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快速成形技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用:制作熔模、
瀏覽: 發(fā)布日期:2017-03-27 14:32:08

  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。

  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)零件掃描,獲得其斷面的二維圖象。隨后,圖象處理軟件再將各斷面的二維圖象組合起來(lái),構(gòu)成三維幾何模型。再將它傳送給快速成形機(jī)制成模樣。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

  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)氧樹脂制成金屬-環(huán)氧樹脂復(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)象由樹脂粉末換成表面帶一薄層熱固性樹脂的鋼粉,用激光燒結(jié)成壓型,再焙燒以除掉樹脂,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)很少再見報(bào)道。
  1994年美國(guó)Z Corporation 開發(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。

  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。

  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??梢姳砻娲植诙纫?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) 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.新型光固化樹脂

  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)而外表仍保持光滑致密的精確模樣,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)于制模用光固化樹脂來(lái)說(shuō),還需要滿足以下一些特殊要求:

  粘度—— 如果樹脂粘度太大,模樣制成后內(nèi)腔中剩余的樹脂很難排盡,殘存樹脂過(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 光固化樹脂中就是一種較為常見的元素,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。

  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 公司新開發(fā)的 11120光固化樹脂和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。

  盡管制作一個(gè) SLA 模樣的成本要比制作相同蠟?zāi)8叩枚?,耗費(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,其模具制作費(fèi)用約85000美元,每天生產(chǎn) 4個(gè)蠟?zāi)?,每個(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)?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)??。但超過(guò) 87 件,則采用蠟?zāi)8臁A硪粋€(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)?/span>

  SLS 最初是用激光將特制的蠟粉燒結(jié)成蠟?zāi)?,很適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)?,并成功鑄出多種金屬鑄件。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。

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