快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping,簡稱 RP)是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來的高新技術(shù)。它能使 人們頭腦中的設(shè)計概念迅速變成實物。特別值得一提的是， 整個產(chǎn)品開發(fā)過程不需要任何模 具和工藝裝備， 大大縮短樣件和新產(chǎn)品試制周期，迅速成為增強企業(yè)競爭力的重要手段和工 具。 INCAST 2004發(fā)表的互聯(lián)網(wǎng)問卷調(diào)查表明， 全歐 400 多家精鑄廠家中，有 93%以上都 曾使用過快速成形模樣，所有受訪者都認(rèn)同，采用此項新技術(shù)對于加速新產(chǎn)品開發(fā)和增強企 業(yè)對市場的快速反應(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，快速成形機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(計算機層析射線攝影技術(shù))掃描所得的數(shù)據(jù)文件。例如，首先通過 CT 對零件(螺 旋推進(jìn)器， 圖 1- 1a)掃描，獲得其斷面的二維圖象(圖 1- 1b)。隨后， 圖象處理軟件再將各斷 面的二維圖象組合起來(圖 1- 1c)，構(gòu)成三維幾何模型(圖 1- 1d)。再將它傳送給快速成形機制 成模樣(圖 1- 1e)。這種復(fù)原(逆向) 工程方法不但可以將機器零件復(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 法時如將加工對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 Sandiana 國家實驗室開展了一項名為快速鑄造(FastCAST)的專門 研究， 被命名為直接型殼鑄造法( DSPC)。遺憾的是，后來很少再見報道。
1994 年美國 Z Corporation 開發(fā)成功三維打印技術(shù) 3D Printing。該項技術(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)動激光發(fā)射頭，而是驅(qū)動噴墨打印頭， 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)點是， 運行費用和材料成本低， 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 (圖 2)。
二． 常用快速成形方法應(yīng)用效果比較
目前實際生產(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， 國外不少 研究機構(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量，結(jié)果見表 1?？?見表面粗糙度以 SLA 和 LOM 法較細(xì)， FDM 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， 國內(nèi) 熔模鑄造中應(yīng)用越來越多。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?精度和表面質(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，它最初是被用來制作實體模型和具有一定功能的樣件。 20 世紀(jì) 90 年代初期， 美國 3D System Inc 的 QuickCast 軟件開發(fā)成功， 使 SLA 快速成型機能 夠制作出內(nèi)部呈蜂窩形結(jié)構(gòu)(圖 3a)而外表仍保持光滑致密的精確模樣(圖3b)，不僅節(jié)省 了 90%的制模材料，而且在焙燒型殼的時候，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)， 對于制模用光固化樹脂來說， 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， 殘存樹脂過多，仍有可能在焙燒時將型殼脹裂，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 報廢。
尺寸穩(wěn)定性——在整個操作過程中模樣尺寸都應(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，美國 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 個主要問題: 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。美國 Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等 多家精鑄廠，采用 SLA 模樣鑄造了數(shù)百個鑄件，實際測量鑄件尺寸后， 統(tǒng)計分析表明， 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(圖 4)。盡管制作一個 SLA 模樣的成本要比制作相同蠟?zāi)８叩枚啵?耗費時間也要長一些，但不需 要設(shè)計制造壓型，所以，在單件小批量生產(chǎn)時， 在成本和交貨期方面仍具有優(yōu)勢。鑄件越復(fù) 雜， 這種優(yōu)勢越明顯。以 Nu-Cast 公司生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的航空精鑄件為例(圖 5) ，其模 具制作費用約 85000 美元，每天生產(chǎn) 4 個蠟?zāi)?，每個蠟?zāi)３杀举M(含材料和人工) 150 美元。 如果采用 SLA 法，每個 SLA 模樣成本 2846 美元，但不需要設(shè)計制造模具。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 32 件， 則成本高于蠟?zāi)?圖 6)；使用蠟 模， 設(shè)計制造模具需耗時 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)？?圖 7)。但超過 87 件， 則采用蠟?zāi)８臁Ａ硪粋€需要考 慮的因素是，如果采用蠟?zāi)?，?dāng)產(chǎn)品更新?lián)Q代時，模具需要重新制作，付出代價大； 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， 早在 1990 年 底， 美國已有超過 50 家鑄造廠，生產(chǎn)多達(dá)約3000 個蠟?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膹姸炔蛔悖?氣溫高時易軟化變形，氣溫低時 又容易碎斷。因此， 1990 年代初期， 美國一些 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)，減輕了脫模時脹裂型殼的危險， 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內(nèi)外普遍應(yīng)用。圖8 所示為北京某自動成型系統(tǒng)有限公司用 SLS 法燒制成的聚苯乙烯粉末浸蠟?zāi)５牟糠值湫蛯嵗?/span>
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