本文探討了激光快速成型和傳統精密鑄造技術的組合應用。

　　介紹了激光快速成型技術的起源和發展，通過精密鑄件生產過程質量問題分析和解決方案論述，系統闡述了快速成型蠟模尺寸控制、蠟模變形控制、表面質量控制的要點，對激光快速成型與精鑄結合技術在復雜、薄壁、大型精密型號產品領域的應用做出了探索性的研究。

　　1 引言

　　快速自動成型(Rapid Prototyping)技術是近年來發展起來的直接根據CAD模型快速生產樣件或零件的成組技術總稱。該技術解決了計算機輔助設計(CAD)中三維造型的“看得見，摸不著”的問題，能將屏幕上的幾何圖形快速自動實體化。它集成了CAD技術、數控技術、激光技術和材料技術等現代化科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。其本質是用積分法制造三維實體，將計算機中儲存的任意三維型體信息傳遞給成型機，通過材料逐層添加法直接制造出來，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。

　　2 國內外動態和發展趨向

　　美國在發展快速自動成型技術方面，一直處于領先地位，一些著名的高校如麻省理工學院、得克薩斯大學和一批研究機構從政府和工業界取得了大筆開發、研究經費，用于這項技術的進一步研究。各大公司紛紛購入成型機，以滿足爭分奪秒的市場需求。日本、德國、英國等都在研究新的成型技術，開發新產品。現已有2500 多套快速成型機分布在世界各地的不同領域。

　　自從快速自動成型問世后，國外就很重視其與傳統精密鑄造技術相結合，繼而產生了快速鑄造。快速成型技術在熔模精密鑄造中的應用可以分為三種：一是消失成型件(模)過程，用于小量件生產;二是直接型殼法，也用于小量件生產;三是快速蠟模模具制造，用于大批量生產。這三種方法與傳統精密鑄造相比，解決了傳統方法的蠟模制造瓶頸問題，其流程示意如圖1。

　　傳統過程 快速成型消失模 快速成型陶瓷模

圖1 快速鑄造流程示意圖

　　國內目前主要有北京隆源、華北工學院、華中理工大學等在進行快速成型設備生產與工藝研究。使用快速自動成型技術生產精鑄用蠟模的廠家主要有航空部材料研究所、北京鋼鐵研究總院、西安航天發動機廠等，取得了良好的經濟效益。目前，該項技術已經應用于航空、航天、機械、化工、醫藥等行業。

　　我公司選用的是北京隆源快速成型公司生產的AFS-320MZ設備。該設備采用固態粉末材料逐層選區激光燒結技術，目前主要是與公司現有的精密鑄造工藝相結合，生產用于熔模鑄造的蠟模。

　　3 蠟模的激光快速成型

　　我公司在引進快速成型技術前，采用圖1 所示的傳統精鑄工藝生產。對于新產品的研制，生產周期相當長，其中壓型的設計及生產又占據了較長的時間。如圖2 所示的支架類零件，其形狀并不復雜，如果采用設計壓型進行生產，其模具的設計、生產周期約需2～3 個月，模具投入生產到得到鑄件還需半個月的時間。而快速成型設備恰好具備這方面的優勢，利用其特點，3 天內可以得到零件蠟模樣件，再花半個月即可得到鑄件。

圖2 支架類零件圖

　　使用激光快速成型設備制作蠟模，最關鍵是要控制蠟模的尺寸和變形，同時盡可能地提高蠟模的表面質量。

　　3.1 蠟模尺寸控制

　　我公司現使用Pro_Engineer 進行三維造型，并將其轉換成STL 文件格式;再使用Magics RP 軟件導入該STL 文件，合理放置后進行切片處理，導出CLI格式文件;然后使用隆源公司的ARPS 軟件將其轉換為設備使用的AFI 文件;最后導入快速成型設備進行生產。

　　要控制蠟模尺寸，先需根據合金收縮率、模殼膨脹系數、工藝方案給出蠟模X、Y、Z 方向上的線收縮率。該收縮率確定后，可以在Magics RP 軟件對零件處理時首先進行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟模，繼而獲得鑄件。通過對鑄件尺寸的測定反過來可再次對蠟模尺寸進行協調，最終獲得合格的蠟模和鑄件。例如某鑄鋼件，按最初的工藝方案生產，設定其綜合收縮率為2%，經過對鑄件的實際測量，其綜合收縮率變為1.7%，只需在Magics RP 軟件下，對模型的放縮進行調整即可校正蠟模尺寸。如果采用壓型生產，該收縮率的調整將可能導致其報廢，除造成成本大幅提高，其生產周期至少耽誤半年以上。

　　對于鑄件生產過程中存在阻礙收縮等非自由收縮情況，導致鑄件非線性收縮嚴重，繼而影響到鑄件尺寸精度時，我們可以在使用Pro/Engineer 進行三維造型時考慮，直接根據其收縮關系繪出實際使用的蠟模尺寸，最終獲得合格的鑄件。

　　3.2 蠟模變形控制

　　如何有效地控制蠟模的變形，需要先了解激光選區的燒結原理。北京隆源選區激光燒結成型系統的主體結構是：在一封閉成型室中裝有兩個活塞筒，一個用于供粉，另一個用于成型。加工開始時，供粉活塞上移一定量，鋪粉滾筒將粉均勻地鋪在加工平面上，激光束在計算機的控制下，透過激光窗口以一定的速度和能量密度掃描，激光束掃過之處，粉末燒結成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離與設計零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定量。鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后，激光束開始依照設計零件第二層的信息掃描。激光掃過之后，所形成的第二個片層同時也燒結在第一層上。如此反復，一個三維實體就制造出來了。如圖3所示。

圖3 激光選區燒結原理

　　選區激光燒結成型與其它許多快速成型方法不同，不需要先搭支架。在激光燒結前未燒結的松散的粉末作了自然支架。這對含懸臂結構(Overhangs)、中

　　空結構(hollowed areas)、和槽中套槽(nothces withinnotches)結構的零件制造很有效。對這些松散的粉末進行加熱處理可以使之粘結，加熱溫度越高其板結程度越高，其對零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件(蠟模)變形;但加熱溫度越高，未燒結粉末越板結，蠟模清理就越困難;因此，我們需要采取多種措施來防止蠟模的變形。以下是幾個典型零件的示例。

　　3.2.1 支座

　　支座示意圖如圖4。從剖視圖上可以看出，該零件壁厚差別大，按0.2mm 一層切片，激光功率22.5W。燒結制造的蠟模薄壁和厚壁交接處沿圓周方向有一圈縮陷，沿零件軸線方向約10mm，中間縮陷最深處約1.2mm。其產生原因是由于該處壁厚差別大，有熱節，粉末燒結收縮不勻造成。因此，我們對蠟模的三維原型進行了鏤空處理，同時在懸空凸臺部位加上一些支撐薄片，防止變形，如圖5 所示。

　　從圖5 可以看出，鏤空后的三維原型壁厚4mm均勻。然后使用原參數對該模型進行切片、激光選區燒結，獲得的蠟模無縮陷，強度能滿足后續工作要求。并且該鏤空及壁厚均勻化處理極大地縮小了蠟模的截面積，使激光選區燒結的時間從原來的8.5h 減少到現在的4.5h，縮短了約一半的激光燒結時間;同時，由于蠟模內部PSB 粉料未曾燒結，鉆孔倒出后可節約大量粉料，而且蠟模鏤空后還能縮短浸蠟時間。綜上所述，該零件蠟模鏤空處理后可極大地降低原材料成本、生產成本，同時由于蠟模重量的減輕可降低后續工作的勞動強度。

　　3.2.2 盒子

　　盒子示意圖如圖6。該零件最小壁厚2mm，最大輪廓尺寸大于400mm。考慮到薄壁大平面易變形問題，采用了加筋工藝，同時零件尺寸超出了設備成型缸的尺寸，只有采取分塊燒結最后組合的工藝方案。為了最大可能地保證蠟模尺寸精度，采用了以下方案。

圖6 盒子示意圖

　　如圖7 所示，切除該零件四個耳片，保證其主要結構尺寸，切除后零件尺寸滿足設備生產要求。然后設定切層厚度0.15mm，激光功率25W，粉末表面加熱溫度95℃。從激光燒結的角度來說，選區燒結激光束按X、Y 方向交替掃描，旋轉45°后同樣能量的激光通過掃描器后燒結的長度變短，作用于單位面積上能量提高，有利于提高燒結原型強度。

圖7 工藝圖

　　3.2.3 多通零件

　　多通零件示意圖如圖8。該零件兩個發蘭角度要求很高，通過加筋不能防止變形，最后采用反變形法，將兩發蘭的角度人為增加，蠟模加工完后，測量角度剛好在公差范圍內，同時在懸空的發蘭和彎管處加支撐薄片，防止變形。

圖8 多通零件示意圖

　　以上是幾種典型的變形現象，加以歸納總結，我們可以將其運用于其它零件，減少失誤，增大模型燒結的一次成功率。

　　3.3 蠟模表面質量控制

　　快速成型機制出蠟模原型后，首先要把附在原型上未燒結的粉末清理干凈，然后浸蠟，把蠟模原型放入65～70℃的蠟液中，浸透，待無氣泡溢出后，再把蠟模取出，靜置，使多余蠟析出。待蠟模冷卻至室溫，再進行精整處理后就能得到表面光滑的蠟模。

　　4 快速成型蠟模與精鑄工藝結合

　　對精鑄工藝而言，蠟模用于后續工序的有蠟模組合、涂料、脫蠟。激光快速成型蠟模要滿足精鑄工藝生產，就必須在以上三方面達到其使用要求。

　　4.1 模組組合

　　激光成型蠟模制好后，需要按工藝要求進行澆冒口組合。根據我們的試驗，使用車間現有的中溫蠟料即可對激光成型蠟模進行修補、組合、粘接，兩者的粘合強度足以滿足制殼的強度需求。因此，根據成本、機加、生產周期考慮，澆冒口一般選用車間現有澆注系統。由于澆冒口形狀簡單，即使車間澆注系統不合適，加工其壓型也很方便、快捷。

　　4.2 模組涂料制殼

　　經過試驗，快速成型蠟模的涂掛性很好，完全可以利用原有工藝進行涂料配制，模組涂掛制殼，面層硅溶膠+鋯英粉涂料，加強層硅酸乙酯+煤矸石涂料。

　　4.3 脫蠟

　　由于快速成型蠟模的熔化溫度高，不能使用蒸氣脫蠟工藝，為此設計了專用工藝，首先利用車間現有的坭芯烘烤爐脫去模組中的中溫蠟料制作的澆冒口，然后將模殼裝入一自制的簡易工裝，放入井式電阻爐，在開放的環境中對其進行烘烤，脫掉快速成型蠟模。通過脫蠟后的目視檢查，同時參考澆注后的鑄件表面質量，發現脫模(烘烤)后快速成型蠟模基本能夠揮發干凈，其殘留物對最終鑄件沒有影響。

　　4.4 模殼焙燒、澆注、鑄件清理

　　模殼焙燒、澆注、鑄件清理和原精鑄工序相同。

　　5 結束語

　　通過開展激光快速成型技術研究，對一些任務緊、時間急的單件小批量熔模精密鑄件的生產，能比傳統的精密鑄件生產周期減少60%，大大節省成本。目前已成功運用于多種型號航天產品中。

　　快速自動成型技術與鑄造車間現有的精密鑄造工藝相結合，使鑄造車間自己有能力快速生產各類大尺寸、結構復雜熔模精密鑄件所用蠟模，減少大量外協費用，同時對于單件、小批量熔模精密鑄件的生產可以不用模具，從而節省大量模具加工費用，大大縮短生產周期，為新產品研制和開發獲得了大量寶貴時間，降低了生產成本，而且也使鑄造車間精密鑄造水平有所提高，為確保后續型號產品中精密鑄件生產任務的順利完成打下良好的基礎。

　　參考文獻

　　1 宗貴升. 快速自動成型技術(二)—材料添加法制造零部件. CAD/CAM，1995.9：22～27

　　2 吳傳寶等. 高分子材料選區激光燒結翹曲的研究. 華中科技大學學報，2002.8：107～109

　　3 張建華等. 模具型腔的一種快速制造方法. 機械科學與技術，2001.5：419～420

　　作者簡介

　　彭艷鋒(1977-)，女(土家族)，湖北人，碩士，工程師，材料學專業;研究方向：快速成型、精密鑄造。