快速成型技术在铸造中的应用

快速成形制造技术是目前国际上成型工艺中备受关注的焦点。铸造作为一项传统的工艺，制造成本低、工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸件。充分发挥两者的特点和优势，可以在新产品试制中取得客观的经济效益。

快速成形制造技术又称为快速原型制造技术 (Rapid Prototyping Manufacturing ，简称 RPM) ，是一项高科技成果。它包括 SLS 、 SLA 、 SLM 等成型方法 , 集成了 CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的 CAD 几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件，所以又称为材料添加制造法 (Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing) 。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下几乎能够生成任意复杂形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，是目前适合我国国情的实现金属零件的单件或小批量敏捷制造的有效方法，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

快速成型技术能够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可消失熔模以及用于砂型铸造的木模或砂模，解决了传统铸造中蜡模或木模等制备周期长、投入大和难以制作曲面等复杂构件的难题。而精密铸造技术（包括石膏型铸造）和砂型铸造技术，在我国是非常成熟的技术，这两种技术的有机结合，实现了生产的低成本和高效益，达到了快速制造的目的。

RPM 技术的特点

快速成型的过程是首先生成一个产品的三维 CAD 实体模型或曲面模型文件，将其转换成特定的文件格式，再用相应的软件从文件中“切” 出设定厚度的一系列片层，或者直接从 CAD 文件切出一系列的片层。这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用材料添加法并以激光为加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末。

快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性，其特点如下：

1. 方便了设计过程和制造过程的集成，整个生产过程数字化，与 CAD 模型具有直接的关联性，零件所见即所得，可随时修改、随时制造，缓解了复杂结构零件 CAD/CAM 过程中 CAPP 的瓶颈问题。

2. 可加工传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多材质零件等，有利于新材料的设计。
 
    3. 制造复杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形机械零件时，不再需要设计制造毛坯成形模具；

4. 实现了毛坯的近净型成形，机械加工余量大大减小，避免了材料的浪费，降低了能源的消耗，有利于环保和可持续发展。
 
    5. 由于工艺准备的时间和费用大大减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本大大降低，特别适用于新产品的开发和单件小批量零件的生产。

6. 与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力

RPM 技术在铸造中的应用

1. 精密铸造

  精密铸造是所有铸造方法中最精确的一种，精度一般优于 0.5 ％，且可重复性好，铸件只需少量的机加工就可以投入使用。由于铸模是一次性使用，使得制造内部结构复杂的零件成为了可能，能生产锻造或机加工不能生产的零件。尽管精密铸造有着很多的优越性，但其生产过程复杂且冗长。压制蜡模的铝模制作，视其复杂程度和尺寸大小，一般要花几周到几个月时间。得到铝模后，还要几周时间才能得到铸件。这几周主要是用于制作型壳。除了耗时外，精密铸造还很费工， 50 ％～ 80 ％的费用都出自于人工。此外，小批量生产中的模具费用分摊至使单价昂贵。

快速成型和精密铸造是互补的，这两种方法都适用于复杂形状零件的制造。如果没有快速自动成型，铸模的生产就是精密铸造的瓶颈过程；然而没有精密铸造，快速自动成型的应用也会存在很大的局限性。快速成型技术在精密铸造中的应用，可以分为三种：一是消失成型件（模）过程，用于小批量件生产；二是直接型壳法，用于小量生产；三是快速蜡模模具制造，用于大批量生产。

图 1 ：快速蜡模模具制造流程图

2. 快速铸造

在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法，快速铸造是所有采用快速成型件做母模或过渡模来复制金属件的方法中最具吸引力的一种。这是因为铸造工艺能生产复杂形状的零件。

在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，周期长、耗资大，从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，略有失误就可能会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等，模具的制造更是一个难度非常大的过程，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍存在很大困难。

RPM 技术与传统工艺相结合，可以扬长避短，收到事半功倍的效果。利用快速成型技术直接制作蜡模，快速铸造过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图 2 为采用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万；用快速铸造方法，快速成型铸造熔模 3 天，铸造 10 天，使整个试制任务比原计划提前了 5 个月。

 
 
图 2 采用快速铸造技术生产的四缸发动机的蜡模

3. 石膏型铸造

精密铸造通常被用来从快速成型件制造钢铁件。但对低熔点金属件，如铝镁合金件、石膏型铸造，效率更高。同时铸件质量能得到有效的保证，铸造成功率较高。在石膏型铸造过程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。

石膏型铸造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再将快速成型消失模埋在石膏浆体中得到石膏模，再将石膏模放进培烧炉内培烧。这样将快速成型消失模通过高温分解，最终完全消失干净，同时石膏模干燥硬化，这个过程一般要两天左右。最后在专门的真空浇铸设备内将熔溶的金属铝合金注入石膏模，冷却后，破碎石膏模就得到金属件了。这种生产金属件的方法成本很低，一般只有压铸模生产的 2 ％～ 5 ％。生产周期很短，一般只需 2 ～ 3 周。石膏型铸件的性能也可与精铸件相比，由于是在真空环境完成浇注，所以性能甚至更优于普通精密铸造