快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping,簡稱RP)是20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的高新技術(shù)。它能使人們頭腦中的設(shè)計概念迅速變成實(shí)物。特別值得一提的是，整個產(chǎn)品開發(fā)過程不需要任何模具和工藝裝備，大大縮短樣件和新產(chǎn)品試制周期，迅速成為增強(qiáng)企業(yè)競爭力的重要手段和工具。INCAST 2004(11)發(fā)表的互聯(lián)網(wǎng)問卷調(diào)查表明，全歐 400多家精鑄廠家中，有 93%以上都曾使用過快速成形模樣，所有受訪者都認(rèn)同，采用此項(xiàng)新技術(shù)對于加速新產(chǎn)品開發(fā)和增強(qiáng)企業(yè)對市場的快速反應(yīng)能力至關(guān)重要。

　　一.常用快速成形方法在熔模鑄造中的應(yīng)用

　　快速成形技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用主要有以下幾方面：

　　1.制作熔模

　　制作模樣時，快速成形機(jī)不僅可以輸入由其它 CAD軟件建立的三維幾何模型，也可以接收由工業(yè) CT(計算機(jī)層析射線攝影技術(shù))掃描所得的數(shù)據(jù)文件。例如，首先通過 CT 對零件掃描，獲得其斷面的二維圖象。隨后，圖象處理軟件再將各斷面的二維圖象組合起來，構(gòu)成三維幾何模型。再將它傳送給快速成形機(jī)制成模樣。這種復(fù)原(逆向)工程方法不但可以將機(jī)器零件復(fù)原，而且還可以仿制某些人體器官。


　　2.制作模具(壓型)和其它工藝裝備

　　用快速成形方法制作精鑄模具有兩種方法：一種是先制成母模，再翻制環(huán)氧樹脂或硅橡膠壓型;另一種方法是將CAD 系統(tǒng)中生成的壓型型塊的三維幾何模型直接輸入快速成形機(jī)制成樹脂壓型。這類壓型主要適合小批量生產(chǎn)(幾十件) 。如果在母模表面噴涂約 2mm 厚的金屬層，并在其后充填環(huán)氧樹脂制成金屬-環(huán)氧樹脂復(fù)合壓型，可以滿足生產(chǎn)數(shù)百件精鑄件的要求。采用 SLS 法時如將加工對象由樹脂粉末換成表面帶一薄層熱固性樹脂的鋼粉，用激光燒結(jié)成壓型，再焙燒以除掉樹脂，最后將銅液滲入壓型的孔隙中。由此所得的壓型在強(qiáng)度、導(dǎo)熱等方面的性能與金屬相似。除此之外，快速成形技術(shù)還可用于制作某些形狀不規(guī)則的胎具。

　　3.直接制作鑄型澆鑄鑄件

　　20 世紀(jì) 90 年代初美國 Sandiana 國家實(shí)驗(yàn)室開展了一項(xiàng)名為快速鑄造(FastCAST)的專門研究，被命名為直接型殼鑄造法( DSPC)。遺憾的是，后來很少再見報道。
　　1994年美國Z Corporation 開發(fā)成功三維打印技術(shù) 3D Printing。該項(xiàng)技術(shù)最初由麻省理工學(xué)院Ely Sachs 教授發(fā)明并擁有專利權(quán)。其基本原理與 SLS 法相似，先用滾筒噴鋪一層耐火材料或塑料粉末。跟 SLS 不同的是，它不是驅(qū)動激光發(fā)射頭，而是驅(qū)動噴墨打印頭，按照制品的截面形狀噴射膠水‘打印’。重復(fù)以上動作，直至零件制作完成，故被命名為‘三維打印技術(shù)’。其優(yōu)點(diǎn)是，運(yùn)行費(fèi)用和材料成本低，速度快。如果噴鋪的粉末是石膏和陶瓷的混合粉末, 即可直接快速制成鑄型(石膏型)，用于澆鑄鋁、鎂、鋅等有色合金鑄件，稱之為 ZCast。

　　二.常用快速成形方法應(yīng)用效果比較

　　目前實(shí)際生產(chǎn)中較流行的快速成形方法有立體平板印刷法(SLA)、選區(qū)激光燒結(jié)法(SLS)、熔融堆積法(FDM)、層合物制造法(LOM)和直接型殼鑄造法( DSPC)等。近年來，國外不少研究機(jī)構(gòu)從制作模樣的質(zhì)量和在熔模鑄造中的表現(xiàn)等方面，對上述方法進(jìn)行了比較，結(jié)果如下:

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

　　2) 模樣表面粗糙度 模樣表面經(jīng)打磨精整后用表面粗糙度儀測量?？梢姳砻娲植诙纫?SLA 和LOM法較細(xì)，F(xiàn)DM 法最粗。

　　3) 再現(xiàn)精細(xì)部位的能力 以齒間距約3mm 的齒條為對象考察這四種方法復(fù)制精細(xì)部位的能力。結(jié)果以 SLA 最佳，F(xiàn)DM最差。

　　4) 在熔模鑄造中的表現(xiàn) 上述四種方法中，制品本身就是蠟?zāi)５姆椒?如FDM或SLS)，很容易適應(yīng)熔模鑄造工藝的要求，無疑表現(xiàn)較好。而樹脂或紙制模樣盡管也可燃燒掉，但畢竟不象蠟?zāi)Ｄ菢尤菀走m應(yīng)熔模鑄造的要求，需要不斷改進(jìn)，以趨利避害。

　　從總體看，SLA 法盡管與熔模鑄造工藝也還有某些不適應(yīng)之處，但由于制成的模樣尺寸精度和表面質(zhì)量好而倍受青睞，在國外，特別是航空航天和軍工部門的熔模鑄造企業(yè)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。SLS 法模樣質(zhì)量雖較 SLA 略遜一籌，但容易適應(yīng)熔模鑄造的工藝要求，所以，國內(nèi)熔模鑄造中應(yīng)用越來越多。FDM 法盡管最容易適應(yīng)熔模鑄造的工藝要求，但制成蠟?zāi)５某叽缇群捅砻尜|(zhì)量尚不盡如人意;而 LOM法雖模樣質(zhì)量尚可，但難以適應(yīng)熔模鑄造，因此，目前后二種方法在熔模鑄造中推廣應(yīng)用均受到一定限制。

　　三.熔模鑄造中應(yīng)用 SLA 和SLS 的新進(jìn)展

　　1.新型光固化樹脂

　　SLA法早在1987年就已商業(yè)化了，它最初是被用來制作實(shí)體模型和具有一定功能的樣件。20 世紀(jì)90年代初期，美國 3D System Inc 的QuickCast軟件開發(fā)成功，使SLA 快速成型機(jī)能夠制作出內(nèi)部呈蜂窩形結(jié)構(gòu)而外表仍保持光滑致密的精確模樣，不僅節(jié)省了 90%的制模材料，而且在焙燒型殼的時候，模樣首先向內(nèi)癱塌而不致將型殼脹裂。除此之外，人們逐步發(fā)現(xiàn)，對于制模用光固化樹脂來說，還需要滿足以下一些特殊要求:

　　粘度—— 如果樹脂粘度太大，模樣制成后內(nèi)腔中剩余的樹脂很難排盡，殘存樹脂過多，仍有可能在焙燒時將型殼脹裂，因而往往不得不采用離心分離等措施。另外，制成的模樣表面也很難擦凈。

　　殘留灰分——這也許是最重要的要求，如果型殼焙燒后殘留灰分多，將導(dǎo)致鑄件表面產(chǎn)生非金屬夾雜及其它缺陷。

　　重金屬元素含量——這對于鑄造高溫合金特別重要。例如銻在SLA 光固化樹脂中就是一種較為常見的元素，如果它出現(xiàn)在型殼焙燒后的殘灰中，就可能污染合金，甚至使鑄件報廢。

　　尺寸穩(wěn)定性——在整個操作過程中模樣尺寸都應(yīng)保持穩(wěn)定，為此，樹脂的吸濕性低也是非常重要的。

　　近年來，美國 DSM Somos 公司研制成功一種新型的光固化樹脂Somos 10120，滿足了上述主要要求，頗受精鑄生產(chǎn)廠家青睞。這種新產(chǎn)品已在三個不同精鑄廠鑄造了三種合金(鋁、鈦和鈷鉬合金)，取得了滿意的效果。

　　2.采用SLA模樣進(jìn)行小批量生產(chǎn)

　　采用 SLA 模樣小批量生產(chǎn)精鑄件需要考慮 2 個主要問題: 一是模樣和鑄件所能達(dá)到的尺寸精度，二是生產(chǎn)成本和交貨期是否具有優(yōu)勢。美國 Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等多家精鑄廠，采用 SLA 模樣鑄造了數(shù)百個鑄件，實(shí)際測量鑄件尺寸后，統(tǒng)計分析表明，采用DSM Somos 公司新開發(fā)的 11120光固化樹脂和QuickCast 技術(shù)，制成的SLA模樣，尺寸偏差不超過鑄件公差值的50%。絕大多數(shù)鑄件尺寸符合公差要求，合格率達(dá)95%以上。

　　盡管制作一個 SLA 模樣的成本要比制作相同蠟?zāi)８叩枚?，耗費(fèi)時間也要長一些，但不需要設(shè)計制造壓型，所以，在單件小批量生產(chǎn)時，在成本和交貨期方面仍具有優(yōu)勢。鑄件越復(fù)雜，這種優(yōu)勢越明顯。以Nu-Cast公司生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的航空精鑄件為例，其模具制作費(fèi)用約85000美元，每天生產(chǎn) 4個蠟?zāi)?，每個蠟?zāi)３杀举M(fèi)(含材料和人工)150美元。如果采用 SLA 法，每個 SLA 模樣成本 2846 美元，但不需要設(shè)計制造模具。由此算出，如果產(chǎn)量小于32件，采用SLA 模成本低于蠟?zāi)? 超過32 件，則成本高于蠟?zāi)?使用蠟?zāi)?，設(shè)計制造模具需耗時 14～16周，而SLA 模不需要模具。因此，如果產(chǎn)量少于 87 件，采用 SLA 模，交付鑄件比蠟?zāi)？?。但超過 87 件，則采用蠟?zāi)８?。另一個需要考慮的因素是，如果采用蠟?zāi)?，?dāng)產(chǎn)品更新?lián)Q代時，模具需要重新制作，付出代價大;而采用SLA 模樣，需要做的只是更改CAD幾何模型，比重新制作模具簡便快捷得多。

　　3.SLS燒結(jié)聚苯乙烯粉末浸蠟?zāi)?/span>

　　SLS 最初是用激光將特制的蠟粉燒結(jié)成蠟?zāi)?，很適合熔模鑄造的工藝特點(diǎn)，早在 1990年底，美國已有超過50家鑄造廠，生產(chǎn)多達(dá)約 3000個蠟?zāi)＃⒊晒﹁T出多種金屬鑄件。然而，蠟粉并不是最理想的制模材料，由它制成蠟?zāi)５膹?qiáng)度不足，氣溫高時易軟化變形，氣溫低時又容易碎斷。因此，1990 年代初期，美國一些 SLA 用戶就嘗試采用聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯(PC)等熱塑性塑料粉末代替蠟粉。此類材料制成模樣疏松多孔(孔隙率達(dá)25%以上)，減輕了脫模時脹裂型殼的危險，型殼焙燒后灰分少，但模樣表面粗糙。因此，模樣制成后需要浸蠟和手工打磨精整，使其表面光滑致密。目前這種方法已在國內(nèi)外普遍應(yīng)用。