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1、第 2章 快速成型技术及其在铸造中的应用2.1 引 言快速成型( 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。从制造原理上讲，快速成型(RP)技术一改“去除”为“堆积”的加工原理，给制造 技术带来了革命性的飞跃式发展。基于RP 原理的快速制造技术经十几年的发展，在创
2、新设计、 反求工程、 快速制模各方面都有了长足的进步。 RP 技术的应用可大大加快产品开发 速度，缩短制造周期，降低开发成本。现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期，要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场，如新型电话机的市场寿命仅6 个月，又如台湾和日本摩托车行业，每三个月就推出一种新型摩托车投入市场，摩托车几万 辆就需改型。二十世纪九十年代以来，在信息互联网支持下，由快速设计、反求工程、快 速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国
3、UVP公司的Charles W. Hull(1982) 和日本 的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为 Stereolithography Apparatus (SLA) 的完整系统 SLA-1， 1986 年该系统获得专利，这是 RP发展的一个里程碑。同年， Charles W. Hull 和UVP的股东们一起建立了 3D System公 司。与此同时， 其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。 1984年 Michael Feygin 提出了
4、薄材叠层(Laminated Object Manufacturing，以下简称 LOM的方法，并于 1985年组建 Helisys 公司， 1992 年推出第一台商业成形系统LOM-1015。 1986 年，美国 Texas大学的研究生 C. Deckard 提出了选择性激光烧结 (Selective Laser Sintering ，简称 SLS) 的思想，稍后组建了 DTM公司，于1992年开发了基于 SLS的商业成形系统 Sinterstation。Scott Crump 在 1988 年提出了熔融成形 (Fused Deposition Modeling，简称 FDM)的思想，199
5、2年开发了第一台商业机型3D-Modeler。自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，除前述几种外，典型的还有3DP等。但是，SLA、LOM SLS和FDM四种技术，目前仍然是RP技术的主流。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：( 1 ) SLA( Stereo Lithography)法 - 立体平版印刷法；( 2) SLS( Selective Laser Sintering) - 激光分层烧结法；( 3) LOM( Laminated Object Manufactu-ring ) - 激光薄片叠层制造；( 4) S
6、GC( Sold Ground Curing ) - 光掩膜法；( 5) FDM( Fused Deoposite Manufacturing ) - 熔丝沉积成型法； ( 6) DSPC (Direct Shell Production Casting)直接陶瓷壳法。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。 即由设计者首先 在计算机上绘制所需生产零件的三维模样，用切片软件将立体模样切成一系列不同高度处 截面的二维平面轮廓曲线，然后用快速成型机自动形成每一截面的轮廓，并将各截面逐一 叠加，组合成所设计产品的模样实物。上述整个过程均在一台机器上完成，能在几小时或 几十小时内制
7、造出高精度的模样实物。此外，还有一些方法尚处于研究之中。在这6 种方 法中，SLA法最成熟，也是市场的最大占有者。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
8、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。目前，国际上快速成型技术在铸造中的应用主要有以下3 个方面。（ 1）直接浇注铸件模样 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。具体操作是先用快速成型制作易熔模，然后将 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。（2）用原型翻制母模后再浇注铸件 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
9、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。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。（3）利用原型模样制造模具这个方面的应用最广泛，可用于铸件的大量生产。1） 最直接的模具应用是在砂型铸造用的模板和
10、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。美国福特汽车公司用 LOM法制造长685mm勺汽车曲轴模样，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。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。3）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。2.2 立体平板印刷 （SLA） 技术2.2.1 工艺原理
11、SLA 技术又称光固化快速成形技术，其原理是将所设计零件的三维计算机图象数据转 换成一系列很薄的模样截面数据.然后在快速成型机上用计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而 固化， 形成连续的固化点 , 从而构成零件的一个薄层。 工作台下移一个层厚的距离， 以便固 化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个 原型制造完毕。 该工艺从零件的最低薄层截面开始,连续进行,一般每层厚度为 0.076-0.381mm 。最后将模样从树脂液中取出，进行最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色既可。图 2-1
12、为SLA工艺原理示意图，图2-2为用SLA制作的原型。图2-1 SLA工艺原理图2.2.2技术特点和应用 由于光聚合反应是基于光的 作用而不是基于热的作用，故在 工作时只需功率较低的激光源。 此外，因为没有热扩散，加上链 式反应能够很好地控制，能保证 聚合反应不发生在激光点之外， 因而加工精度高 ），表面质量好， 原材料的利用率接近 100%能制 造形状复杂、精细的零件，效率 高。对于尺寸较大的零件，则可 采用先分块成形然后粘接的方法 进行制作。用SLA工艺快速制成的立体树脂模可以代替腊模进行结壳，型壳焙烧时去除树脂模， 得到中空型壳，即可浇注出具有高尺寸精度和几何形状、表面光洁度较好的各种合
13、金铸件，该工艺制模速度为 7mm/h,尺寸精度为0.1%。如波音747飞机的货舱门、复杂叶轮等铸件。 再如SLA用于汽车发动机进气管试验，进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。设计过程中，需要对不同的进气管方案 做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十个截面来描述的气管木模或石膏模， 再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计 意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图， 但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。英国Rover公司使用快速成型技术生产进气管的外模
14、及内腔模，取得了令人满意的效果。SLA工艺的缺点是在液态树脂固化过程中，模样收缩后引起变形量较大，在型壳焙烧 中，因树脂模易使型壳开裂，需要用新型树脂制造尺寸精确的半空模样来克服次缺点。另 外，该法必须用腊替代每层薄截面轮廓外未固化的树脂，以便支撑下一层。这样一层层制 作，直到模样完成，然后加热去掉支撑腊，操作上很麻烦。该工艺不适合制造尺寸较厚、 较大的铸件，并且光敏树脂价格昂贵（高于黄金价格），一般民用产品难以承受。图2-2 SLA5000成型机及制作的原型美国、日本、德国、比利时等都投入了大量的人力、物力研究该技术，并不断有新产 品问世。我国西安交通大学也研制成功了立体光造型机LPS600
15、A目前，全世界有10多家工厂生产该产品。2.3选择性激光烧结（SLS技术2.3.1 工艺原理SLS技术与SLA技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描 速度和能量作用于粉末材料。以国产AFS快速成型机为例，其工艺过程如图2-3图2-3 SLS成型原理AFS激光快速自动成型机采用选区激光烧结（SLS）原理。主要由两个过程组成。（1） 信息过程（离散）。在计算机上建模的 CAD三维立体造型零件，或通过逆向工 程得到的三维实体图形文件，将其转换成STL文件格式。再用一离散（切片）软件从 STL文件离散出一系列给定厚度的有序片层。或者直接从CAD文件进行切片。这些离散的片层按次序累
16、积起来仍是所设计的零件实体形状。然后，将上述的离散（切片）数据传递到成型机中去，成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。（2）物理过程（叠加）。成型系统的主体结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体 活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。 成型过程开始，供粉缸内活塞上移一给定量， 铺粉滚筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和 能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之处粉末被烧结固化为给定厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层便制作出来。这时，成型缸活塞下移一给定量，供料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片 层同时也被烧结固化在第一层
