探究快速成型技术在熔模精密铸造中的应用

摘 要：快速成形技术是20世纪80年代的一种崭新的集精密机械、数控、材料科学、激光技术和计算机辅助设计为一体的制造技术。由于其快速性和高度柔性，已经得到广泛的应用和研究。以快速成形为技术支持的快速模具制造作为缩短产品开发时间及模具制作周期的先进制造技术已成为当前的重要研究课题和制造业核心技术之一。阐述了目前快速成型技术在熔模精密铸造中的相关应用情况，并对应用过程中产生的问题展开了探讨。

关键词：快速成型；熔模铸造；激光烧结；PSB粉；

引言

社会不断向前发展的本质其实是新的事物不断出现并取代旧的事物的过程，由于新事物具有新的优点能够适应新社会的要求，因此在其与旧事物的竞争当中能够占据优势，旧事物便逐渐被时代所淘汰。经济的发展也是一样，在现如今市场竞争越来越激烈，产品的竞争已经不会仅仅局限在单个领域，越来越多的产品是多学科多领域交叉应用的结果。因此，现在的企业家们要想提高自己的产品在市场中的竞争优势，就必须提高自身产品的质量和性能。而要想提高产品质量，就必须将此产品涉及到的领域的先进成果应用于其中，这样才能提高产品生产效率、缩短产品生产周期以及降低产品的制造成本。21世纪的科技发展离不开制造业的基础背景，只有制造水平的提高才能真正促进工业体系的发展。而新型的快速成型技术的应用制造中，可以提高熔模精密铸造的质量和效率，具有天然的优势。

1 与熔模精密铸造相关的快速成型技术及其应用

现今移动互联时代的消费主导型社会中，产品更新换代的时间越来越快，一款新产品创意如果因为研制流程原因耽误6个月以上，就基本上失去了市场，所以加快新产品研发过程对于制造业企业的升级乃至生存都至关重要，快速成型技术特别适合对创新设计进行原型方案验证。

快速成型技术是上世纪八九十年代发展起来一种先进制造方式，它不同于传统耗时耗材的机械切削加工，而是一种绿色快捷的“增材”制造，通过成型机对离散型材料进行精细分层堆积叠加直接形成产品。根据企业产品类型和生成规模的不同，快速成型技术总体上可以缩短新产品研发时间30%～60%。快速成型根据成型材料和工艺的不同主要有4类，分别是光固化成型（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、叠层制造（LOM）和选择性激光烧结（SLS）。

1.1 选择性激光烧结技术

选择性激光烧结技术成型过程与零件的复杂程度无关，是真正的自由成型。SLS几乎可以成型任意几何形状的零件，对中空结构（hollowed areas）、槽中套槽（notches within notches）及悬臂结构（overhangs）等结构的零件成型特别有效。选择性激光烧结通常采用塑料、金属、陶瓷的粉末作为成型材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结（零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料），被烧结部分则固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。

1.2 选择性激光烧结采用PSB粉料在熔模精密铸造上的应用

目前，熔模精密铸造在生产结构复杂，用模具几乎无法实现产品时通常采用快速成型制作其生产所用的蜡模。采用选择性激光烧结与熔模精密铸造结合在一起解决生产难题的方法已经得到了很好的应用。烧结成的零件用毛刷及其它专用工具将零件上的浮粉清除，最后用压缩空气将残余的粉末吹掉。

激光功率的大小影响成型零件的强度和变形，激光功率高，成型零件的强度高，但激光功率过高在烧结过程中会引起变形，一般激光功率设定为12.5～15 W（实际激光功率设置参数近似为总功率百分比，所以10～20 W大致对应为20%～40%）

将零件清理干净后需要进行蜡化处理。将零件以适当位置摆放在网状平板上，将蜡熔化在70℃保温30 min待蜡温稳定后将放有零件的网状平板缓慢浸入蜡液中，等零件完全浸入蜡液中待无气泡溢出时，把零件从蜡液中取出，静置使多余的蜡析出。等零件冷却至室温后即可对零件即蜡模进行精修处理。

2快速成型技术特点

快速成型技术基本原理的特殊之处在于其基本模型的构建过程。在基本模型构建完成后，将模型三维数据传输到快速成型机中，成型机便会根据接收到的数据自动将材料堆积到一起，行程一个连续层，然后多个连续层堆叠起来形成三维实体。

2.1 快速性

由于这种新型的快速成型技术，其建模过程由计算机完成，建模后的制造过程由成型机自动完成，所有过程高度自动化。因此，快速成型技术在制造产品的过程中效率极高。

2.2 设计制造一体化

相比于传统的机械制造过程，这种新型快速成型技术无论在设计阶段还是制造阶段，都是由计算机或者智能制造机完成，整个过程衔接性好，是一个不可分割的一体化过程。

2.3 自由成形制造

自由成型制造的特殊之处在于，不会像传统制造过程一样受到特殊制造工具的制约，也不会因为零件形状的复杂而让制造过程变得繁琐甚至效率低下。

2.4 高度柔性

由于这种新型的成型技术基于计算机CAD三维成型，因此只要改变相应参数就能构建新的模型，随即投入生产即可。

2.5 材料的广泛性

快速成型技术在生产过程中可以加工多种材料，例如金属材料、塑料树脂等非金属材料、复合材料以及陶瓷材料等。

2.6 技术的高度集成

快速成型技术的发展得益于现如今计算机技术、数控技术、激光材料等的发展，只有这些相应领域高新技术的支持才能使快速成型技术拥有如此高的集成度。

2.7 加工特点

相比传统制造加工方法，新型快速成型技术拥有以下诸多优点：快速成型技术在制造拥有复杂结构和表面的零件时尤其能显现出其优势，制造产品所需准备时间短，制造过程快速高效，产品生产周期短和生产成本低；新型成型技术采用材料堆叠技术，没有传统机械加工的工具投入和消耗；新型成型技术在加工过程中产生的噪声小、污染小；新型成型技术采用机电一体化技术，可以实现无人加工；新型成型技术的加工效率比传统机械加工的效率高。

3 选择性激光烧结技术在熔模精密铸造中的应用及不足

3.1 采用选择性激光烧结技术生产的零件表面质量

因为选择性激光烧结技术的加工特点，零件是一层一层铺粉激光逐层烧结而成的，所以当零件结构坡度较小时就会有很明显的阶梯纹。假如在零件外表面浸蜡完精修后可去除阶梯纹，如果在零件内腔出现此类阶梯纹可能因为工具无法到达而无法去除，影响零件最终表面质量。

因此，如何通过数据处理软件的改进或其它方法实现零件表面质量达标是目前快速成型技术下一步发展需要解决的问题。

3.2 选择性激光烧结蜡模型壳的脱蜡方法

目前，选择性激光烧结用PSB粉制作的蜡模脱蜡方法是将阴干的型壳空架在明火上或放入高温炉内烧蚀，型壳中的蜡模熔化流出，余量分解、消失。

若空架在明火上燒型壳未完全燃烧的碳化物四处乱飘，严重影响空气质量，不符合工业绿色化发展理念；若直接将型壳直接放入高温炉内烧蚀，刚乳化的蜡液会慢慢流出炉膛，在此过程即会起火燃烧，火苗会直接窜出高温炉，直接威胁到生产安全。因此，研究新型烧结用料使之符合绿色生产、安全生产尤为迫切。

结语

总之，快速成型技术应用于熔模铸造是目前其领域解决某些生产棘手问题的一个新途径，但还不够优化，因此，进一步研发新工艺，新材料使之更符合生产规律和企业发展将是下一步研究的重点。

参考文献

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（作者单位：纽威工业材料（大丰）有限公司）