快速成型技術在熔模鑄造中的應用

發佈時間： 06 / 24 2021 作者：網站編輯訪問：13720

快速成型 (RP) 是 1990 年代開發的一項高科技。它可以快速將人們腦海中的設計理念轉化為實物。特別值得一提的是，整個產品開發過程不需要任何模具和工藝設備，大大縮短了樣機和新產品的試制週期，迅速成為提升企業競爭力的重要手段和工具。 INCAST 2004 (11) 公佈的互聯網問卷調查顯示，歐洲 93 多家熔模鑄造製造商中有 400% 以上使用了快速成型。所有受訪者都同意，使用這項新技術對於加速推出新產品至關重要。培養和提高企業對市場的快速反應能力非常重要。

快速成型技術在熔模鑄造中的應用

常用快速成型方法在熔模鑄造中的應用

快速成型技術在熔模鑄造中的應用主要包括以下幾個方面：

1. 進行投資

在製作圖案時，快速成型機不僅可以輸入其他CAD軟件建立的三維幾何模型，還可以接收工業CT（計算機斷層掃描）掃描的數據文件。例如，首先通過CT掃描零件（螺旋槳，圖12-1a），獲得其橫截面的二維圖像（圖12-1b）。隨後，圖像處理軟件將各斷面的二維圖像（圖12-1c）組合起來，形成三維幾何模型（圖12-1d）。然後送至快速成型機製作圖案（圖12-1e）[2]。這種複原（逆向）工程方法不僅可以復原機器零件，還可以模仿某些人體器官。

2.製作模具（壓縮成型）等工藝設備

快速成型製作精密鑄造模具有兩種方法：一種是先製作母模，然後再製作環氧樹脂或矽橡膠仿形；另一種方法是利用CAD系統中生成的三維仿形塊將幾何模型直接輸入快速成型機進行樹脂成型。此類仿形主要適用於小批量生產（數十件）。如果在母模表面噴塗約2mm厚的金屬層，然後填充環氧樹脂製成金屬-環氧樹脂複合型材，就可以滿足生產數百個精密鑄件的要求。例如使用SLS法時，將加工對像從樹脂粉變為表面有薄薄一層熱固性樹脂的鋼粉，激光燒結形成壓塊，然後燒製除去樹脂，最後進行銅液滲入壓塊的孔隙中。由此產生的輪廓在強度和導熱性方麵類似於金屬。此外，快速成型技術還可用於製作某些不規則形狀的模具。

3.直接生產模具鑄件

1990年代初期，美國桑迪亞納國家實驗室進行了一項名為快速鑄造（FastCAST）的專項研究，命名為直接殼型鑄造（DSPC）。不幸的是，後來很少有報導。

1994年，美國Z公司成功開發出3D打印技術3D打印。該技術最初由麻省理工學院的 Ely Sachs 教授發明並獲得專利。基本原理類似於SLS方法。首先用滾筒噴塗一層耐火材料或塑料粉末。與SLS不同的是，它不是驅動激光發射頭，而是驅動噴墨打印頭根據產品的橫截面形狀噴膠進行“打印”。重複以上動作，直到零件完成，故命名為“3D打印技術”。其優點是運行成本和材料成本低，速度快。如果噴出的粉末是石膏和陶瓷的混合粉末，可以直接快速製成鑄模（石膏模），用於鑄造鋁、鎂、鋅等有色合金鑄件，稱為ZCast（圖12-2） .

常用快速成型方法應用效果對比

目前實際生產中比較流行的快速成型方法包括三維光刻（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沈積（FDM）、層壓製造（LOM）和直接模鑄（DSPC）等。近年來，國外許多研究機構在熔模鑄造的生產模式質量和性能方面對上述方法進行了比較。結果如下：

1) SLA方法的圖案尺寸精度最高，其次是SLS和FDM，LOM方法最低[4]。
2) 圖案表面粗糙度將圖案表面打磨拋光，用表面粗糙度儀測量。結果如表12-1[4]所示。可以看出，SLA和LOM方法表面粗糙度更細，FDM方法最厚。
3）再現精細零件的能力這四種方法再現精細零件的能力以齒距約3mm的齒條為對象進行研究。因此，SLA 是最好的，而 FDM 是最差的 [4]。
4）在熔模鑄造中的性能在上述四種方法中，產品本身是一種蠟模方法（如FDM或SLS），可以輕鬆適應熔模鑄造工藝的要求，無疑表現更好。雖然樹脂或紙模也可以燃燒，但它們並不像蠟模那樣容易適應熔模鑄造的要求。需要不斷改進以避免缺點。

圖案表面粗糙度比較

測量部分	隆	SLS	FDM	SLA
水平面	1.5	5.6	14.5	0.6
斜面	2.2	4.5	11.4	6.9
垂直平面	1.7	8.2	9.5	4.6

從整體來看，SLA法雖然與熔模鑄造工藝存在一定的不兼容，但因其良好的尺寸精度和表面質量而廣受歡迎。在國外，特別是在航空航天和軍工行業，熔模鑄造企業得到廣泛應用。 SLS法雖然質量略遜於SLA，但很容易適應熔模鑄造的工藝要求。因此，越來越多的應用在國內熔模鑄造中。 FDM法雖然最容易適應熔模鑄造的工藝要求，但蠟模的尺寸精度和表面質量不盡如人意；而LOM法質量尚可，但難以適應熔模鑄造。因此，難以適應熔模鑄造。這兩種方法在熔模鑄造中的推廣應用受到一定的限制。

SLA和SLS在熔模鑄造中的應用新進展

1.新型光固化樹脂

SLA方法早在1987年就已經商業化，最初用於製作具有一定功能的物理模型和原型。 1990年代初期，美國3D System Inc的QuickCast軟件研製成功，使SLA快速成型機能夠生產蜂窩狀結構（圖12-3a），同時仍保持光滑緻密的外觀（圖12） -3b) ，不僅節省90%的成型材料，而且在燒製外殼時，圖案先向內塌陷，不會使外殼破裂。此外，人們逐漸發現，用於模具製造的光固化樹脂，還需要滿足以下特殊要求：

粘度——如果樹脂粘度太高，在製模後很難排出型腔中剩餘的樹脂。如果殘留樹脂過多，在烘烤過程中仍有可能使外殼破裂，因此往往需要離心分離。措施。此外，成品圖案的表面也難以清潔。
殘灰——這可能是最重要的要求。如果坯殼烘烤後殘留灰分，會造成鑄件表面出現非金屬夾雜物等缺陷。
·重金屬元素含量——這對於鑄造高溫合金尤為重要。例如，銻是 SLA 光固化樹脂中相對常見的元素。如果它出現在砲彈燒製後的殘灰中，可能會污染合金，甚至導致鑄件報廢。
尺寸穩定性——圖案尺寸在整個操作過程中應保持穩定。為此，樹脂的低吸濕性也很重要。

近年來，美國DSM Somos成功開發出新型光固化樹脂Somos 10120，滿足上述主要要求，頗受熔模鑄造廠商青睞。這種新產品已經在三個不同的精密鑄造廠用三種合金（鋁、鈦和鈷鉬合金）進行鑄造，取得了令人滿意的結果。

2.小批量生產使用SLA模式

使用SLA圖案的精密鑄件小批量生產需要考慮兩個主要問題：一是圖案和鑄件所能達到的尺寸精度，二是生產成本和交貨期是否具有優勢。美國的幾家精密鑄造廠，如 Solidiform、Nu-Cast、PCC 和 Uni-Cast，已經使用 SLA 模式鑄造了數百個鑄件。經過對鑄件尺寸的實測，統計分析表明，使用的是帝斯曼Somos開發的新型11120光固化樹脂。使用 QuickCast 技術，生成的 SLA 圖案的尺寸偏差不超過鑄造公差值的 50%。大多數鑄件尺寸滿足公差要求，合格率在95%以上（圖12-4）[7]。

雖然製作一個SLA模型的成本比製作同樣的蠟模要高很多，而且時間也更長，但是不需要設計和製作仿形。因此，當小批量生產單件時，成本和交貨時間仍然是優勢。鑄件越複雜，這種優勢就越明顯。以Nu-Cast生產的複雜形狀的航空精密鑄件為例（圖12-5）[7]，模具製作成本約為85,000美元，每天生產4個蠟模，每個蠟的成本模具（包括材料和人工）150 美元。如果採用SLA方式，每個SLA模型的成本為2846美元，但不需要設計和製造模具。由此計算，如果產量小於32件，使用SLA模具的成本低於蠟模；如果超過32件，成本高於蠟模（圖12-6）；使用蠟模，設計和製造模具需要14-16週，而SLA模具不需要模具。因此，如果產量低於87件，使用SLA模具，鑄件的交付速度比蠟模快（圖12-7）。但超過87件，蠟模速度更快[7]。另一個需要考慮的因素是，如果使用蠟模，當產品更新時，需要重新製作模具，成本高；而有了SLA外觀，只需更改CAD幾何模型，這比重新製作模具要容易和快捷得多。 .

3. SLS燒結聚苯乙烯粉末浸漬蠟紋

SLS最初使用激光將特殊的蠟粉燒結到蠟模中，非常適合熔模鑄造的工藝特點。早在1990年底，美國就有50多家鑄造廠，生產約3000個蠟模，並成功鑄造。生產各種金屬鑄件。然而，蠟粉並不是最理想的成型材料。用它製成的蠟模強度不足，溫度高時容易軟化變形，溫度低時容易破裂。因此，在1990年代初期，美國的一些SLA用戶試圖用聚苯乙烯（PS）或聚碳酸酯（PC）等熱塑性粉末代替蠟粉。這種材料製成疏鬆多孔的形狀（孔隙率在25%以上），降低了脫模過程中殼體膨脹開裂的風險。砲彈燒製後，灰分較少，但花紋表面粗糙。因此，圖案製作完成後，需要手工打蠟拋光，使表面光滑緻密。目前，該方法已在國內外得到廣泛應用。

轉載請保留本文出處和地址:快速成型技術在熔模鑄造中的應用

明和鑄造公司致力於製造和提供優質、高性能的鑄件（金屬壓鑄件範圍主要包括薄壁壓鑄,熱室壓鑄,冷室壓鑄),圓形服務（壓鑄服務，數控加工,模具製作，表面處理）。任何定制的鋁壓鑄件、鎂或 Zamak/鋅壓鑄件和其他鑄件要求歡迎與我們聯繫。