作，可以翻制50~200件砂型。其優點是成本低，製造速度快，無需高水平木模工和相應的木工機械就能在很短時間內製作高精度模樣，對於形狀複雜的大、中型鑄件，其優點尤為突出。如發動機機體、缸蓋、進（排）氣管和底盤變速器離合器殼體等都可以用這種方法製造。紙質模或樹脂模取代木模使得金屬模胚的製造周期和成本大大降低，而且精度的提高可以減少機械加工餘量和加工費用。

用SLS燒結覆膜砂可直接成形砂型（芯）用於鑄造，這種方法經濟快速，尤其對於內腔流道特別複雜的鑄件有其它方法無法比擬的優勢。