【正文】 第 2章 快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應(yīng)用 引 言 快速成型（ Rapid PrototypingRP）技術(shù)是國際上新開發(fā)的一項(xiàng)高科技成果，簡稱快速成型技術(shù)。它的核心技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)。快速成型技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，根據(jù) CAD 生成的零件幾何信息，控制三維數(shù)控成型系統(tǒng)，通過激光束或其它方法將材料堆積而形成零件的。用這種方法成型，無需進(jìn)行費(fèi)時(shí)、耗資的模具或?qū)Ｓ霉ぞ叩脑O(shè)計(jì)和機(jī)械加工，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。 從制造原理上講，快速成型（ RP）技術(shù)一改“去除”為“堆積”的加工原理，給制造技術(shù)帶來了 革命性的飛躍式發(fā)展?；?RP 原理的快速制造技術(shù)經(jīng)十幾年的發(fā)展，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)、反求工程、快速制模各方面都有了長足的進(jìn)步。 RP 技術(shù)的應(yīng)用可大大加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短制造周期，降低開發(fā)成本。 現(xiàn)代市場(chǎng)競(jìng)爭的特點(diǎn)是多品種、小批量、短周期，要求企業(yè)對(duì)市場(chǎng)能快速響應(yīng)并不斷推出新產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，如新型電話機(jī)的市場(chǎng)壽命僅 6 個(gè)月，又如臺(tái)灣和日本摩托車行業(yè)，每三個(gè)月就推出一種新型摩托車投入市場(chǎng)，摩托車幾萬輛就需改型。二十世紀(jì)九十年代以來，在信息互聯(lián)網(wǎng)支持下，由快速設(shè)計(jì)、反求工程、快速成形、快速制模等構(gòu)成的快速制造技術(shù)取得很大進(jìn)展。 快速成形技術(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì) 70 年代末到 80 年代初，美國 3M 公司的 Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男 (1980)、美國 UVP 公司的 Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二 (1983)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了 RP 的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實(shí)體的思想。 Charles W. Hull 在 UVP 的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系統(tǒng) SLA1， 1986 年該系統(tǒng)獲得專利，這是RP 發(fā)展 的一個(gè)里程碑。同年， Charles W. Hull 和 UVP 的股東們一起建立了 3D System 公司。與此同時(shí)，其它的成形原理及相應(yīng)的成形系統(tǒng)也相繼開發(fā)成功。 1984 年 Michael Feygin提出了薄材疊層（ Laminated Object Manufacturing，以下簡稱 LOM）的方法，并于 1985年組建 Helisys 公司， 1992 年推出第一臺(tái)商業(yè)成形系統(tǒng) LOM1015。 1986 年，美國 Texas大學(xué)的研究生 C. Deckard 提出了選擇性激光燒結(jié) (Selective Laser Sintering，簡稱 SLS)的思想，稍后組建了 DTM 公司，于 1992 年開發(fā)了基于 SLS 的商業(yè)成形系統(tǒng) Sinterstation。Scott Crump 在 1988 年提出了熔融成形 (Fused Deposition Modeling，簡稱 FDM)的思想，1992 年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型 3DModeler。自從 80 年代中期 SLA 光成形技術(shù)發(fā)展以來到90 年代后期，出現(xiàn)了幾十種不同的 RP 技術(shù)，除前述幾種外，典型的還有 3DP 等。但是，SLA、 LOM、 SLS 和 FDM 四種技術(shù)，目前仍然是 RP 技術(shù)的主流。 目前世界上已投入應(yīng)用的快速成型 裝置所采用的主要方法有以下 6 種： （ 1） SLA（ Stereo Lithography）法 立體平版印刷法； （ 2） SLS（ Selective Laser Sintering） 激光分層燒結(jié)法； （ 3） LOM（ Laminated Object Manufacturing） 激光薄片疊層制造 ； （ 4） SGC（ Sold Ground Curing） 光掩膜法； （ 5） FDM（ Fused Deoposite Manufacturing） 熔絲沉積成型法； （ 6） DSPC (Direct Shell Production Casting)— 直接陶瓷殼法。 以上各種方法的具體工藝各有特點(diǎn)，但工藝的基本過程是相同的。即由設(shè)計(jì)者首先在計(jì)算機(jī)上繪制所需生產(chǎn)零件的三維模樣，用切片軟件將立體模樣切成一系列不同高度處截面的二維平面輪廓曲線，然后用快速成型機(jī)自動(dòng)形成每一截面的輪廓，并將各截面逐一疊加，組合成所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的模樣實(shí)物。上述整個(gè)過程均在一臺(tái)機(jī)器上完成，能在幾小時(shí)或幾十小時(shí)內(nèi)制造出高精度的模樣實(shí)物。此外，還有一些方法尚處于研究之中。在這 6 種方法中， SLA 法最成熟 ，也是市場(chǎng)的最大占有者。 在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是靠機(jī)械加工的辦法，有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整，費(fèi)時(shí)耗資，而且精度不高。特別是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋漿，汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等，模具的制造更是一個(gè)老大難的問題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也進(jìn)口了一些數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級(jí)設(shè)備，但除了設(shè)備價(jià)格昂貴之外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系統(tǒng)支持，機(jī)床的編程也很困難。面對(duì)今天世界上經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的競(jìng)爭，產(chǎn)品的更新?lián)Q代日益加快，鑄造模具加工的現(xiàn)狀很難 適應(yīng)當(dāng)前的形勢(shì)。而快速成型制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問題提供了一條頗具前景的新路。目前，國際上快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要有以下 3 個(gè)方面。 （ 1）直接澆注鑄件 模樣 這種方法適用于形狀復(fù)雜的單件生產(chǎn)，例如航空航天工業(yè)中的特鑄件，或者是在新產(chǎn)品試制時(shí)先做一兩個(gè)鑄件供進(jìn)一步試驗(yàn)用。具體操作是先用快速成型制作易熔模，然后將模樣或者用熔模鑄造方法制殼澆注鑄件，或者用消失模鑄造方法直接澆注鑄件。在用 SLS法成型時(shí)，當(dāng)以石蠟粉末為原料，直接制出石蠟原型來，可以方便在澆出鑄件。 （ 2） 用原型翻制母模后再澆注鑄件 對(duì) 鑄件數(shù)量需要較多時(shí)可以應(yīng)用這種方法。它是先用硅橡膠方法、石膏型方法或自硬砂型方法等翻制母模，然后制蠟?zāi)；蛑苯訚沧⒊设T件。 SLS 法所使用的原料為石蠟、尼龍或聚碳酸酯等。用聚碳酸酯材料燒結(jié)制成的模樣，在許多性能上優(yōu)于石蠟，可以做許多復(fù)雜的高精度件。 美國克萊斯勒公司和通用機(jī)器公司應(yīng)用 SLS 法減少新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的開發(fā)費(fèi)用?？巳R斯勒公司用 SLS 法制成蠟?zāi)?，生產(chǎn)形狀很復(fù)雜的汽車進(jìn)排氣管，通用機(jī)器公司也用這種方法來制造航天器上的復(fù)雜零件。美國的 Rorketdyhe 公司甚至用蠟和尼龍來做復(fù)雜的六缸氣缸體模樣，然后用熔 模鑄造的方法生產(chǎn)鑄件。 （ 3） 利用原型模樣制造模具 這個(gè)方面的應(yīng)用最廣泛，可用于鑄件的大量生產(chǎn)。 1）最直接的模具應(yīng)用是在砂型鑄造用的模板和芯盒上。選用適當(dāng)?shù)臉渲牧现频迷湍樱龠M(jìn)行表面噴鍍，或者是用 LOM 法燒結(jié)陶瓷原型，然后將模樣直接安裝在模板、芯盒上使用。這樣可以減少模具的制造周期，成本比用數(shù)控機(jī)床加工還有所降低。 美國福特汽車公司用 LOM 法制造長 685mm 的汽車曲軸模樣，先分 3 塊做，然后再拼裝成砂型鑄造用的模板，尺寸精度達(dá)到177。 。 2）把一些低熔點(diǎn)合金噴涂在原型表面，可以用作壓蠟?zāi)＞?，也可用環(huán)氧樹脂配合原型模樣做成芯盒或壓蠟?zāi)＞摺? 3）可以直接通過三維 CAD 系設(shè)設(shè)計(jì)出模具圖形，然后用激光快速成型技術(shù)制得模具原型，再用上述各種方法直接鑄造出金屬模具。 立體平板印刷 (SLA)技術(shù) 工藝原理 SLA 技術(shù)又稱光固化快速成形技術(shù)，其原理是 將所設(shè)計(jì)零件的三維計(jì)算機(jī)圖象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列很薄的模樣截面數(shù)據(jù) .然后在快速成型機(jī)上用 計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)光敏樹脂為原料的表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層（約十分