快速成型技术及其在铸造中的应用

快速成型制造（Rapid Prototyping-RP）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。它的核心技术是计算机技术和材料技术。快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据CAD生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。
" Z" a% J6 E3 T在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是靠机械加工的办法，有时还需要钳工进行修整，费时耗资，而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的薄壁铸件，例如飞机发动机的叶片、船用螺旋浆，汽车、拖拉机的缸体、缸盖等，模具的制造更是一个老大难的问题。虽然一些大型企业的铸造厂也进口了一些数控机床、仿型铣等高级设备，但除了设备价格昂贵之外，模具加工的周期也很长，而且由于没有很好的软件系统支持，机床的编程也很困难。面对今天世界上经济市场的竞争，产品的更新换代日益加快，铸造模具加工的现状很难适应当前的形势。而快速成型制造技术的出现为解决这个问题提供了一条颇具前景的新路。
+ a2 B2 \5 t4 b9 A  _& E2.2 快速成型方法 * o6 o# [* g  q
目前世界上已投入应用的快速成型装置所采用的主要方法有以下6种：
" V, L) j* `: T$ l6 j（1）SL（Stereo Lithography）法--立体平版印刷法；
. P: I  F- Z3 m7 @& }: ~* E" j（2）SLS（Selective Laser Sintering）--激光分层烧结法； / a0 Y$ `; b9 t, G) Q* x
（3）LOM（Laminated Object Manufactu-ring）--逐层轮廊成型法；
! t+ @! s% C5 I（4）SGC（Sold Ground Curing）--光掩膜法；
* W; K/ n3 G# ^$ T6 K（5）FDM（Fused Deoposite Manufacturing）--熔化堆积法；
+ I9 I; O, p# v! A1 ]8 ?/ W! N（6）DSPC (Direct Shell Production Casting)--陶瓷壳法。 % ~* \+ o  k( \( _: f+ b' n
以上各种方法的具体工艺各有特点，但工艺的基本过程是相同的。此外，还有一些方法尚处于研究之中。在这6种方法中，SL法最成熟，也是市场的最大占有者。工艺原理图
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图1 SL工艺原理图

激光成型技术在铸造中的应用
0 N: R; y. ~& e  G9 u# S2 V- w- [  E目前，国际上激光成型技术在铸造中的应用主要有以下3个方面。 2 ]( Q3 V/ D+ Q" V
1.直接浇注铸件 % c! C" Z, D* v, t$ G: I  B
这种方法适用于形状复杂的单件生产，例如航空航天工业中的特铸件，或者是在新产品试制时先做一两个铸件供进一步试验用。具体操作是将树脂模样或者用熔模铸造方法制壳浇注铸件，或者用消失模铸造方法直接浇注铸件。在用SLS法成型时，当以石蜡粉末为原料，直接制出石蜡原型来，可以方便在浇出铸件。
/ Z( G8 `+ d0 z; Z2.用原型翻制母模后再浇注铸件 ' {  Z, N3 z8 y
对铸件数量需要较多时可以应用这种方法。它是先用硅橡胶方法、石膏型方法或自硬砂型方法等翻制母模，然后制蜡模或直接浇注成铸件。SLS法所使用的原料为石蜡、尼龙或聚碳酸酯等。用聚碳酸酯材料烧结制成的模样，在许多性能上优于石蜡，可以做许多复杂的高精度件。
' j3 s, S$ b  m' a3 ^" p  v美国克莱斯勒公司和通用机器公司应用SLS法减少新型汽车发动机零件的开发费用。克莱斯勒公司用SLS法制成蜡模，生产形状很复杂的汽车进排气管，通用机器公司也用这种方法来制造航天器上的复杂零件。美国的Rorketdyhe公司甚至用蜡和尼龙来做复杂的六缸气缸体模样，然后用熔模铸造的方法生产铸件。
9 A) M3 D* o$ u! D  n3.利用原型模样制造模具
# q0 J5 B/ ^: _2 P这个方面的应用最广泛，可用于铸件的大量生产。 ; f- s" R) A7 ^; ?* A- r
1）最直接的模具应用是在砂型铸造用的模板和芯盒上。选用适当的树脂材料制得原型模样，再进行表面喷镀，或者是用LOM法烧结陶瓷原型，然后将模样直接安装在模板、芯盒上使用。这样可以减少模具的制造周期，成本比用数控机床加工还有所降低。
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9 |- B! F& k+ S+ f! x3 Z/ x2 R图2 LOM法工艺原理示意图

美国福特汽车公司用LOM 法制造长685mm的汽车曲轴模样，先分3块做，然后再拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精度达到±0.13mm。 1 h8 X* ~; B9 |, m
2）把一些低熔点合金喷涂在原型表面，可以用作压蜡模具，也可用环氧树脂配合原型模样做成芯盒或压蜡模具。
- q+ K* i* Z0 f3）可以直接通过三维CAD系设设计出模具图形，然后用激光快速成型技术制得模具原型，再用上述各种方法直接铸造出金属模具。
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