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快速成形技 术在熔模铸造中的应用:制作熔模、
浏览: 发布日期:2017-03-27
  快速成形技术(Rapid Prototyping,简称RP)是20 世纪90 年 代发展起来的高新技术。它能使人们头脑中 的设计概念迅速变成 实物。特别值得一提的是,整个产品开发过程不需 要任何模 具和工艺装备,大大缩短样 件和新产品试制周期,迅速成为增强企业竞争力的重要手段和工具。INCAST 2004(11)发表的 互联网问卷调查表明,全欧 400多家 精铸厂家中,有 93%以上都曾使用过快速成形 模样,所有受访者都认同, 采用此 项新技术对于加速新产品开发和 增强企业对市场的快 速反应能力至关重要。

  一.常用快速成形方法在熔模铸造中的应用

  快速成形 技术在熔模铸造中 的应用主要有以下几 方面:

  1.制作熔模

  制作模样时,快速成 形机不仅可以 输入由其它 CAD软件 建立的三维几何模 型,也可以接收由工业 CT(计算机层析射 线摄影技术)扫描所得的数据文件。例如,首先通过 CT 对零件扫描,获得其断面的二维图 象。随后,图象 处理软 件 再将各断面的二维图 象组合起来,构成三维几何模型。再将它 传送给快 速成形机制成模样。这种复原(逆向)工程方法不但可以将机器零件复原,而且还可以仿制某些人体器官。


  2.制作模具(压型)和其它工艺 装备

  用快速 成 形方法制作精铸模具有两种方法:一种是先制成 母模,再翻制环氧树脂或硅橡 胶压 型; 另一种 方法是将CAD 系统中生成的压型型块的三 维几何模型直接输入快速成形机制成树脂压 型。这类压型主要适合小批量生产(几十件) 。 如果在母模表 面喷涂约 2mm 厚的金属层,并在其后充填环氧树脂制成金属- 环氧树脂复合 压型, 可以满足生产数百件精铸件的 要求。采用 SLS 法时如将加工对象由树脂粉末换成 表面带一薄层热固性树脂 的钢粉,用激光 烧结成压型, 再焙烧以除掉树脂,最后 将铜液渗入压型 的孔隙中。由此 所得的压型在强 度、 导热 等方面的性 能与金属相似。除此之外,快速成形技术还 可用于制作某些形状不规则的胎 具。

  3.直接制作铸型浇铸铸件

  20 世纪 90 年代初美国 Sandiana 国家实验室开展了一项名为快 速铸造(FastCAST)的专门研究,被命名为直接型壳铸造法( DSPC)。遗憾的是,后来很少再见报道。
  1994年美国Z Corporation 开 发成功三维打印技 术 3D Printing。该项技 术最初由麻省理工学院Ely Sachs 教 授发明并拥有专利权。其基本原理与 SLS 法相似,先用滚筒喷铺一层耐火材料或塑料 粉末。跟 SLS 不同的是, 它不是驱动激光发射头,而是驱动 喷墨打印头,按照制 品的截面形状喷射胶水‘打印’。重复以上动作,直至 零件 制作完成,故被命名为‘三维打印技术’。其优点是,运行费用和材料 成本低,速度快。如果 喷铺的 粉末是石膏和陶瓷的混 合粉末, 即可直接快速制成铸型(石膏型),用于浇铸铝、镁、锌等有色合金铸件,称之为 ZCast。

  二. 常用快速成形方法应用效果比 较

  目前实际生产 中较流 行的 快速成 形方法有立体平板印刷法(SLA)、选区激光烧结法(SLS)、熔融堆积法(FDM)、层合物制造法(LOM)和直接型壳铸造法( DSPC)等。近年来,国外不少研究机构从制作模 样的质量和在熔模铸造中的 表现等方面, 对上述方法进行了比较,结果如下:

  1) 制成模样的尺寸精度 SLA 法最高,SLS 和 FDM次之,LOM法最低。

  2) 模样表面粗糙 度 模样 表面经打磨精整后用表面粗糙 度仪测量。可见表面粗 糙度以 SLA 和LOM法较细,FDM 法最粗。

  3) 再现精细部位的能力 以齿间距约3mm 的齿条为对象考察 这四种方法复制精细部位的能 力。结果以 SLA 最佳,FDM最差。

  4) 在熔模 铸造中的表现 上述四种方法中,制品本身就 是蜡模的 方法(如FDM或SLS),很容易适应熔 模铸造工艺的要求,无疑表现较好。而树脂或纸制模样尽管也可 燃烧掉, 但毕竟不象蜡模那样容 易适 应熔模铸造的 要求,需要不断改进,以趋利避害。

  从总体看,SLA 法 尽管与熔模铸 造工艺也还有某些不适应之处,但由于制成的模样 尺寸精度和表面质量好而倍受青睐,在国外,特别是航空航天和军工部门的熔模铸造企业应 用相当广泛。SLS 法模样质量虽较 SLA 略逊一筹, 但容易适应熔模铸造的工艺要求,所以,国内熔模铸造中应用越来越多。FDM 法尽管最容易适应熔模铸造的工艺要求, 但 制成蜡 模的尺寸精度和表面质量尚不尽如人意;而 LOM法虽模样质量尚可,但难以适应熔模 铸造,因此,目前后 二种方法在熔模铸造中推广应用均受 到一定限制。

  三.熔模 铸造中应用 SLA 和SLS 的新进展

  1. 新 型 光固化树脂

  SLA法早在1987 年 就已商业化了,它最 初是被用来 制作实体模型和具有一定功能的样件。20 世纪90年代初期,美国 3D System Inc 的QuickCast软件开发成功,使SLA 快速成型机能够制作出内部呈蜂窝 形结构而外表仍保持光滑致密的精确模样,不仅节省了 90%的制模材料,而且在焙 烧型壳的 时候,模样首先向内瘫塌而不致将型壳胀裂。除此之外,人们逐步发现,对于制模用光固化树脂 来说,还需要满 足 以下一些 特殊要求:

  粘度——  如果树脂 粘度太大,模样 制成后内腔中剩余的树脂很难排尽,残存树脂过多,仍有可能在焙烧时将型壳胀裂,因而往往不得不采 用离心分离等措施。另外,制成的模样表 面也很难擦净。

  残留灰分—— 这也许 是最重要 的要求, 如果型壳焙烧后残留灰分多,将导致铸件 表面产生非金属夹杂及其它缺陷。

  重金属元素含量——这对于铸造 高温合金特 别 重 要。例如锑在SLA 光固化树脂中就是一种较为常见的元 素, 如果它出现在型壳焙烧后的残灰中,就可能 污染合金,甚至使铸件报 废。

  尺寸稳定性——在 整 个操作过程中模样尺寸都应 保持稳定,为此,树脂的吸湿性低也是非 常重要 的。

  近年来,美国 DSM Somos 公司研制成功一种新型的光固化树脂Somos 10120,满足了上述主要要求,颇受精铸生产 厂家青睐。这种新产品已在三 个不同精铸厂铸造了三种合金(铝、钛和钴钼合金),取得了满意的效果。

  2.采用SLA模样进行 小批量生产

  采用 SLA 模样小批量生产 精铸件需要考虑 2 个主要问题: 一是模样和铸件所 能达到的尺寸精 度,二是生产成本 和交货期是否具有优势。美国 Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等多家精铸厂,采用 SLA 模样铸造了数百 个铸 件,实际 测量铸件尺寸后,统计分析表明,采用DSM Somos 公司新开发的 11120光固化树脂和QuickCast 技术,制成的SLA模样,尺寸偏差不超过铸件公差值的50%。绝大 多数铸件尺寸符合公差要求,合格率达95%以上。

  尽管制作一个 SLA 模样的 成本 要 比制作相同蜡模高得多,耗 费时 间也要长一些,但不 需要设计制造压型,所以,在单件小批量生 产时,在成本和 交货期方 面仍具有 优 势。铸件越复杂,这种优势越明显。以Nu-Cast公司生产的 形状复杂的航空精铸件为 例,其模具制作费用约85000美元,每天生产 4个蜡模,每 个蜡模成本费(含材料和人工)150美元。如果采用 SLA 法,每个 SLA 模样成本 2846 美元,但不需要设计制造 模具。由此算出,如果产量小于32件,采用SLA 模成 本低 于蜡模; 超过32 件,则 成本高于蜡模;使用蜡模,设 计制造模具 需耗时 14~16周,而SLA 模不需要模具。因此,如果产量少于 87 件,采用 SLA 模,交付 铸件比 蜡模快。但超过 87 件,则采用 蜡 模更快。另一个需要考虑的因素是,如果采用蜡模,当产品更新换代时,模具需要重新 制作,付出代价大;而采用SLA 模样,需 要 做的只是更改CAD几何模型, 比重新制作 模具简便快 捷得多。

  3.SLS 烧结聚苯乙烯粉末浸蜡模样

  SLS 最初是用激光将特制的蜡粉烧结成蜡模,很适 合熔模铸造的工艺特点,早在 1990年底,美国已有超过50家铸造厂,生产多达约 3000个蜡模,并 成 功铸出 多种金属 铸件。然而,蜡粉 并不是最理想的制模材料,由它制成蜡模的强度不足,气温高时易 软化 变 形,气温低 时又 容易碎断。因此,1990 年代初期,美国一些 SLA 用户就尝试采用聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯(PC) 等热塑性塑料粉末代替蜡 粉。此类材料制成 模样疏松多孔(孔隙率达25%以上),减轻了脱模时胀裂型壳的危险, 型 壳焙烧后灰分少,但模样表面粗糙。因此,模样制成后需要 浸蜡 和手工打磨精整,使其表面光滑致密。目前 这种方法已在国内外普遍应用。