山东理工大学机械工程学院
摘要：介绍了光固化立体造型技术，选择性激光烧结技术，熔融沉积成型技术，冰模快速成形技术的工艺流程及其在熔模铸造行业中的应用现状。阐述了四种不同技术下铸造的金属铸件的优缺点。对快速成型技术在熔模铸造中的应用前景进行展望。
关键词：快速成型技术；熔模铸造；冰模快速成形
Application of rapid prototyping technology in investment casting
Song Xiuli, Wei Xiuting, Zhou Junjie, Wang Yongqi, Liu Xiaofei
[School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology]
Abstract: Introduces the process flow of stereo lithography appearance, selective laser sintering, fused deposition molding, ice mold rapid prototyping and its application in casting industry. The advantages and disadvantages of metal castings cast with four different techniques are expounded. The application prospect of rapid prototyping technology in investment casting is put forward.
Key words: Rapid prototyping technology ; Investment casting ; Ice mold rapid prototyping
0 引言
熔模铸造又称熔模精密铸造，是一种近净形的液态金属成型工艺。有着尺寸精密度高，外表面粗糙度小，可铸造结构形状复杂、精密的铸件，合金材料不受限制，大小批量生产均可适用等优点。但是又存在过程复杂，生产工序多，周期长等缺陷[1]。
快速成型（Rapid Prototyping, RP）技术，是一种用物料逐层或逐点沉积出制件的铸造方法。快速成型技术的加入明显地缩短了熔模铸造新产品的开发时间，提高产品开发速度，形成一种新的技术——快速熔模铸造（Rapid Investment Casting, RIC）技术[2]，工艺流程如图1所示。
1 快速成型方法
快速成型技术最大的优点在于其制造过程的高柔性，只要用UG、SolidWorks、Pro/E等三维建模软件设计出机件的CAD模型，或者采用反向工程，运用最新的3D机器人扫描系统，根据已有的试件样品，扫描生成3D打印所需的三维模型，然后导出成STL格式，应用Cura、Slic3r等分层软件生成路径，最后通过相应技术硬件打印出试件原型。
RP技术是RIC技术的第一步，其成型精密度对最终金属铸件的影响非常大，而快速成型技术的种类繁多，不同的RP技术的成型效果存在较大不同。本文主要阐述并对比了光固化立体造型（SLA）技术,选择性激光烧结（SLS）技术，熔融沉积（FDM）技术，冰模快速成形（IRP）技术在熔模铸造中的应用优点及不足。
2 RP技术在熔模铸造中的应用
2.1 SLA光固化立体造型技术
光固化立体造型技术工艺如图2。
（1）用扫描图将激光束扫描到树脂外表面使之曝光。液态树脂被激光照射到的部分发生固化进而形成所需截面。
（2）升降台向下降落一个层厚，然后用相同的方式在该层面扫描，使其固化成型一个新的截面，依次类推，从而将截面一层层的叠合在一起，最终构成三维原型。
（3）升降台向上升出液面，取出模样并进行检验及后处理。在造型结束后，用强紫外线照射造型后的模样，使未全部固化的树脂完全固化。去除模样的支撑并对模样进行修整。除此之外，逐层硬化的模样，不可避免地会在层与层之间出现台阶，这些细小的台阶必须去除。另外，要想对模样精度进一步提高，还需在模样表面进行喷砂处理。
光固化立体造型技术的主要材料为光敏树脂，该技术是最早用于商用，同时也是精度最高、最成熟的快速成型技术。基于SLA的熔模铸造技术工艺过程如图1所示，将打印的原型均匀的挂上陶瓷浆料，待浆料充分凝结后，用800℃以上的高温瞬间气化其内的树脂原型，使其最大程度的消失，以提高型壳的精度，最后向型壳内浇筑金属液，待金属液冷却后去除型壳，得到最周的金属铸件，精抛光后得到最终产品。
光固化立体造型得到的产品表面粗糙度Ra可达到3.2μm，经抛光后，表面粗糙度可达到1.2μm;尺寸精度在0.1%以内[3]。层间厚度已达到0.025mm，可成型的最小壁厚已达到0.7mm。浇注成型的金属铸件的尺寸精度按照GB/T6414标准，产品尺寸公差为3~4级，表而粗糙度Ra为3.2μm[4]。因其成型的精度最高，使得光固化立体造型技术成为铸造行业中应用最多的快速成型技术，达到67%。尤其在航天航空和军工产品生产中得到广泛应用。但是因其材料的特殊性，光固化成型技术存在成本高，模样气化温度高（800℃左右）等问题。
该法目前使用的设备主要有3D Systems公司的Pojet MJP系列。中国陕西恒通、中国UnionTech联泰三维等公司的一些相关设备。
2.2. SLS选择性激光烧结技术
SLS法的工艺和设备如图所示。
（1）用略低于材料的软化和熔点的温度对工作台面粉末和供粉筒进行预热，可有效防止零件发生扭曲形变。
（2）在预先设定的预热温度下，用辊筒先在工作台上铺一层粉末材料，然后计算机控制下的激光束，参照读取到的截面轮廓信息，扫描零件的实心部分所在的粉末，该区域的粉末温度升至熔化点，于是粉末颗粒交界处熔化，使粉末之间相互粘结，逐步得到各层轮廓。而非烧结区的粉末仍旧呈现松散状态，可以作为工件和下一层粉末的支撑。
（3）成型完成一层后，工作台向下降低一个层界面的高度，再进行下一层的界面铺料和烧结，依次循环，最终形成三维的机件。
选择性激光烧结（SLS）技术没有原材料的浪费，粉末没有烧结的可重复利用。SLS法成型材料多样化，包括高分子、金属粉末、陶瓷以及这些单一物料的复合粉。主要用于熔模铸造的材料有蜡粉和非蜡粉两大类，其中非蜡粉包含：PS（聚苯乙烯）、 PC（聚碳酸酯）、HIPS(高抗冲击聚苯乙烯)和ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)等。由于蜡模存在熔出时会对型壳产生涨裂破坏的缺点，而非蜡模材料的强度和耐久性均高于蜡料，且在激光烧结过程中不易开裂，因此非腊料更适用于熔模精密铸造[5]。在快速熔模铸造技术中蜡料逐渐被PS、PC等非腊料所取代[6]。但是熔失PS熔模需要250℃高温，熔失熔模时间需要100分钟[7]。熔失熔模耗费时间较长，而且模料不能完全脱出，存在一定的碳缺陷。刘玉满研究的桂林5号负压燃烧空壳铸造法能有效解决碳缺陷的问题，消碳效果能达到99%左右[8]。SLS成型精度较SLA技术低，经抛光后模型表面粗糙度能达到5μm以下，浇筑处、出的金属铸件未经抛光能达到18μm以下。
代表性企业包括美国DTM Corp.公司、德国EOS、中国的、武汉滨湖、盈普、华曙高科、华科三维、隆源自动成型等企业。
2.3 FDM熔融沉积成型技术
熔融沉积成型机构成部分主要有喷头装置、送丝装置、运动机构、加热工作室、工作平台等[12]。
熔融沉积成型法的设备及工艺流程如图4。
（1）由供丝机构将丝状热塑性材料（应用于熔模铸造的主要材料为铸蜡，ABS,PLA等）送至喷头，并在喷头中加热至熔融状态。
（2）计算机控制喷头沿模型断面层扫描。根据片层参数控制喷头，同时将材料熔化了挤出来，均匀的铺布在工作台上，成型一个截面。
（3）完成一层的成型后，喷头会自动向上升高一个界面层的高度，然后进行下一层截面的扫描和铺布，顺次循环往复多次，最终形成三维工件。
基于FDM的熔模铸造和基于SLA、SLS的熔模铸造，因为采用的材质大致相同，所以工艺流程基本相似，而且都有不同程度的碳残留，从而影响最终试件的成形精度。
熔融沉积成型法制作ABS模型的成型速度快，材料的利用率高，成型精度可达0.127mm（对于300mm³的成型件）。原料来源充分可再生，可生物降解，环保性好，流动性好，打印不易开裂，打印过程无异味，无污染。但是原材料的价格相对较高，成型件的表层的条纹较为明显，并且也需设计、制造支撑结构。
目前研制与制造FDM成型机的单位有中国的清华大学、华中科技大学、上海富奇凡公司，美国的Stratasys公司和MedModeler公司等。
2.4 冰模快速成形技术
冰模快速成形工艺是RP技术与冷冻铸造工艺（FCP）结合而成的新工艺，又叫做冰模快速成形(IRP)工艺。是一种新型的快速成型技术，最早是由清华大学和美国Missouri-Rolla大学提出的[9]。冰模快速成形实验系统如图5所示。
冰模快速成形技术的成型原理与熔融沉积成型技术相似，根据计算机辅助设计的CAD模型，在低温环境下（-20℃），通过分层选择性地沉积和快速冷冻水线（如图a所示）离散微滴（如图b所示），直接构建三维冰模[10]。
冰模快速成形技术的特点
（1）成型材料是绿色环保、没有污染、成本低廉、来源广泛的水及溶液，在成型过程中没有污染物排放，给工作人员的健康以及保护环境提供了便利。
（2）固态的冰融化成液态的水时体积是减小的，因而在冰模熔失时，不会像蜡模熔失那样因膨胀而破坏模壳，降低铸件精度，并且水的流动性要好于蜡，冰模脱出更彻底，不会像蜡模一样存在残留[11]。
（3）冰模快速成形不存在热积累效应。在FDM中，因为要使ABS塑料、石蜡等材料维持较好的流动性，而且为了能让层与层之间能良好地结合，必须把喷嘴中的材料加热到较高的温度，在之后的凝结固化过程中会散发较大的热量，热量的积累会影响铸件加工精度和表面光洁度。而冰模快速成形技术中，所运用的水是一种晶体材料，液态的水可以维持在仅比冰点稍高一点的温度在喷嘴中，低温的环境能很快的吸收凝固过程产生的热量，因而不会产生诸如FDM中的热积聚效应[12]。
（4）当水在低温环境下结冰时体积膨胀，并会有压应力产生，这种压应力可以通过合适的内部填充来补偿。相反，其它的FDM工艺，当材料凝固时收缩，会产生拉应力，这种收缩是比较难以补偿的。
（5）对于实体三维造型，可以先打印外壁，然后灌水充填，大大减少成型时间。
冰模快速成形技术当然也存在有一定的缺陷。因为水的特性，在配置陶瓷浆料时不能用价格低廉的水玻璃和硅溶胶，只能选用成本更高的硅酸乙酯。另外其余材料也必须耐低温且不溶于水。缺少有效的手段和仪器对冰模的精度和表面光洁度进行测量，难以有效控制冰模成型的尺寸精度[13-14]。
冰模快速成形工艺的研究在国内外都尚且处在起步阶段，研究单位主要有美国的密苏里大学，国内的清华大学和山东理工大学等。密苏里大学的M.C.Leu等人率先设计了快速冷冻成型系统，并对其中各项参数进行了研究。清华大学激光成型中心建立了自己的冰成型实验体系，包括三维运动系统、低温成型室、供水系统和喷射系统，对冰模快速成形工艺以及基于冰模快速成形工艺的熔模铸造技术进行了理论论证和实验研究，找到了可行的陶瓷浆料和工艺流程 [15]。另外山东理工大学的魏修亭等人设计并搭建了自己的冰模快速成形系统，采用压电式喷头，离散式喷射，研究确定了成型过程中的各项参数，并进行了成形过程的温度场模拟，设计了自己的制壳工艺[16]。
3 展望
近年来快速成型技术的发展速度飞快，其也越来越广泛的应用在熔模铸造中。快速成型技术的应用提高了铸造产品质量，加速了新产品的开发，大大促进了铸造技术的进步。现有的用于熔模铸造的快速成型的原料普遍存在较高成本和较高污染的弊端。因此研究开发成本低廉、成型质量高、环保无污染的成型材料，以及开发新的成型能源将是未来快速成型技术研究的一个重要方向。快速成型技术将会推动熔模铸造行业向着更加高效、高质量、更清洁的方向不断前进。
参考文献
[1]吕志刚，崔旭龙，周泽恒. 我国精密铸造业面临的挑战欲对策[J]. 特种铸造及有色合金，2011,31（3）：65-67.
[2]吕志刚. 我国熔模精密铸造的历史回顾与发展展望[J]. 铸造，2012（4），347-356.
[3]司马建高，陈军，李亚东. SLA 3D打印技术在熔模铸造中的应用[J]. 特种铸造及有色合金,2018,38(4):379-381.
[4]宗学文，刘洁，徐文博. 基于SLA的复杂零件抵押熔模快速铸造工艺[J]. 特种铸造及有色合金，2019,39(3):300-302.
[5]熊旭. 基于SLS快速熔模精铸的尺寸精度及传递规律研究[D]. 南昌: 南昌航空大学,2012.
[6]芦刚, 严青松, 李康, 等. 渗蜡工艺对快速熔模精铸原型件精度的影响规律[J].铸造技术,2013,
[7]王传洋, 陈瑶, 董渠. 选择性激光烧结聚苯乙烯拉伸强度研究[J].应用激光, 2014,34(5):377-382.
[8]刘玉满, 刘翔. 消失模空壳铸造·振动浇筑及生产实用技术[M]. 北京：化学工业出版社, 2010.10.
[9]黄天佑, 闻星火. 快速成型技术及其在铸造中的应用[J]. 铸造. 1995.
[10]莫健华. 快速成型及快速制模[M]. 北京：电子工业出版社, 2006.7.
[11]赵二团. 基于冰模的熔模铸造研究[D]. 淄博: 山东理工大学, 2008.
[12]张锡平, 姜不居, 阎双景, 等. 冰模快速成形及其在铸造中应用的研究[J]. 铸造, 2001, 50(11): 670-672.
[13]彭小波. 冰模快速成形及低温铸造技术的研究[J]. 特种铸造及有色合金, 2000(2): 7-9.
[14]李莉. 均匀液滴喷射过程的理论建模与数值模拟[D]. 西安: 西北工业大学, 2005.
[15]任荣. 冰成型工艺的试验研究[D]. 北京: 清华大学,2000.
[16]刘晓飞. 冰模快速成型工艺研究[D]. 山东理工大学，2018.
论文作者:宋秀丽,魏修亭,周俊杰,王永琪,刘晓飞
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/30
标签：快速论文; 技术论文; 精度论文; 材料论文; 工艺论文; 铸件论文; 粉末论文; 《科学与技术》2019年第10期论文;