快速成型技术及其在铸造中的应用.doc

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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，在创新设计、反求工程、快

2、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UVP公司的Charles W.

3、 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提出了薄材叠层（Laminated Object Manufactur

4、ing，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，1992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

5、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）SGC（Sold Ground Curing）-光掩膜法； （5）FDM（Fused Deoposite Manufacturing）-熔丝沉

6、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

7、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

8、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

9、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的汽

10、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

11、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为SLA工艺原理示意图,图2-2为用SLA制作的原型。2.2.2 技术特点和应用图2-1 SLA工艺原理图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

12、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

13、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

14、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LPS600A。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（S

15、LS）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

16、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上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出来了。2.3.2 工艺应用（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。直观验证设计思想和产品结构的合理性、可装备性、美观性，找出设计缺陷、完善产品设计。（2）快速铸造。利用快速成型与精密铸造相结合的快速铸造技术，可以对单件、小批量和特殊复杂零件的

17、直接生产，无需开模具。其工艺过程如流程图2-5。（3）快速模具制造。直接制造模具：如低熔点合金模、铸造芯盒；翻模成型：如用快速成型先制作塑料样件，作为模具母模用于翻制硅胶模。（4）样品制作。产品替代品，用于展示新产品，进行市场调研。a苏州科雷特公司产AFS系列 b美国3dsystems公司的vanguard 系列图2-4 SLS快速成型机外型图2-5 AFS快速铸造生产过程示意图2.3.3 常用造型材料介绍（1）精铸蜡粉（PCP1） 由化学合成法制得。具有烧结性好，变形小，预热温度低（40以下）的优点。制得的烧结成型件经简单后处理，即可作为精铸蜡模使用；采用蒸气法脱模，避免了环境污染。（2）原

18、型烧结粉 该粉末烧结性能优良，熔点较低，烧结变形小，利于加工成型，可重复使用。其烧结成型件经不同的后处理方法具有以下功能：1）结合浸树脂工艺，进一步提高其强度，可作为原型件及功能零件。2）经浸蜡后处理，做为精铸模使用，可用燃烧法方便脱除。（3）覆膜陶瓷粉（CCP1）：对陶瓷粉末经过树脂包覆制得。烧结件变形小，尺寸稳定，后处理工艺包括，脱脂及高温烧结二步，最终得到铸造用陶瓷型壳或陶瓷零件。（4）覆膜金属粉（CMP1）：对不锈钢粉末经过树脂包覆制得，烧结件变形很小，尺寸稳定。后处理工艺包括，脱脂及高温烧结处理，最终得到金属零件或注塑、压蜡用金属模具。图2-6 STP1粉烧结样件图2-7 精铸蜡粉烧

19、结件该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。2.3.4 应用实例（1）在汽车模具制造中应用。 美国德克萨斯州立大学研究的SLS技术，已由美国DTM公司商品化。目前该公司已研制出SLS2000系列第三代产品。该系统能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。近年来基于RPM技术模具制造技术已从最初的原型制造，发展到快速工模具制造,成为国内外应用研究开发的重点。基于RPM的模具制造方法可分为直接制模法和间接制模法。直接制模

20、法是直接采用RPM技术制作模具，在RPM技术诸方法中能够直接制作金属模具的是SLS法。用这种方法制造的钢制铜合金注射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩，精度难以控制。间接制模法可分为：1）软质简易模具的制作 采用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉和低熔点合金等将原型准确复制成模具，或对原型进行表面处理，用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点较低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为505000件，由于其制造成本低、周期短，特别适合于产品试制阶段的小批量生产。2）钢质模具的制作 将RPM技术与精密铸造技术相结合，可实现金属模的快速制造。或者直接制造出复形精度较高的EDM电极，用于

21、注塑模、锻模、压铸等钢制模具型腔的加工。一个中等大小、较为复杂的电极一般48h即可完成，复形精度完全满足工程要求。福特汽车公司用此技术制造汽车模具取得了满意的效果。上海交通大学也已通过RP与精密铸造结合的方法为汽车及汽车轮胎等行业生产进口替代模具计80余副。与传统机加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我国每年需进口模具达8亿多美元，主要是复杂模具和精密模具，因此，SLS技术在未来的汽车模具制造业中的应用前景十分广阔。（2）在汽车灯具制造上的应用 汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了

22、有利的参考。同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。2.4 激光薄片叠层制造（LOM）技术2.4.1 工艺原理图2-8 LOM法工艺原理示意图LOM技术是一种常用来制作模具的新型快速成形技术。其原理是先用大功率激光束切割材料薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。如图2-8，首先将需进行快速成型的产品的三维图形输入计算机的成型系统，用切片软件对该三维图形进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。单面涂有热熔胶的纸卷套在纸辊上，并跨过支撑辊绕到收纸辊上。步进电机带动授纸辊转动，使纸卷沿图中箭头方向移动一定

23、距离。工作台上升到与纸接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与基底上的前一层纸粘合。CO2激光器发射的激光束经反射镜和聚焦镜等组成的光路系统到达光学切割头，激光束跟踪零件的二维横截面轮廓数据，进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便成型过程完成后易于剥离余料。每切割完一个截面，工作台连同被切割的轮廓自动下降至一定高度，然后步进电机再次驱动收纸辊移到第二个需要切割的截面，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸模样。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。LOM技术制作冲模，其成本约比传统方法节约1/2，生产周期大大缩短。

24、用来制作复合模、薄料模、级进模等，经济效益也甚为显著。该技术在国外已经得到了广泛的使用。2.4.2 薄片叠层制造工艺的材料LOM工艺中的成型材料包括薄层材料、粘结剂和涂布工艺。薄层材料有纸、塑料薄膜、金属箔等。目前LOM成型所用薄层材料多为纸材，而粘结剂一般为热熔胶。纸材的选取，热熔胶的配制及涂布工艺均要从保证最终成型零件的质量出发，同时考虑成本。（1）成型用纸LOM成型用纸应满足一下要求：1）良好的抗湿性，保证原材料不会因时间长而吸水。2）良好的浸润性。以保证良好的涂胶性能。3）抗拉强度，保证在加热过程中不被拉断。4）收缩小，保证加热过程中不会因部分水分损失而导致变形。5）剥离性能好，防止剥

25、离时发生破坏。6）易打磨，表面光洁。7）稳定性好，成型零件可长时间保存。（2）热熔胶1）纸层之间的粘结靠热熔胶保证。热熔胶的种类很多，其中以EVA型热熔胶的应用最2）广泛，占热熔胶总量的80%。热熔胶中还要添加其它特殊的组分以满足以下要求：3）良好的热熔冷固性（室温下固化，70100开始熔化）。4）在反复的熔融-固化条件下呈现良好的物理和化学稳定性。5）在熔融状态下与纸具有良好的涂挂性和涂匀性。6）与纸具有足够的粘结强度。7）良好的废料分离性能。（3）涂布工艺涂布工艺包括涂布形式和涂布厚度。涂布形式指的是均匀式涂布还是非均匀涂布。均匀涂布采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀涂布有条纹式或颗粒式。涂布

26、厚度指的是在纸上涂多厚的胶，选择涂布厚度的原则是在保证可靠粘结的情况下，尽可能涂得薄，以减少变形、溢胶和措移。2.4.3 LOM工艺后置处理中的表面涂覆图2-9 涂覆两遍环氧树脂后原形表面形态示意图图2-10 抛光后原型表面的效果示意图LOM原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆可提高原型的强度和耐热性，改进抗湿性，延长原型寿命。表面涂覆的工艺过程如下：（1）将剥离后的原型用砂纸轻轻打磨，（2）按规定比例配制环氧树脂（TCC630/TCC115N=100：20），并混合均匀。（3）在原型上涂刷一层混合后的材料，因材料粘度低，材料会很容易浸入纸基原型中，

27、深度可达1.21.5mm。（4）再次涂覆以填充沟痕，并长时间固化。如图2-9。（5）对已经涂覆了坚硬环氧树脂的原型再次用砂纸打磨，打磨中注意确保原型的尺寸精度在要求的范围内。（6）对原型表面进行抛光，达到无划痕的质量后进行透明涂层的喷涂，以增加表面的外观效果。如图2-10。2.4.4 薄片叠层制造工艺在铸造中的应用实例某铸铁机床操作手柄，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时困难，而且不能保证精度。随着CAD/CAM技术的发展和普及，具有复杂曲面形状的手柄的设计直接在CAD/CAM软件平台上完成，借助LOM制造技术，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型铸造用木模，克服了人工制作的局限和困难，

28、极大地缩短了产品生产的周期并提高了产品的精度和质量。图2-11为铸铁手柄的CAD和LOM模型。a) b)图2-11 铸铁手柄的CAD和LOM原型a) 手炳CAD造型 b）手炳的LOM原型2.5 FDM-熔丝沉积成型法2.5.1 工艺原理图2-12 FDM工艺基本原理FDM（Fused Deposition Manufacturing）使用一个外观非常像二维平面绘图仪的装置，只是笔头被一个挤压头（喷头）代替，它可挤压出一束非常细的蜡状塑料（热塑性）或熔模铸造腊。喷头可沿X方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤

29、喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。FDM制造工艺的基本原理如图2-12所示，其过程如下：将实芯丝材原材料缠绕在供料辊上，由电动机驱动棍子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的方向送出。在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦材料制成以便丝材能顺利、准确地由供料辊送到喷头的内腔（最大送料速度为1025mm/s，推荐速度为58mm/s）。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融（熔模铸造腊丝的熔融温度为74，机加工腊丝的熔融温度为96，ABS塑料丝为270），然后通过出口涂覆在

30、工作台上，并在冷却后形成界面轮廓。由于受结构的限制，加热器的功率不可能太大，因此，丝材一般为熔点不太高的热塑性塑料或蜡料。丝材熔融沉积的层厚随喷头的运动速度（最高速度为380mm/s）而变化，通常最大层厚为0.150.25mm。图2-13 双喷头FDM工艺原理FDM工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型的FDM设备采用了双喷头，如图2-13所示。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本高，沉积效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本低，沉积效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低制作成本以外，还可以灵活

31、地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料，低于模型材料熔点的热熔材料。2.5.2 FDM的工艺特点与其它成型方法相比，FDM有如下优点：（1）系统构造简单，运行安全，维护成本低，可以使用无毒原材料。（2）用腊成型的零件原型可以直接用于熔模铸造。（3）可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有复杂内腔、孔的零件。（4）原材料在成型过程中无化学变化，制件的变形小。（5）原材料利用率高，寿命长。（6）支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。当然，FDM也存在着如下缺点：（1）成型件的表面有较明显的条纹。（2）沿成型轴垂直方向的强度比较弱。（3）需要设计和制作支撑结构。

32、（4）需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。（5）原材料价格昂贵。2.5.3 FDM工艺用材料FDM技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热融喷头外，成型材料的下列相关特性也是关键：（1）材料的粘度。粘度低，流动性好，阻力小，有助于材料的顺利挤出。（2）材料的熔融温度熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个系统的寿命。还可以减少材料挤出前后的温差，从而减少热应力，提高原型精度。（3）粘结性。粘结性决定了零件成型以后的强度。（4）收缩率。成型材料的收缩率对压力和温度都不能太敏感，否则会产生制件变形、翘曲和开裂，影响制件

33、精度。总之，FDM工艺对成型材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。成型材料主要有ABS及医学专用ABSi、MABS塑料丝、腊丝、聚丙烃树脂丝、尼龙丝及聚酰胺丝等。另外，FDM工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温（100以下即可）、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要特别好。2.5.4 FDM工艺的应用 FDM快速成型技术已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的开发、设计和制造中。目前，美国的Stratasys公司批量生产FDM工艺设备，商品名为3D Modeler。美国的Biomer公司已用该设备生产熔模铸

34、造钛合金铸件。图2-14 美国Stratasys的TITAN系列及所制作的原型2.6 DSPC工艺直接制壳生产铸件工艺 DSPC（Direct Shell Production Casting）是美国麻省理工学院开发的一项基于立体喷墨印刷技术的直接模壳铸造技术。这一技术随后授权于Soligen Inc.用于金属铸造。DSPC工艺与迄今所描述的制壳工艺有本质的不同，它允许在计算机屏幕上进行零件设计直到浇注铸件模拟。它直接利用CAD数据自动制造陶瓷型壳，而无需模具和压型，使熔模铸造省去了制作压型、压制腊模及涂料等繁杂的工序，大大缩短了生产周期。DSCP将铸造和计算机数控（CNC）的优点综合于金属零

35、件的制造工艺中。2.6.1 工艺原理DSCP主要由两大部分组成，即型壳设计部分（SDU Shell Design Unit）和型壳制造部分（SPU Shell Production Unit）。如图2-15所示。SPU将所制零件的CAD模样转换为型壳的数字化模样，显示在屏幕上。当确定好每个型壳上零件的数量、型壳壁厚以及收缩率、浇注系统等铸造参数后，计算机就能很快显示出所制铸件型壳的几何形状，并进行铸造工艺的模拟，然后将有关数据传输给SPU，并控制其工作。SPU包括一个用来盛铝矾土陶瓷粉末的料箱。该料箱装在受控于SPU、可以上下移动的活塞上。料箱上方有一个装细陶瓷粉的料斗和一个可喷粉末的喷头，还

36、有一个墨水式喷射印刷头。印刷头中装有液态粘结剂（硅溶胶）。喷头先在料箱的底层喷铺一层耐火材料粉末薄层，计算机根据SDU的数据，精确控制料箱的上下移动和印刷头的运动轨迹。印刷头以光栅形式运动。当印刷头在料箱中的耐火材料粉末表面掠过时，按计算机指令会喷出粘结剂。有粘结剂区域的耐火材料粉末粘结在一起，形成型壳的一个截面，然后工作台下降一个层的高度，喷头再喷出一层粉末，这样从底部开始，一层一层进行，最后就制成了具有整体芯的型壳。未被粘结的耐火材料粉末可以对以后的粘结层起支撑作用。然后型壳经焙烧，回收未粘结的粉末，就可以浇注金属液了。1零件的造型.（飞机发动机叶片） 2 设计浇冒口 3 创建陶瓷形壳的数

37、字模型4 从陶瓷粉末中创建型壳薄层 5液态粘结剂喷铺到粉末层 6 喷铺过程反复进行至完成型壳7 去除未粘结的粉末 8 浇注金属液图2-15 DSCP的工艺过程（1-3为SDU部分，4-8为SPU部分）图2-16 DSCP工艺生产的型壳及内芯（内芯与型壳呈整体）2.6.2 工艺应用实例DSCP工艺首先应用于金属零件的小批生产，例如复杂金属零件的母模；它更适合于生产品种单一的零件以及用于塑料模具和压铸模具。据报导，美国Soligen公司制造的DSCP设备，售价30万美元，其有效工作空间为420mm420mm420mm，每层层厚0.05mm，层分割距离为0.05mm。制模速度为5735cm3/h。制

38、模时间根据型壳的几何形状，一般为920h，每个壳的成本估计在2502500美元。Soligen公司制造的DSCP设备一开始主要用来制作喷气式发动机的零件原型和矫形植入件，以后又成功地生产出了铝合金铸件。以下为该公司生产的铝合金铸件实例。例1图2-17水冷排气总管。该件为356-T6 铝合金，内腔具有复杂型芯。生产工艺为砂型铸造。利用DSCP工艺，三个星期完成两台样机的生产，六个星期实现600台/月的批量生产规模。例2图2-18为通用公司（GM）的Restrictor plate赛车进气管。该件材质为356-T6铝合金，采用干砂型铸造方法。用DSCP工艺两个星期完成了样机的铸件生产、加工和装配工

39、作，五个星期实现了了生产量100件/星期的规模。其成功之处在于极大提高了生产效率。图2-17 水冷排气总管图2-18 Restrictor plate赛车进气管2.7 FCP（Freeze Casting Process）冷冻铸造2.7.1 发展背景冷冻铸造技术在国内外都尚处于起步阶段，有资料报道的只有美国的DURAMAX公司在1991年开始致力于冷冻铸造工艺（Freeze Casting Process）的研究，并申请了美国专利。另外，近些年有些研究者将快速成型技术（RP）和冷冻铸造技术结合起来，形成了快速冷冻工艺（Rapid Freeze Prototyping）并取得了一定的进展，具有代

40、表性的是美国的密苏里大学和中国的清华大学，他们都分别设计了自己的RFP系统并利用该系统对相关的工艺参数进行了研究。2.7.2 RFP工艺原理2.7.2.1冰模的制作无论是熔模铸造还是陶瓷型铸造，必须首先制作与铸件外形和尺寸相对应的冰模。制作冰模有两种方法，一是利用模具制作冰模（类似腊模熔模铸造中的压型），另一种是利用快速冷冻原型技术（RFP）。（1）用模具制作冰模冰模对模具的要求和腊模对压型的要求不同，水具有良好的流动能力，粘度低。所以冰模用模具必须具有良好的密封性（水不能从结构连接处渗漏），另外，水在凝固时发生膨胀，如果模具不具备一定的容让性，冰模可能在膨胀应力的作用下发生破裂。因此，冰模用

41、模具的型腔部分要用具有一定弹性的软模材料。在制作软模前，必须先要制造与铸件形状、尺寸完全对应的原型，其材料可以是金属、木材、塑料等。母模可以机械加工或快速成形的方法制作。然后利用原型制作软阴模，阴模的材料一般为硅橡胶、尿烷聚硫化物等，将具有一定流动性的材料浇入带有原型的成形框中，经过一段时间的固化后就形成阴模。然后将阴模夹持紧，再把水注入模中冷冻就可形成冰模。这种制作模具的方法比制作腊模用压型要简单（尽管需要先做原型）。（2）RFP（快速冷冻原型）制模用RFP技术制作冰模的工艺流程与FDM（熔丝沉积）类似，只是成形材料为水，并且要在冷冻环境下成形。首先在计算机中用RFP成形机可接受的软件系统对

42、冰模进行三维造型，然后用切片软件将三维图形离散成二维图形，根据成型件的二维几何模型的层片信息，在计算机精确控制下用特种喷头喷射出水滴，再在冷冻状态下逐层堆积得到冰模。RFP系统包括运动系统、喷射系统、控制系统和低温成形室。由于水是一种粘度低、流动性好的液体，为得到尺寸精度高、表面光洁的冰模，喷头必须能够喷射出足够细微的水滴。所以喷头的设计是冰成形的一个关键技术，喷嘴的直径及压力决定液滴的大小，喷头运动速度决定冰层厚度。影响成形质量的工艺参数包括：1）喷射流量/扫描速度，2）成形材料，3）喷头与成形面间的距离，4）成形环境温度，5）设备及控制系统精度。2.7.2.2造型或制壳材料冷冻冰模可以用于

43、陶瓷型和熔模铸造。相对于传统的陶瓷型和熔模铸造工艺，用冷冻冰模翻制铸型的主要区别体现在一些工序必须在低温环境中进行。造型材料必须为适应低温环境作出相应调整或重新选择。目前，较多的研究集中在熔模铸造中。以下以冷冻铸造工艺用于熔模铸造为例。2.7.2.3 粘结剂粘结剂与陶瓷粉末混合形成陶瓷浆料，使陶瓷浆料固化后具有足够强度。用于低温条件下熔模铸造的粘结剂在零度以下必须不被冻结而且有良好的流动性。另外，粘结剂不能在与冰模接触时，与冰和水相互作用，相互渗透，制作的型壳必须具有好的表面光洁度和尺寸精度并且强度足够高。有三种可供选择的粘结剂：水玻璃、硅溶胶、硅酸乙酯。显然，水玻璃和硅溶胶都不能满足低温环境

44、的要求。只有硅酸乙酯能够满足作为熔模型壳粘结剂的要求。 硅酸乙酯一般由四氯甲硅烷和乙醇直接反应制取，反应中盐酸作为副产品。反应式如下：硅酸乙酯自身没有粘结能力,必须与水经过水解反应，产生一种具有粘结作用的硅酸溶胶。参与水解的水量必须足够才能生成硅酸和乙醇，即硅酸在乙醇中的溶液。否则，会生成一种不完全水解产物有机硅聚合物（C2H5O）3SiOH），这种水解液制造的型壳容易产生缺陷。不同聚合形式的硅酸乙酯水解时需水量不同，关于水解反应需水量的计算可参阅文献7。2.7.2.4 催化剂硅酸乙酯水解后生成硅酸溶胶水解液，如不加任何调整只与耐火粉料混合，其胶凝过程往往需要几天或更长的时间，因此要加入催化剂

45、缩短胶凝时间。陶瓷浆料的胶凝时间取决于温度、水解液的成分及PH值，许多研究在这方面已取得共识。研究表明，胶凝时间极大地影响型壳或铸型的质量及制作成本。胶凝时间过长，恶化型壳或铸型的表面质量，但胶凝时间过短可导致浆料完全涂刷以前就开始硬化并引起强度下降。因此选择陶瓷浆料的成分、确定催化剂的加入量都必须保证一个适中的胶凝速度。由于当PH值在5.0-6.0或小于1时胶凝时间较短，所以酸性和碱性材料都可以作为催化剂。有关实验中常用的酸性催化剂有H2SO4、HCl、H3PO4，而常用的碱性催化剂有NaOH、Ca（OH）2、MgO、CaO、Mg（OH）2以及各种有机胺。研究表明，应用有机催化剂，型壳的强度

46、和表面光洁度优于无机催化剂。因为，无机催化剂在陶瓷型壳焙烧后依然残留在型壳中，这导致型壳高温性能的恶化，并导致裂纹和气泡的产生。2.7.2.5 分模剂陶瓷浆料中的硅酸乙酯在胶凝过程中产生的水包裹在网状结构中，水和乙醇与冰模表面相互作用，同时，水解过程是放热反应，能够促使冰模表面熔化，使型壳无法满意地复制冰模的形状，影响铸件精度和表面质量。为解决此类问题，须在冰模表面上均匀地涂刷分模剂。分模剂应满足以下要求：（1）与水和乙醇不溶、不发生反应；（2）不引起冰模熔化，（3）具有良好的低温涂覆性能，（4）无毒、无污染、来源丰富。 有人采用硅油/煤油（1：1），经低温冷冻后均匀涂覆在冰模上取得了良好的效

47、果6，也有人经过试验比较后认为十八烷的效果更好。2.7.3 RFP在铸造生产中的应用和优势冰模可以成功地替代木模用于砂型铸造，特别是当铸件非常复杂的时候。冰模的优势在于容易脱模、几乎没有形状限制、比木模砂型铸造有更好的力学性能及表面光洁度。RFP在铸造行业中最有前景的应用可能还在熔模铸造。用冰模可以代替传统的蜡模以熔模铸造的方式铸造金属零件。这种工艺可避免用传统蜡模熔模铸造所产生的问题和技术难度。例如，蜡模膨胀、陶瓷型壳开裂、对操作技能要求高等。美国的DURAMAX公司最近开发了一种用冰模（以阴模翻制）替代蜡模进行熔模铸造的冷冻铸造工艺技术，与其它具有竞争力的铸造方法相比，这种工艺显现出许多优势，包括成本低、质量高、表面光洁、不产生型壳碎裂、操作容易和生产周期短。另外，没有传统熔模铸造中脱蜡产生的烟雾和气味，没有需要处理的污染蒸压水。应用快速冷冻原型工艺，可使直接从CAD模型中短时间内制作高精度冰模成为可能。将快速冷冻原型工艺和冷冻铸造工艺结合起来，将会是一种在低成本下高质量生产中大型铸件的好方法。表2-1为几种铸造方法的比较表2-1 几种铸造方法的比较铸造方法砂型铸造熔模铸造消失模铸造冷冻铸造线尺寸误差in/10in0.100无