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1 快速成形技術

20世紀80年代后期發展起來的快速成形(Rapid Prototyping，簡稱RP)技術，被認為是近年來制造技術領域的一次重大突破，其對制造業的影響可與數控技術的出現相媲美。快速成形技術是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術，是集計算機、數控、激光和新材料等最新技術而發展起來的先進的產品研究與開發技術。

2 快速成形技術原理

快速成形技術是先進制造技術的重要分支，它不僅體現在制造思想和實現方法上有了突破，更重要的是在制作零件的質量、性能、大小和制作速度等方面，也取得了很大的進展。它是建立在CAD/CAM技術、激光技術、數控技術和材料科學的基礎上，基于離散/堆積成形原理的成形方法。其基本原理是：任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標方向疊加而成，因此可先將CAD系統內三維實體模型離散成一系列平面幾何信息，采用粘接、熔結、聚合作用或化學反應等手段，逐層有選擇地固化液體(或粘接固體)材料，從而快速堆積制作出所要求形狀的零部件(或模樣)。制造方式是不斷地把材料按照需要添加在未完成的工件上，直至零件制作完畢。即所謂“使材料生長而不是去掉材料的制造過程”，其實現的流程如圖1所示。

圖1 RP的離散/堆積成形流程

3 典型的快速成形技術

快速成形技術按原型的成形方式分為：立體印刷(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、疊層實體制造(LOM)、融積成形(FDM)、三維印刷(3DP)等。

1 立體印刷(SLA) 立體印刷(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)又稱之為激光立體造型或激光立體光刻。是基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作的，這種液態材料在一定波長和強度的紫外光的照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態轉變成固態。SLA工作原理圖如圖2所示。

首先由CAD系統對準備制造的零件進行三維實體造型設計，再由專門的計算機切片軟件將三維CAD模型切割成若干薄層平面圖形數據。

圖2所示的容器中，盛有在紫外光照射下可固化的液態樹脂，如環氧樹脂、乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂，不同樹脂樣件的機械特性不同。立體印刷開始時，升降臺通常下降到距液面不到1mm(相當于CAD模型最下一層切片的厚度)處。隨后x-y激光掃描器根據第一層(即最下一層)切片的平面幾何信息對液面掃描，液面這一層被激光照射到的那部分液態樹脂由于光聚合作用而固化在升降臺上。接著升降裝置又帶動升降臺使其下降相當于第二層切片厚度的高度，x-y激光掃描器再按照第二層切片的平面幾何信息對液面掃描，使新一層液態樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上，如此重復進行直至整個三維零件制作完成。

圖2 立體光刻裝置示意圖

SLA方法是目前快速成形技術領域中研究得最多的方法，也是技術上最為成熟的方法。SLA工藝成形的零件精度較高，多年的研究改進了截面掃描方式和樹脂成形性能，使該工藝的加工精度能達到0.1mm。但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、有的光固化樹脂有一定的毒性等。

2 選擇性激光燒結(SLS) 選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)是用二氧化碳類紅外激光對已預熱(或未預熱)的金屬粉末或者塑料粉末一層層地掃描加熱，使其達到燒結溫度，最后燒結出由金屬或塑料制成的立體結構。

選擇性激光燒結與立體印刷的生產過程相似，首先還是由CAD/CAM系統根據CAD模型各層切片的平面幾何信息生成x-y激光束在各層粉末上的數控運動指令。制作過程如圖3所示，隨著工作臺的分步下降，將粉末一層一層地撒在工作臺上，再用平整滾將粉末滾平、壓實，每層粉末的厚度均對應于CAD模型的切片厚度。各層上經激光掃描加熱的粉末被燒連到基體上，而未被激光掃描的粉末仍留在原處起支撐作用，直至燒結出整個零件。

SLS工藝的特點是材料適應面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件，特別是可以制造金屬零件，這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐，因為未燒結的粉末起到了支撐的作用。

圖3 選擇性激光燒結示意圖

3 疊層實體制造(LOM) 疊層實體制造(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)又名分層(或層壓)實體制造，它的生產程序與前述兩種方法相近，其主要特點是根據CAD模型各層切片的平面幾何信息對箔材(通常為紙)進行分層實體切割。如圖4所示的裝置由供料軸和收料軸不斷傳送箔材。工作時激光器發出的CO2激光束進行x-y切割運動，將鋪在升降臺上的一層箔材切成最下一層切片的平面輪廓。隨后升降臺下降一層高度，箔材供料軸和收料軸又傳送新的一層箔材，鋪上并用熱壓輥碾壓使其牢固地粘在已成型的箔材上，激光束再次進行切割運動切出第二層平面輪廓，如此重復直至整個三維零件制作完成。

LOM工藝只須在箔材或者紙上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此成形厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需加支撐。

圖4 疊層實體制造示意圖

4 融積成形(FDM) 融積成形(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)，其成形材料可用鑄造石蠟、尼龍(聚酯塑料)、ABS塑料及醫用MABS塑料，可實現塑料零件無注塑成形制造。

FDM融積成形系統采用專用噴頭，成形材料以絲狀供料，材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭直接由計算機控制沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出沉積成實體零件的一超薄層，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結。整個模樣從基座開始，由下而上逐層堆積生成，如圖5所示。

圖5 融積成形示意圖

FDM工藝不用激光器件，因此使用、維護簡單，成本較低，無毒無味和運行穩定可靠，適合辦公室環境使用，符合環保要求。用石蠟成形的零件原型，可以直接用于熔模鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用。由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成形工藝具有一些顯著優點，該類工藝發展非常迅速。

5 三維印刷(3DP) 三維印刷(Three Dimension Printing，簡稱3DP)工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘結劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，如圖6所示。用粘結劑粘接的零件強度較低，還須后處理。先燒掉粘結劑，然后在高溫下滲入金屬，使零件致密化，提高強度。

圖6 三維印刷示意圖

該工藝已被美國的Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名義商品化，用以制造鑄造用的陶瓷殼體和芯子。

4 快速成形技術在鑄造上的應用

快速成形與鑄造相結合的產物是快速鑄造技術(Quick Casting，簡稱QC)，這種快速鑄造使得多種材料、任何形狀復雜、內部結構精細的鑄件都能生產出來，產品開發周期短、精度高，大大地提高了企業獲取訂單的競爭力，RP為實現鑄造的短周期、多品種、低成本、高精度提供了一個快速響應技術，顯示出了強大的生命力和巨大的應用潛力。快速成形技術在鑄造上的應用如圖7所示。

圖7 快速成形技術在鑄造上的應用

1 直接鑄造法  直接鑄造法主要是指由RP技術直接一步成形鑄造用的型殼、型芯，型殼、型芯經處理后，即可進行金屬澆注，鑄造出金屬零件。由于從原型到金屬零件不經過造型轉化，故稱直接鑄造法。該類工藝方法一般用于單件、復雜零件的制造。

(1)直接殼型鑄造：直接殼型鑄造是利用激光選擇性燒結對以反應性樹脂包覆的陶瓷粉進行燒結，可以一步制成鑄造用的型殼、型芯的方法。在CAD環境中，直接將零件模樣轉換為殼型，再配以澆注系統。型殼的厚度可取5～10mm，燒結過程中，非零件部分進行燒結，零件部分仍是粉末。燒結完成后將粉末倒出，再經固化處理就獲得鑄造用的型殼，進行澆注后即可制得金屬零件。用此方法，省去傳統精密鑄造多種工藝過程，是傳統鑄造的重大變革。它的最大優點是速度快，不需要任何模具，甚至不需畫圖，設計工程師通過計算機網絡將資料送到鑄造車間的系統中便可完成型殼的設計與制作。該工藝的不足之處主要是零件表面粗糙度值較高。其關鍵技術是型殼厚度、型殼表面粗糙度及固化處理工藝。

近幾年開發研制的激光快速自動成形系統，還可以利用鑄造覆膜砂直接進行選擇性激光燒結，制作鑄造殼型和殼芯，使這一技術在鑄造上的應用得到更進一步的發展。

(2)直接制模鑄造：直接制模鑄造(Direct Shell Production Casting，縮寫為DSPC)，其成形方法不是采用激光進行選擇性燒結，而是采用粘結劑進行選擇性粘接。把CAD模型轉換成模殼，然后以類似于熔模鑄造的工藝，制造出金屬零件。從設計到成品零件出廠前后只要10天，是金屬零件設計和制造上的一個突破。

直接制模鑄造來源于三維印刷快速成形技術，生產過程如圖8所示。

圖8 直接制模鑄造的過程
a) CAD 設計好的零件模型 b) 模殼設計裝置構造模殼設計 c) 模殼制造裝置上表面沉積薄層陶瓷粉 d) 噴墨頭噴射微滴粘結劑
e) 過程重復出所有的薄層 f) 取走模殼處的疏松粉 g) 燃燒模殼注入熔融金屬 h) 分開模殼露出完成的零件

1)將工件原形CAD模型輸入型殼設計裝置，生成用于澆注鑄件的殼型的電子模樣(包括鑄件收縮余量、鑄造圓角、加工余量、殼型型腔數目、澆注系統等)，進行充型凝固模擬，預測鑄造時可能出現的各種問題，完善模型并確定殼型和殼芯的厚度等尺寸，以確定所需制殼材料的重量等參數，如圖8a、b所示。

2)把電子模樣輸至模殼制造裝置，由電子模樣制成固體的三維陶瓷模殼。

① 在模殼制造裝置上表面沉積一層薄薄的細剛玉粉，由平整輥壓平其表面。
② 由按指令在x-y平面移動的噴頭向剛玉粉層表面噴射由壓電陶瓷振動霧化并通過電場而帶電的硅膠液粘結劑微滴，使形成型殼厚度的剛玉粉層固化，未被粘接的剛玉粉則留做后面沉積層的支撐。反復進行①和②操作直至構成整個三維殼型，如圖8c～e所示。

3)去除型殼內外的未被粘接的粉料；然后像熔模鑄造一樣烘干、燒結型殼，澆注金屬液，獲得與原形CAD模型形狀、尺寸相同的鑄件，如圖8f～h所示。

直接制模鑄造從設計到零件交貨的周期如圖9所示。

圖9 直接制模鑄造的周期

直接制模鑄造使熔模鑄造成為金屬成形方法中更具吸引力的工藝，因為它是一種柔性、環保工藝，幾乎所有的復雜外形以及某些復雜的內部結構都能制作。

該工藝的成形材料也可以是鑄造用砂，直接制得鑄造用的砂型，澆注后即可獲得金屬零件。該方法由于設備運行費用低，成形尺寸大，成形材料便宜，適合用于單件大型復雜零件的鑄造。

2 一次轉制法  一次轉制法主要是指由RP技術(如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等)提供的原型作為母模，可直接與普通砂型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造與真空鑄造等鑄造工藝結合，制造金屬零件。由于從原型到金屬零件要經過一次轉化，故稱一次轉制法。該類工藝方法一般用于單件、小批量零件生產。

(1) 普通砂型鑄造用模樣的快速成型  選用適當的樹脂材料制得原型模樣，再進行表面噴鍍，或者是用LOM法制得原型，然后將模樣直接安裝在模板、芯盒上使用。在制作砂型鑄造用模樣時，還將鑄造工藝專用軟件與快速成形技術相結合。首先用鑄造工藝專用軟件在為欲制作的零件加上加工余量、起模斜度、鑄造圓角等。將有關數據一起送入快速成形機中即可自動制作出所需零件的模樣。制成的模樣可以用來拼裝模板，也可以代替傳統木模用于手工砂型鑄造，過大的模樣可以分段制作后再組合。為了節省樹脂和上機時間，模樣背面通常都制成蜂窩狀結構，采用這種結構有時可節省材料70%。模樣表面厚度和蜂窩狀結構的具體尺寸根據模樣承受的壓力來決定。為了提高模樣的耐磨性，可在樹脂模樣表面噴涂鋁合金或特氟隆塑料。用這種工藝生產的一件直徑445mm、高55mm的模樣，表層厚度1mm，背部蜂窩狀結構厚15mm，在呋喃樹脂砂造型線上使用114次后表面發生局部剝離，到180次后經局部修整仍可繼續使用。在模樣尺寸精度方面也是令人滿意的，使用該系統生產了近200套模具，未發生一次尺寸精度超差的情況。在某次抽查的模樣的20個尺寸中，偏差在-0.62%～+0.9%之間。

 LOM紙質原型具有與木模同等水平的強度，等同甚至更優的耐磨性能，可與木模一樣進行鉆孔等機械加工，也可以進行刮膩子等修飾加工、其硬度、強度數據列于表1中。因此，以此代替木模，不僅適用于單件鑄造生產，而且也能適用于小批量鑄造生產。實踐中已有使用300次以上仍可繼續使用的實例(用于鑄造機槍子彈)。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塊制作，然后再拼裝成砂型鑄造用的模板，尺寸精度達到±0.13mm。

試  料  硬度/HS 受壓強度/MPa
LOM模樣垂直于紙面 45 66
LOM模樣平行于紙面 17 66
鋁模 40 153
杉木模 30 69
松木模 20 81
柳安木模 25 -

此外，因其具有優越的強度和造型精度，故還可以用做大型木模。例如，大型卡車驅動機構外殼零件的鑄模，其外形尺寸為760mm×600mm×280mm。

可見，使用這種方法制作模樣有如下幾個優點：制作周期以及消耗工時都大大降低，可以實現無人化操作，不需要熟練的模樣工，可減少模樣保管場地等。

(2)精密鑄造用熔模的快速成形  幾乎所有的快速成形技術制作的原型都可以作為熔模鑄造的熔失模，各種快速成形技術用于鑄造的優缺點比較見表2。

表2  主要快速原型技術用于鑄造的優缺點對比

SLA成形材料是丙烯酸脂或環氧樹脂等熱固性光敏樹脂。這些材料只能燒失掉，不能加熱熔化。所以成形樹脂模樣外涂覆陶瓷耐火材料后焙燒，將模樣燒掉而剩下陶瓷殼體，將型殼加入背砂澆注金屬液，冷卻后即可得金屬件，該法制作的制件表面光潔。SLA制作的模樣最初并不能用于熔模鑄造生產。這是由于樹脂聚合物模樣在結殼后脫模燃燒時的膨脹會導致型殼破裂。經過不斷改進，開發出專門為熔模鑄造生產設計的機型，制作的樹脂模樣是中空的，或用薄到1mm的肋在三個正交方向互相連接起來的支撐網格來構成其中的中空部分，其外壁開有引流孔將中部未硬化的樹脂排出。這樣在結殼后燃燒脫模時中空模樣首先向內塌縮而不會使型殼開裂。專門為其開發的環氧型樹脂，粘度低，在制作中空模樣時，從引流孔排除多余樹脂時間短，即使是相當復雜的模樣也只需2～3min。用這種樹脂制作的中空模樣壁可以很薄(0.3～0.5mm)，剛性好，變形小，而且樹脂模樣與制殼材料浸潤性好，制成的型殼澆注出的鑄件表面光潔。此外這種樹脂燃燒性能好，燃燒1g模樣殘留灰渣僅為10μg。

SLS成形材料可以是熔模鑄造用蠟粉、聚碳酸脂、尼龍、ABS塑料等。石蠟、聚碳酸脂等熱塑性材料，加熱后可完全熔化，很適合于熔模鑄造。由蠟粉制成的模樣可直接進入后續的熔模鑄造工序。聚碳酸脂模制作快、強度高、表面粗糙度值低，現已逐步用其代替石蠟模。聚碳酸脂粉末燒結成的中空模樣用于熔模鑄造生產也很有前途。這種模樣對溫度變化不敏感，強度高，在制作過程中變形和脆斷少，在最后燃燒脫蠟工序中殘留灰分少。現在還在研究開發其他粉末材料，如聚苯乙烯和PMMA，其燒結溫度低、強度高、燃燒快、灰分更少。

用選擇性激光燒結工藝制成的原型尺寸在使用蠟粉時可達±(0.13～0.25)mm，表面粗糙度均方根值在3.048～4.064μm之間。使用蠟粉時垂直方向的成形速度為12.7mm/h，使用聚碳酸脂粉末時為25.4mm/h。盡管SLS制作表面粗糙度值高于其他快速成形技術制件，但聚碳酸脂的模可通過在其表面涂蠟而改善。據統計有30％的模樣采用該法制模，如北美就有50多家鑄造廠采用本法生產熔模鑄造鑄件。一家公司用其試制一個新氣缸蓋僅用4周時間和12000美元。而若用普通砂型方法試制，則需用16周時間和75000美元。

FDM主要使用熱塑性材料或石蠟。該法用于鑄件生產的原理與SLS原理相同，但用于鑄造過程最理想。它可以采用灰分含量很低的工業標準鑄造石蠟，制造表面粗糙度值較低，符合標準的精鑄蠟模。由于采用通常的鑄造石蠟可快速從殼體除蠟，但所得鑄件表面粗糙度值比SLS制件高。

LOM用紙張疊層所制原型，也可作為熔模鑄造的熔失模，但它易受潮并在蒸汽環境中發出氣味，因此原型在作為熔模鑄造使用前要將其表面噴涂一層起保護作用的聚氨脂。加熱焙燒時模樣會留下少量灰分，有可能會引起鑄件表面質量問題。

需特別指出的是：DSPC含義是直接制模鑄造，它通過電子模型制成固體的三維陶瓷模殼。該工藝與熔模鑄造制殼工藝有本質不同，它直接利用計算機輔助設計的數據自動制造陶瓷殼，而無需模具或壓型，使熔模鑄造省去了制壓型、蠟模以及涂掛涂料的工序，大大縮短了熔模鑄件的生產周期；也不用考慮蠟模變形等因素的影響。因此，不僅可制得近凈形零件，并能制造出中空的零件。使用該法的工廠可在收到訂單后一周內可交付高精度的鑄件。

(3)實型鑄造消失模的快速成形：立體印刷SLA、疊層實體制造LOM、融積成型FDM等生成的樹脂或熱塑性材料原型均可以采用實型鑄造工藝直接生產鑄件。將涂有耐火材料的成型模樣放置于密封并充滿干砂的箱體中，抽掉箱中空氣，使砂型緊實；將熔化的金屬液通過特殊的澆冒口系統進入砂型中，燒掉模樣并取代其位置而形成金屬零件。但由于燒掉模樣時而殘留下少量的灰分，所以直接影響零件的表面質量。

  選擇性激光燒結新研究開發聚苯乙烯和PMMA粉末，其燒結溫度低、強度高、燃燒快、灰分少。用其燒結而成的聚苯乙烯或PMMA模樣可作為實型鑄造的消失模。

3 二次轉制法    

二次轉制法主要是指由RP技術(如FDM法、LOM法、SLS法、SLA法等)提供的原型作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構成軟模具，再用軟模具與熔模鑄造、陶瓷型鑄造、石膏型鑄造和涂料轉移法精密鑄造等鑄造工藝結合，制造金屬零件。由于從原型到金屬零件要經過二次或二次以上工藝轉化，故稱二次轉制法。該類工藝方法一般用于批量零件制造。該技術的關鍵是原型翻制軟模具的尺寸精度和表面粗糙度的保證及模具的定位。

5 各種快速成形技術在鑄造上應用的比較

快速成形技術與鑄造技術相結合生產金屬零件的最佳技術路線及較適合的零件種類，可歸納為表3。

表3  快速鑄造最佳技術路線及適用范圍

對SLA，SLS，LOM，FDM四種原型生產的精鑄件精度和表面粗糙度進行比較。

1 鑄件精度比較  測定、統計不同快速成形樣件在xy平面內及z軸方向測量誤差與樣件長度的關系，以及誤差密度分布。樣件xy平面內誤差與樣件長度的關系圖如圖10所示。綜合分析各個圖可知SLA原型所生產樣件誤差最小、誤差密度集中。

圖10 樣件在xy平面內測量誤差與其尺寸大小的關系
a) SLA誤差  b) SLS誤差  c) LOM誤差  d) FDM誤差

2 鑄件表面粗糙度比較  測試件上表面、斜面和豎直面的表面粗糙度，統計結果見表4。從數據看，LOM原型生產的樣件有最低的整體表面粗糙度值，其各方向的表面粗糙度(Ra)分別為1.5μm、2.2μm、1.7μm。其次是SLA原型生產的件，其表面粗糙度值相對也較小。

表4 幾種不同快速成形原型生產樣件的表面粗糙度Ra   (單位：μm)

在工業生產中，選擇快速原型除考慮他們對快速金屬鑄件精度和表面粗糙度的影響外，還得考慮其成本等因素。從目前情況看，SLA原型的成本較高，做小件時可使用；生產大鑄件時，LOM、SLS原型則可能是較佳的選擇。

6 應用舉例

 1.基于快速成形的熔模鑄造 熔模鑄造是快速成形技術與鑄造技術相結合快速制造金屬零件和模具最常用的工藝，SLA、SLS、FDM、LOM原型均可用于熔模鑄造，表2已對各種快速成形工藝用于熔模鑄造的優缺點對比。同一種RP原型其熔模鑄造的工藝方案也有多種選擇，下面以LOM原型藝術人頭像為例進行多種熔模鑄造工藝方案的分析對比，如圖11所示。

圖11  藝術人頭像的多種熔模鑄造工藝方案
1—凸紙型2—蠟澆口3—型殼涂料層4—金屬液5—澆包6—石膏壓型7—壓板
8—凹紙型9—噴陶瓷10—壓蠟嘴11—環氧樹脂壓型12—錫鉍合金壓型13—耐高溫硅橡膠壓型

(1)方案a：用凸紙模代替蠟模，粘上蠟澆口，直接涂料結殼，經高溫焙燒，燒掉紙模，留下中空型殼進行澆注。該方案的實施條件是要求紙模易燃燒、含雜質少。試驗表明，紙模中含有質量分數為4.93%～5.11%的水分及7.39%～8.00%的灰分，因此在焙燒中，紙模將產生大量氣體，引起型殼脹裂，并且焙燒后在型殼中殘留較多的灰渣，不易清除干凈，易導致精鑄件產生夾渣等缺陷。并且每次澆注都要燒失紙模，其成本也較高。

(2)方案b：用凸紙模當母模，復制石膏型壓型，用石膏壓型壓制蠟模，再用蠟模涂料結殼，經脫蠟、焙燒得到中空型殼，最后進行澆注。因石膏壓型導熱性差，蠟模冷凝速度慢，生產率低，且使用壽命低，故該方案只適合單件、小批量生產。

(3)方案c：對凹紙型工作表面進行噴陶瓷材料等表面處理，然后用經表面處理過的紙型做壓型，進行壓蠟、涂料結殼等精鑄過程。表面處理可提高紙型工作面的耐磨性，防止紙型脫膠分層，降低表面粗糙度值，以提高壓蠟次數和改善蠟模表面質量。缺點是需增加表面處理設備費用，形狀復雜的壓型型腔噴涂后的打磨、拋光較困難，且因噴涂層一般較薄，其背面仍然是導熱性差的紙型，也存在蠟模冷凝慢和生產率低的缺點。

(4)方案d：用凸紙模復制環氧樹脂壓型，并進行壓蠟、結殼等過程。因環氧樹脂也存在導熱性差所引起的一系列弊病，還易老化、變形，影響壓型和蠟模尺寸精度，故應用較少。

(5)方案e： 用凹紙型復制石膏凸型，然后在石膏凸型上復制Sn-Bi合金壓型，再用Sn-Bi合金壓型壓制蠟模，用于精鑄件生產。Sn-Bi合金壓型具有導熱性好，壓型壽命長，型腔表面光滑，復用性好的優點，廣泛用于精密鑄造生產中。但該方案中的壓型是由復制的石膏凸型再次復制而得到的，多次復制不僅增加壓型制造周期和生產成本，還使壓型精度降低。

(6)方案f：用凹紙型復制耐高溫硫化硅橡膠凸型，并澆注復制Sn-Bi合金壓型，用于精鑄件的生產。該方案與方案e相似，但耐高溫硫化硅橡膠的成本較高。

(7)方案g：用凸紙模作為母模，直接用液態Sn-Bi合金澆注，復制出Sn-Bi合金壓型。與方案e及方案f相比，不僅具有上述優點，而且省去了用石膏型或硅橡膠進行中間過渡復制的中間環節，是最快制造金屬壓型的工藝，也是技術難度較大的工藝，雖然紙在Sn-Bi合金液的沖刷和熱作用下，尚不足以著火、燃燒和碳化，但澆注溫度過高時，紙型中的水分和熱溶膠會產生較大的發氣量，并使紙型分層脫膠，影響鑄件表面粗糙度，因此在保證充型的前提下，盡量降低澆注溫度。若采用耐高溫的箔材制造原型，將會收到更好的效果。

 2. 基于快速成形的陶瓷型鑄造  快速成形技術與陶瓷型精密鑄造技術相結合的方法為快速金屬零件制造的最有效途徑之一。

(1)基于快速成形的陶瓷型鑄造的特點。它具有快速成形與陶瓷型鑄造的雙重特點：    

1)不受零件形狀的限制。
  2)鑄件表面光潔，尺寸精度高。
  3)零件的細微部分能夠被完整地刻化出來。
  4)陶瓷型鑄造的鑄件不受合金種類、鑄件重量和尺寸的限制。特別是對鑄鋼件的生產，無論是大件還是小件，陶瓷型鑄造都是比較理想的方法。
  5)成形由CAD數據控制，模樣修改方便。  

(2)基于快速成形的陶瓷型鑄造的工藝過程見圖12所示。

圖12  基于快速成形的陶瓷型鑄造的工藝過程

1) 在三維CAD造型系統中完成鑄件的三維實體模樣設計。生成模樣STL文件。
  2) 對模樣的STL文件進行處理，分層、加支撐。
  3) 快速成形機在已得到的模樣分層、支撐文件控制下制造出模樣的樹脂原型。
  4) 直接在原型上掛漿、制作陶瓷殼。在室溫下放置2h左右，從陶瓷殼中取出原型。
  5) 將陶瓷殼在加熱爐內焙燒(200℃)5h后取出，自然冷卻。
  6) 澆注金屬，得到鑄件。
  7) 對鑄件進行清砂等后續工藝處理，得到金屬鑄件。
  8) 對鑄件進行尺寸、力學性能檢驗。

若不合格，修改CAD模型重新制作。

 (3)鑄件生產：鑄件的CAD模型頂視圖如圖13所示，輪廓尺寸為125mm×62mm×50mm，尖角分別為35.5°和13.7°。鑄件的樹脂原型如圖14所示。

圖13  CAD模型頂視圖

圖14  樹脂原型圖

陶瓷型的配料如下：
1)耐火材料，見表5。

表5  耐火材料

2)粘結劑—硅酸乙脂水解液
① 硅酸乙脂水解液配方的體積分數為：硅酸乙脂58.1%；蒸餾水8.75%；無水乙醇32.5%；其占粉料重量的0.5%～0.6%。
②(MgO)占粉料重量的2%～3%。
③粉液比，硅石粉(g)/水解液(mL)=2～3。
④焙燒溫度200℃(不噴燒)。

3)固化劑，純MgO使硬化時間延長到約1h，這樣可以明顯提高強度，有利于起模。澆注金屬選用w(C)=0.4%的中碳鋼，澆注溫度為1600℃，鑄件在砂箱中冷卻10h后開箱清砂，測量鑄件的粗糙度和尺寸，鑄件的表面粗糙度達到Ra=3.2μm，尺寸精度0.3mm/100mm。并且所有細微特征都能夠清晰地復制到鑄件上，鑄件照片如圖15所示。

圖15 鑄件照片

3 基于快速成形的石膏型鑄造  以某薄壁、復雜結構件——安裝架(見圖16)為例，介紹基于快速成形的石膏型鑄造的工藝過程：

圖16  鑄件圖

選定融積成形技術FDM作為安裝架鑄件蠟樣的成形手段，成形材料采用熔模鑄造石蠟ICW04，其軟化溫度為80℃，屬松香基中溫蠟料。

 1) 將安裝架蠟樣圖樣轉換成CAD數據，并在CAD工作站上生成三維立體圖形，然后輸入到UNIX工作站，而FDM軟件將模型數據處理為水平分層數據，傳遞給FDM快速成形機。
 2) 在FDM快速成形機內，半流動石蠟從FDM噴頭擠出，沉積形成一超薄層(層厚0.03mm，寬度2.5mm)，整個模樣從安裝架的基底座面開始，自下而上逐層生成，如圖17所示。此生成過程每件需7h左右。

圖17  蠟樣照片

3)蠟樣的后處理：用丙酮作為拋光液，手工拋光蠟樣，表面粗糙度為Ra=6.4～3.2μm。
 4)檢驗蠟樣，符合圖樣要求。
 5)對安裝架FDM蠟樣進行精鑄工藝方案設計，并組焊澆冒系統，如圖18所示。

圖18  工藝方案簡圖

6)在真空下(33.3Pa)，配制石膏漿料，攪拌時間2～3min。
7)模組在弱堿性肥皂水中，洗滌、浸泡、除污。
8)固定模組，澆灌石膏型，澆灌全過程在真空下進行，澆灌室要求1min內達到20Pa，澆灌完后，迅速破真空，以利充型、復制。鑄型應靜置1.5h。
9)在低溫(88～105℃)，慢速(脫模時間2～3h)，低壓(脫模蒸氣壓≤0.1MPa)的條件下對鑄型脫蠟。
10)石膏型自然干燥2d。
11)鑄型高溫焙燒：焙燒溫度700℃，焙燒時間16～18h。
12)石膏型轉入310℃的電阻保溫爐內，保溫4～6h，等待澆注。
13)熔化ZL101A，精煉除氣。
14)鑄型在真空下澆注，并迅速破真空，加壓，持壓(0.7MPa)，鑄件在壓力下結晶，凝固。
15)鑄件清理，校正，冰冷處理。
16)鑄件經T7熱處理。

FDM蠟樣經石膏型精密鑄造后，所得的安裝架鑄件照片如圖19所示，其表面粗糙度、尺寸符合圖樣要求，鑄件質量滿足設計要求。生產周期縮短40%以上，成本降低20%以上。

圖19  鑄件照片

4 基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造  基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造就是在RP(LOM或SLA)原型或硅橡膠模樣(以RP原型為模樣，翻制出的過渡原型)表面涂覆涂料(刷涂、淋涂或噴涂)，在涂層背面迅速填加樹脂砂或水玻璃砂，涂層可以很好地轉移到砂型、砂芯表面，而且涂層可以很好地精確復制出模樣的外形或內腔的形狀，可以明顯提高鑄件的尺寸精度。制造獲得砂型后，澆注高溫金屬液，凝固后經表面處理，制造獲得精確成形的金屬零件或模具，其工藝流程如圖20所示。

圖20  基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造模樣的工藝流程

(1)基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造的特點

 1)涂層不占據零件或模具的尺寸空間，所以也稱為基于快速成形的非占位涂料轉移法精密鑄造。
2)涂層能牢固地附著在砂型(芯)上，有較大的附著強度，并且涂層具有較高的強度、硬度、耐高溫和耐侵蝕性能，表面無裂紋。
 3)與熔模鑄造相比，沒有蠟模的變形，可以明顯提高鑄件的尺寸精度；與石膏型精鑄比較，沒有石膏膨脹和收縮引起的尺寸偏差及耐火度低的不足；與陶瓷型精鑄相比，沒有陶瓷型難以清理、尺寸精度低的缺點。
 4)成形產品尺寸精度高，可以獲得較低的表面粗糙度值。
 5)適應范圍廣，可以鑄造銅、鑄鐵和鑄鋼件。
 6)生產周期短、成本低，與表面處理相結合可用于快速制造鑄造模樣。

(2)基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造的工藝過程

 1)制作RP(LOM或SLA)原型，或用原型翻制無收縮硅橡膠軟模。
 2)將RP原型或硅橡膠軟模固定在造型平板上。
 3)放置砂箱。
 4)涂抹分型劑。
 5)在模樣上刷涂、淋涂涂料(涂層1～3mm)
 6)加樹脂砂或水玻璃砂造型，固化后，涂層自發地轉移至型芯表面，脫去模樣后便得到上好涂料的型芯。
 7)噴燒型芯表面，燒去殘留的有機溶劑和水分。
 8)合型、澆注、清理，制造出產品。

(3)基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造金屬模樣

 1)涂料的配制與涂覆工藝：涂料主要由耐火材料、載液、粘結劑和添加劑組成。耐火材料主要以不同目數的硅石粉和莫來石粉為主，采用醇基材料作載液，硅酸乙脂做粘結劑，添加適量的氫氧化物作為添加劑混制快干涂料。
 涂料的涂覆方法主要有刷涂、流涂、淋涂、噴涂、浸涂和靜電粉末噴涂等。對于單件、小批量零件的非連續生產，采用刷涂與流涂工藝相結合，涂覆效果好。
 2)翻制硅橡膠軟模：對于形狀簡單、易于造型取模的零件，可直接將制造的RP原型作為母模用于造型；對于形狀復雜、難于造型取模的零件，用RP原型翻制無收縮硅橡膠軟模。硅橡膠具有易于使用、復印性能好、耐腐蝕、使用壽命長、易于取模和適應范圍廣等特點，廣泛用于模樣和過渡模樣制造。
 3)造型和澆注：在RP原型或硅橡膠中間過渡軟模表面薄薄涂覆一層脫模劑(可以用縫紉機油代替)，然后在模樣表面涂刷涂料，迅速填加樹脂砂或水玻璃砂(樹脂、水玻璃加入量稍高于傳統的樹脂砂和水玻璃砂鑄造)，緊實固化后，涂層自發地轉移至型芯表面，脫去模樣便得到上好涂料的型芯。用噴燈噴燒型芯表面，燒去殘留的有機溶劑和水分。隨后進行合型、澆注，即可獲得金屬零件或模樣。對于模樣需進行表面處理，使其表面具有防粘、防蝕或潤滑等特種功能，可進一步提高模樣的壽命和功效。

采用該工藝技術制作的部分鑄造模樣種類和數量見表6。鑄造模樣達到的精度見表7。

表6  鑄造模樣種類和數量

表7  鑄造模樣達到精度要求

制作的曲軸鑄造模樣如圖21所示，其制作周期與數控加工的比較見表8，可見鑄造模樣利用快速成形的涂料轉移法精密鑄造在制作成批的復雜曲面模樣時優勢特別顯著，加工20塊模樣只要20d，而采用數控加工，考慮成批生產，即使利用電加工機床進行修整和考慮數控編程只要進行一次，生產一塊也需20d左右，加工20塊模樣至少需半年時間。

圖21  曲軸鑄造模樣
注：A～D尺寸見表9

曲軸模樣的尺寸精度見表9，從實測結果看，模樣的精度完全符合要求，對曲面加工來說，加工只不過是為鉗工修整提供一個樣板和控制點；采用數控加工，雖然加工精度高，但加工后還需要鉗工修整，清除殘留的刀痕，上下模需要配做。采用基于快速成形的涂料轉移法精密鑄造，工件成型后只要少量修整，尺寸基本一致，不必成對配做，可以任意互換。

表8  曲軸鑄造模樣制作周期比較

表9  曲軸模樣的尺寸精度實測結果 (單位：mm)

可見該工藝適應性強、重復性好，加工周期短、制造成本低，特別適用于曲面復雜、線型多變、而金屬切削難以加工的鑄造模樣、芯盒、金屬型和壓鑄模等的制造，具有廣闊的應用前景。