快速原型与铸造技术的集成成形制造

摘要：RP技术与铸造工艺集成产生的快速零件/模具制造技术是铸造技术、CAD技术、RP技术、CAE技术、CAM技术的集成，能够为快速制造小批量、单件模具/零件提供广阔的发展前景。文章阐述了典型的快速原型技术，并从CAD模型直接驱动铸型成形的金属零件/模具制造和CAD模型间接驱动铸型成形的金属零件/模具制造两方面探讨了RP与铸造工艺集成。

关键词：快速原型；铸造技术；集成成形制造；CAD技术；RP技术；CAE技术 文献标识码：A

中图分类号：TG249 文章编号：1009-2374（2016）10-0072-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.035

1 概述

快速原型技术（RP技术）综合了材料技术、激光技术、机械工程技术、数控技术、CAD技术等学科技术，能够精确、自动、快速、直接地将CAD模型直接制造出模具/零件，不再需要耗资、费时地进行机械加工、工具设计、模具设计，能够使产品的研发周期得以大幅度缩短，进而提高制造的柔性度和生产效率。从目前来看，机械行业通常都是利用机械加工方法来制造压型、模样、芯盒、模板等，甚至有时还需要技术熟练的钳工来帮助修整，特别是汽车缸体、飞机发动机叶片、汽车缸盖、船用螺旋桨等造型复杂的薄壁铸件更加难以制造。快速原型与铸造技术的集成成形制造为快速制造小批量、单件模具/零件提供了广阔的发展前景。本文就快速原型与铸造技术的集成成形制造进行探讨。

2 典型的快速原型技术

从目前来看，3DP、SL、SLS、FDM、LOM等技术都是全球应用较为成熟的快速成形工艺，这些工艺可分为两大类，分别是基于微滴的数字喷射成形工艺和基于激光的快速成形工艺。基于微滴的数字喷射成形工艺是指利用微滴技术来将黏结剂微滴化黏结成形或者将成形材料微滴化堆积成形，而基于激光的快速成形工艺是指利用激光技术来黏结、分离、固化、熔化可成形的材料。

2.1 典型的激光快速成形工艺

（1）DLF工艺（直接光成形工艺）——DLF工艺是一种直接金属型成形工艺，对金属粉末进行选择性烧结，而后再将其逐层叠加堆积成形，烧结所用能源为高能激光；（2）SL工艺（立体光刻工艺）——SL工艺利用紫外光或者紫外激光来固化树脂，并且使之堆积成形；（3）SGC工艺（实体轮廓固化工艺）——SGC工艺利用紫外激光来固化树脂，并且使之堆积成形，所利用的技术为掩膜版技术；（4）LENS工艺（激光近净成形工艺）——LENS工艺对金属粉末进行选择性烧结，而后再将其逐层叠加堆积成形，烧结所用能源为高能激光；（5）LOM工艺（分层实体制造工艺）——LOM工艺对金属板材、纸材等箔材利用激光切割方法来进行选择性烧结，并且将其逐层叠加堆积成形；（6）SLS工艺（选择性激光烧结工艺）——SLS工艺对树脂砂、金属粉末、塑料粉、蜡粉等粉末材料利用CO2激光来进行选择性烧结，并且将其逐层叠加堆积成形。

2.2 典型的微滴数字喷射成形工艺

（1）3DP工艺（三维印刷工艺）——3DP工艺从喷头中喷出黏结剂来将粉末材料予以黏结，并且将其逐层叠加堆积成形；（2）EFF工艺（自由挤出制造工艺）——EFF工艺对多种不同材料的混合比例进行实时调节，并且利用连续微滴技术来使之逐步堆积为梯度材料零件；（3）SDM工艺（沉积成形制造工艺）——SDM工艺是一种将熔融金属微滴堆积成形与切削去除成形相结合的直接金属型成形工艺；（4）PCM工艺（无模铸型制造工艺）——PCM工艺在砂层上不断喷射黏结剂，黏结型砂堆积成形；（5）3DW工艺（三维焊接工艺）——3DW工艺将金属丝线利用堆焊原理来进行堆积成形；（6）MJS工艺（多喷头喷射成形工艺）——MJS工艺将熔融材料利用活塞挤压方式来使之挤出喷嘴，再通过连续微滴技术来使之形成丝材堆积成形；（7）BPM工艺（弹道粒子制造工艺）——BPM工艺对熔融材料利用喷头喷射的方式来予以堆积成形，值得注意的是，所采用的喷头具有五轴自由度；（8）UDS工艺（均匀微滴喷射工艺）——UDS工艺对熔融材料利用电磁场控制的方式来予以堆积成形；（9）FDM工艺（熔融沉积制造工艺）——FDM工艺在喷头内加热尼龙、蜡、塑料等材料，并且利用细微的喷管来予以连续微滴喷出，使之形成丝材堆积成形；（10）CC工艺（轮廓成形）——CC工艺采用熔融材料浇铸和轮廓堆积结合的方式来予以堆积成形。

3 RP与铸造工艺集成

RP技术与铸造工艺集成产生的快速零件/模具制造技术，是铸造技术、CAD技术、RP技术、CAE技术、CAM技术等的集成，具有较高的技术集成度，能够在短时间之内将CAD模型转换为物理实体模型，能够有效地降低生产成本和制造周期。值得注意的是，利用这种工艺流程所制造出来的模具/零件的尺寸精度会受到较多因素的影响，其中最为主要的影响因素为金属在铸造过程中的收缩率。为了能够让成形金属模具/零件的精度更高，需要对金属的收缩率予以准确的确定。本文通过对铸件凝固过程进行数值分析，进而优化铸造工艺参数以满足零件/模具尺寸精度的技术要求。

从目前来看，国内关于铸件凝固过程的数值模拟工作主要是铸件应力场分析、铸件温度场分析以及预测铸件在凝固过程的热裂、缩松、缩孔等一系列缺陷，但仍然鲜有研究凝固过程中铸件尺寸精度的数值模拟。铸件应力场和铸件温度场在铸造凝固过程中通常都属于相互影响的状态，铸造凝固过程分析属于典型的热力耦合范畴，过去很多的研究都对热力耦合求解问题予以了简化，也没有考虑应力变形做功所造成的温度变化，并且对耦合分析计算时间予以了缩短，这种简化方式并不会影响到铸件应力场分析、铸件温度场分析以及计算铸件在凝固过程的热裂、缩松、缩孔情况，但是会对铸件尺寸精度造成影响。

将有限元模拟技术与CAD数据予以有机地结合，能够定性模拟模具/零件尺寸变化的凝固，也能够对模具/零件在凝固过程中尺寸变化规律予以有效地预测，逐步实现优化CAD模型的目的。与此同时，还能够将精密铸造、RP原型等工艺转换时所出现的尺寸误差能够在三维CAD建模时予以补偿，进而实现误差数据的补偿和反馈。此外，还能够有机地集成材料技术、激光技术、有限元模拟技术、RP技术、CAD技术等来快速制造金属模具、金属零件。由于是利用计算机控制来实现原型成型过程，所以都是通过计算机技术来完成相关的生产过程、设计过程，并且能够实现高品质原型部件的快速制造。与其他制造工艺不同，快速原型与铸造技术的集成成形制造能够利用计算机技术实时修改CAD模型来补偿尺寸收缩、尺寸精度控制、几何变形等尺寸误差，以此来确保所制造出来的零件/模具均为高品质的。

3.1 CAD模型直接驱动铸型成形的金属零件/模具制造

CAD可在不需要芯盒或者模样的情况下来直接驱动制造铸型，所选用的型壳造型材料都是各个制造企业铸造车间所通用的材料，零件模型在CAD环境下能够被直接转换为铸型。非零件部分在成形过程中需要黏结或者烧结，而零件部分在成形过程中依然是粉末。在完成了成形工序之后倾倒出粉末，即可开始对砂型、砂芯进行直接制造，这样一来，能够不再向过去传统精密铸造一样需要制作大量的泡沫塑料模、蜡型，有效地节约了时间和成本费用，尤其是对于复杂零件、小批量零件的生产极为有效。目前主要的工艺有直接壳型铸造DSPC、SLS砂型烧结和PCM无木模成形工艺。这些工艺能够实现一体化制造砂芯和铸型，也不会存在着砂芯和铸型二者之间的装配关系，特别适合复杂零件、小批量零件的生产。

CAD模型直接驱动铸型成形的金属模具/零件制造包括了冒口三维数字模型、浇口三维数字模型等，首先，能够模拟金属凝固的收缩率；其次，能够对CAD模型进行优化修改；再次，能够分层模型，能够对快速原型机予以驱动，使得铸型可被直接制造出来；最后，利用焙烧铸型等后续工艺技术处理后，就能够对金属合金予以浇铸，制造出金属模具/零件。

3.2 CAD模型间接驱动铸型成形的金属零件/模具制造

首先，将金属模具/零件的三维CAD模型设计出来，并且还需要一起设计出冒口、浇口，以便能够更好地模拟金属收缩率的凝固过程；其次，对金属收缩率的凝固过程用MARC软件来予以模拟试验，并且对零件与铸型之间的工艺参数和边界条件进行优化，以便能够更好地确定出金属的收缩率，特别是能够实现实时跟踪关键尺寸，进而有效地保障了最终设计出来的金属模具/零件的尺寸精度；最后，对CAD模型进行优化，并且用来驱动制造出所需要的铸造用模样和快速原型。

有机地结合铸造技术和快速原形技术，能够实现小批量试制金属零件的低成本、快速制造。利用BMP工艺、FDM工艺、SGC工艺、SLS工艺能够直接CAD驱动制造蜡模原型，并且将其应用于熔模铸造工艺中。例如：基于FDM原型快速制造金属模具/零件，将熔模铸造中的蜡模用FDM原型来予以代替，并且将耐火浆料直接涂挂在FDM模上；当固化耐火浆料之后，再将FDM原型予以培烧除去，待其只余下铸造用型壳之后进行铸注，特别适合应用于中小型、复杂程度居中的金属零件/模具制造生产。

快速原型技术（RP技术）也能够与陶瓷型铸造、石膏型铸造、砂型铸造等进行直接结合，制造出具有高机械强度、高硬度的金属零件/模具，而且所制造出来的原型具有高耐用性，变形、收缩小，不会出现翘曲现象，内部应力小。

4 结语

总之，快速原型与铸造技术的集成成形制造能够最大化地发挥出铸造技术和快速成型技术的优点，能够对缺陷予以预先消除，成本低、制造速度快，能够对复杂零件予以快速制造，值得推广应用。

参考文献

[1] 闻天佑，等.快速成型技术及其在铸造中的应用[J].铸造，1995，22（2）.

[2] 姜不居，等.快速金属模具制造[J].特种金属及有色合金，1999，23（1）.

[3] 颜永年，等.基于RP的早期、多回路反馈模具快速制造系统[J].中国机械工程，1999，10（9）.

作者简介：王恩禄（1972-），男，黑龙江佳木斯人，佳木斯大学液压件厂高级工程师，研究方向：金属成型。

（责任编辑：蒋建华）

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