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1、快速成形技术在铸造生产中的应用 1 快速成形技术 20世纪80年代后期发展起来的快速成形(Rapid Prototyping，简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。 2 快速成形技术原理 快速成形技术是先进制造技术的重要分支，它不仅体现在制造思想和实现方法上有了突破，更重要的是在制作零件的质量、性能、大小和制作速度等方面，也取得了很大的进展。它是建立在CAD/CAM技术、激光技术、数控技术和材料科学的基
2、础上，基于离散/堆积成形原理的成形方法。其基本原理是：任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向叠加而成，因此可先将CAD系统内三维实体模型离散成一系列平面几何信息，采用粘接、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层有选择地固化液体（或粘接固体）材料，从而快速堆积制作出所要求形状的零部件（或模样）。制造方式是不断地把材料按照需要添加在未完成的工件上，直至零件制作完毕。即所谓“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”，其实现的流程如图1所示。图1 RP的离散/堆积成形流程3 典型的快速成形技术 快速成形技术按原型的成形方式分为：立体印刷（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、叠层实体制造（LOM）、
3、融积成形（FDM）、三维印刷（3DP）等。 1 立体印刷（SLA） 立体印刷（Stereo Lithography Apparatus，简称SLA）又称之为激光立体造型或激光立体光刻。是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图如图2所示。 首先由CAD系统对准备制造的零件进行三维实体造型设计，再由专门的计算机切片软件将三维CAD模型切割成若干薄层平面图形数据。 图2所示的容器中，盛有在紫外光照射下可固化的液态树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂或丙烯酸树脂，不同树脂样件的机械特性不同
4、。立体印刷开始时，升降台通常下降到距液面不到1mm（相当于CAD模型最下一层切片的厚度）处。随后x-y激光扫描器根据第一层（即最下一层）切片的平面几何信息对液面扫描，液面这一层被激光照射到的那部分液态树脂由于光聚合作用而固化在升降台上。接着升降装置又带动升降台使其下降相当于第二层切片厚度的高度，x-y激光扫描器再按照第二层切片的平面几何信息对液面扫描，使新一层液态树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此重复进行直至整个三维零件制作完成。图2 立体光刻装置示意图 SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成形的零件精度较高，多年的研究改进了截面扫
5、描方式和树脂成形性能，使该工艺的加工精度能达到0.1mm。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、有的光固化树脂有一定的毒性等。 2 选择性激光烧结（SLS） 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS)是用二氧化碳类红外激光对已预热（或未预热）的金属粉末或者塑料粉末一层层地扫描加热，使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。 选择性激光烧结与立体印刷的生产过程相似，首先还是由CAD/CAM系统根据CAD模型各层切片的平面几何信息生成x-y激光束在各层粉末上的数控运动指令。制作过程如图3所示，随着工作台的分步下降，将粉末
6、一层一层地撒在工作台上，再用平整滚将粉末滚平、压实，每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。各层上经激光扫描加热的粉末被烧连到基体上，而未被激光扫描的粉末仍留在原处起支撑作用，直至烧结出整个零件。 SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为未烧结的粉末起到了支撑的作用。图3 选择性激光烧结示意图3 叠层实体制造（LOM） 叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，简称LOM）又名分层（或层压）实体制造，它的生产程序与前述两种方法相近，其主要
7、特点是根据CAD模型各层切片的平面几何信息对箔材（通常为纸）进行分层实体切割。如图4所示的装置由供料轴和收料轴不断传送箔材。工作时激光器发出的CO2激光束进行x-y切割运动，将铺在升降台上的一层箔材切成最下一层切片的平面轮廓。随后升降台下降一层高度，箔材供料轴和收料轴又传送新的一层箔材，铺上并用热压辊碾压使其牢固地粘在已成型的箔材上，激光束再次进行切割运动切出第二层平面轮廓，如此重复直至整个三维零件制作完成。 LOM工艺只须在箔材或者纸上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺
8、无需加支撑。图4 叠层实体制造示意图 4 融积成形（FDM） 融积成形（Fused Deposition Modeling，简称FDM），其成形材料可用铸造石蜡、尼龙（聚酯塑料）、ABS塑料及医用MABS塑料，可实现塑料零件无注塑成形制造。 FDM融积成形系统采用专用喷头，成形材料以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头直接由计算机控制沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出沉积成实体零件的一超薄层，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。整个模样从基座开始，由下而上逐层堆积生成，如图5所示。 图5 融积成形示意图 FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低，无毒无味和运行稳定可靠，适合办公室环境使用，符合环保要求。用石蜡成形的零件原型，可以直接用于熔模铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展非常迅速。