快(kuai)速(su)成(cheng)形(xing)技術(shu)(Rapid Prototyping,簡稱RP)是20 世紀(ji)90 年代發展起來的(de)高(gao)新技術(shu)。它能使人們頭腦中(zhong)(zhong)的(de)設計概(gai)念迅(xun)速(su)變成(cheng)實物。特別值得一提的(de)是，整(zheng)個產品開(kai)發過程不需要(yao)任何模具和(he)(he)(he)工藝裝備，大(da)大(da)縮短樣件和(he)(he)(he)新產品試制周(zhou)期，迅(xun)速(su)成(cheng)為增強企業競爭力(li)的(de)重要(yao)手段和(he)(he)(he)工具。INCAST 2004(11)發表的(de)互聯網(wang)問卷(juan)調查表明(ming)，全歐 400多家(jia)精鑄(zhu)廠家(jia)中(zhong)(zhong)，有 93%以(yi)上都(dou)曾使用過快(kuai)速(su)成(cheng)形(xing)模樣，所有受訪者都(dou)認同，采用此項新技術(shu)對(dui)于加速(su)新產品開(kai)發和(he)(he)(he)增強企業對(dui)市場的(de)快(kuai)速(su)反應能力(li)至關重要(yao)。

　　一.常用(yong)快速成形(xing)方法在熔模(mo)鑄造中(zhong)的應用(yong)

　　快(kuai)速成(cheng)形(xing)技術在熔(rong)模鑄(zhu)造中的應用主要(yao)有以下幾方面：

　　1.制作熔(rong)模

　　制作模(mo)樣時，快速成形(xing)機(ji)不僅可以(yi)輸入由其它(ta) CAD軟(ruan)件(jian)建(jian)立(li)的(de)三(san)維幾何模(mo)型(xing)，也可以(yi)接收由工(gong)業 CT(計算(suan)機(ji)層析射線攝(she)影(ying)技術)掃(sao)(sao)描所得的(de)數據(ju)文(wen)件(jian)。例如(ru)，首(shou)先通過 CT 對零件(jian)掃(sao)(sao)描，獲得其斷面的(de)二(er)維圖象(xiang)(xiang)。隨后，圖象(xiang)(xiang)處理(li)軟(ruan)件(jian)再將(jiang)各(ge)斷面的(de)二(er)維圖象(xiang)(xiang)組合起來(lai)，構(gou)成三(san)維幾何模(mo)型(xing)。再將(jiang)它(ta)傳送給快速成形(xing)機(ji)制成模(mo)樣。這(zhe)種復(fu)原(逆向)工(gong)程方(fang)法不但可以(yi)將(jiang)機(ji)器(qi)零件(jian)復(fu)原，而且還(huan)可以(yi)仿制某些(xie)人體器(qi)官(guan)。


　　2.制作模具(壓型)和其它(ta)工藝(yi)裝備

　　用(yong)快(kuai)速成(cheng)(cheng)(cheng)形方法(fa)制作精鑄(zhu)模(mo)(mo)具(ju)有兩種(zhong)(zhong)方法(fa)：一種(zhong)(zhong)是先制成(cheng)(cheng)(cheng)母(mu)模(mo)(mo)，再(zai)翻制環氧(yang)(yang)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)或硅橡膠壓(ya)型(xing);另一種(zhong)(zhong)方法(fa)是將(jiang)CAD 系統中(zhong)生成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)壓(ya)型(xing)型(xing)塊的(de)(de)三維幾何(he)模(mo)(mo)型(xing)直(zhi)接輸(shu)入(ru)快(kuai)速成(cheng)(cheng)(cheng)形機制成(cheng)(cheng)(cheng)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)壓(ya)型(xing)。這類壓(ya)型(xing)主要(yao)適合小批量(liang)生產(chan)(幾十件(jian)) 。如(ru)果(guo)在母(mu)模(mo)(mo)表(biao)面噴涂約 2mm 厚的(de)(de)金屬層，并在其后充填環氧(yang)(yang)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)制成(cheng)(cheng)(cheng)金屬-環氧(yang)(yang)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)復合壓(ya)型(xing)，可以滿足(zu)生產(chan)數百件(jian)精鑄(zhu)件(jian)的(de)(de)要(yao)求。采(cai)用(yong) SLS 法(fa)時如(ru)將(jiang)加工對(dui)象由(you)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)粉(fen)末換成(cheng)(cheng)(cheng)表(biao)面帶(dai)一薄(bo)層熱固性樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)的(de)(de)鋼粉(fen)，用(yong)激光燒(shao)結(jie)成(cheng)(cheng)(cheng)壓(ya)型(xing)，再(zai)焙燒(shao)以除(chu)掉樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)，最后將(jiang)銅(tong)液滲入(ru)壓(ya)型(xing)的(de)(de)孔隙中(zhong)。由(you)此(ci)所得的(de)(de)壓(ya)型(xing)在強度、導(dao)熱等方面的(de)(de)性能與金屬相似。除(chu)此(ci)之外，快(kuai)速成(cheng)(cheng)(cheng)形技術還可用(yong)于制作某些形狀不規則的(de)(de)胎具(ju)。

　　3.直接制作鑄型澆鑄鑄件

　　20 世(shi)紀 90 年代初美(mei)國(guo) Sandiana 國(guo)家實驗室開展(zhan)了一(yi)項名為快速鑄(zhu)(zhu)造(zao)(FastCAST)的專門研究，被命名為直接(jie)型殼(ke)鑄(zhu)(zhu)造(zao)法(fa)( DSPC)。遺憾的是，后來很少再見報道。
　　1994年(nian)美國(guo)Z Corporation 開(kai)發成功三維打印(yin)技(ji)術 3D Printing。該項技(ji)術最初由麻省理工學院Ely Sachs 教授發明并(bing)擁(yong)有專利權。其基(ji)本原理與 SLS 法(fa)相(xiang)似，先用滾(gun)筒噴鋪(pu)一層耐(nai)火材料或塑料粉末(mo)。跟 SLS 不同(tong)的(de)是(shi)(shi)，它不是(shi)(shi)驅動激光發射頭(tou)，而是(shi)(shi)驅動噴墨打印(yin)頭(tou)，按照制(zhi)品的(de)截面形狀(zhuang)噴射膠水(shui)‘打印(yin)’。重復以上動作，直至零件制(zhi)作完(wan)成，故(gu)被(bei)命名為(wei)‘三維打印(yin)技(ji)術’。其優點是(shi)(shi)，運行費用和材料成本低，速(su)度(du)快(kuai)。如果(guo)噴鋪(pu)的(de)粉末(mo)是(shi)(shi)石膏(gao)和陶(tao)瓷的(de)混合粉末(mo), 即可直接快(kuai)速(su)制(zhi)成鑄型(石膏(gao)型)，用于澆鑄鋁、鎂、鋅(xin)等有色合金鑄件，稱(cheng)之(zhi)為(wei) ZCast。

　　二.常用快速成形方(fang)法應(ying)用效果比較

　　目前實際生產中(zhong)較流行的(de)(de)快速(su)成(cheng)形方(fang)法(fa)(fa)有立體平(ping)板印刷法(fa)(fa)(SLA)、選區激光燒結法(fa)(fa)(SLS)、熔融堆(dui)積(ji)法(fa)(fa)(FDM)、層合物制(zhi)造法(fa)(fa)(LOM)和(he)直接型殼(ke)鑄(zhu)(zhu)造法(fa)(fa)( DSPC)等。近年來，國外不少研究機構從制(zhi)作模(mo)樣的(de)(de)質量和(he)在熔模(mo)鑄(zhu)(zhu)造中(zhong)的(de)(de)表(biao)現等方(fang)面，對上述方(fang)法(fa)(fa)進行了比(bi)較，結果如(ru)下(xia):

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

　　2) 模(mo)樣(yang)表面粗(cu)糙(cao)度(du) 模(mo)樣(yang)表面經打磨精(jing)整后(hou)用表面粗(cu)糙(cao)度(du)儀測量。可見(jian)表面粗(cu)糙(cao)度(du)以 SLA 和LOM法較細，FDM 法最粗(cu)。

　　3) 再現(xian)精(jing)細部位的(de)能力 以齒(chi)(chi)間距約3mm 的(de)齒(chi)(chi)條為對象考察這四種方(fang)法復制精(jing)細部位的(de)能力。結果以 SLA 最(zui)佳，FDM最(zui)差(cha)。

　　4) 在熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)中(zhong)的(de)表現(xian)(xian) 上述四種方(fang)法中(zhong)，制品(pin)本身就是蠟(la)模(mo)(mo)的(de)方(fang)法(如FDM或(huo)SLS)，很容(rong)易適(shi)應熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)工藝的(de)要(yao)求，無疑(yi)表現(xian)(xian)較好。而樹脂(zhi)或(huo)紙制模(mo)(mo)樣盡管也可(ke)燃(ran)燒掉，但畢竟不(bu)象蠟(la)模(mo)(mo)那樣容(rong)易適(shi)應熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)的(de)要(yao)求，需要(yao)不(bu)斷改(gai)進，以趨利避害。

　　從總體看(kan)，SLA 法(fa)盡管(guan)與熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)工藝也還有某(mou)些不(bu)適(shi)(shi)(shi)應(ying)(ying)之(zhi)處，但(dan)由于制(zhi)成的(de)(de)模(mo)(mo)樣(yang)尺(chi)寸精度(du)和(he)表面質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)好而(er)倍受青睞，在國外，特別是航(hang)空航(hang)天和(he)軍工部門(men)的(de)(de)熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)企(qi)業(ye)應(ying)(ying)用(yong)(yong)相(xiang)當廣泛。SLS 法(fa)模(mo)(mo)樣(yang)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)雖較 SLA 略遜一籌，但(dan)容(rong)易適(shi)(shi)(shi)應(ying)(ying)熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)的(de)(de)工藝要求(qiu)，所以，國內熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)中應(ying)(ying)用(yong)(yong)越來(lai)越多。FDM 法(fa)盡管(guan)最容(rong)易適(shi)(shi)(shi)應(ying)(ying)熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)的(de)(de)工藝要求(qiu)，但(dan)制(zhi)成蠟(la)模(mo)(mo)的(de)(de)尺(chi)寸精度(du)和(he)表面質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)尚不(bu)盡如人(ren)意;而(er) LOM法(fa)雖模(mo)(mo)樣(yang)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)尚可，但(dan)難(nan)以適(shi)(shi)(shi)應(ying)(ying)熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)，因此，目前(qian)后二種方法(fa)在熔(rong)模(mo)(mo)鑄(zhu)造(zao)(zao)(zao)中推廣應(ying)(ying)用(yong)(yong)均(jun)受到一定限制(zhi)。

　　三.熔(rong)模鑄造中應用 SLA 和SLS 的新進(jin)展

　　1.新(xin)型光固(gu)化樹(shu)脂

　　SLA法早在1987年就已商業化了，它最初是被用來制(zhi)作(zuo)實體模(mo)(mo)型(xing)和(he)具有一(yi)定功能的樣(yang)件(jian)。20 世紀90年代初期(qi)，美國(guo) 3D System Inc 的QuickCast軟件(jian)開發(fa)成(cheng)功，使SLA 快速成(cheng)型(xing)機能夠制(zhi)作(zuo)出(chu)內部呈蜂(feng)窩形結構而外表仍保持光(guang)滑致密的精確模(mo)(mo)樣(yang)，不(bu)(bu)僅(jin)節省(sheng)了 90%的制(zhi)模(mo)(mo)材料，而且在焙燒(shao)型(xing)殼的時候，模(mo)(mo)樣(yang)首先向內癱塌而不(bu)(bu)致將型(xing)殼脹(zhang)裂。除此之(zhi)外，人們逐步發(fa)現，對于制(zhi)模(mo)(mo)用光(guang)固(gu)化樹脂來說，還需要滿足以下一(yi)些特殊要求:

　　粘(zhan)度—— 如果(guo)樹(shu)(shu)脂粘(zhan)度太大，模樣(yang)制成(cheng)后(hou)內腔中(zhong)剩余的(de)(de)樹(shu)(shu)脂很難排(pai)盡，殘存樹(shu)(shu)脂過多，仍有(you)可能在焙燒時(shi)將型殼脹裂，因(yin)而(er)往往不(bu)得(de)不(bu)采用離心分(fen)離等(deng)措施。另外(wai)，制成(cheng)的(de)(de)模樣(yang)表面也很難擦凈。

　　殘(can)留(liu)灰分——這也許(xu)是最(zui)重要(yao)的要(yao)求，如果(guo)型殼焙(bei)燒后殘(can)留(liu)灰分多，將導致(zhi)鑄件表面產生(sheng)非金屬(shu)夾雜及其它(ta)缺陷。

　　重金屬元(yuan)(yuan)素(su)含量——這對(dui)于鑄造高溫合金特(te)別重要。例如(ru)(ru)銻(ti)在SLA 光固化樹脂中就是一種較(jiao)為常見的(de)元(yuan)(yuan)素(su)，如(ru)(ru)果(guo)它出現在型(xing)殼焙(bei)燒后的(de)殘灰中，就可能(neng)污染合金，甚至(zhi)使鑄件(jian)報廢。

　　尺寸穩(wen)定性——在(zai)整個(ge)操作(zuo)過程中(zhong)模樣尺寸都(dou)應保持穩(wen)定，為(wei)此(ci)，樹脂的吸濕性低也是非常重(zhong)要的。

　　近(jin)年來，美(mei)國(guo) DSM Somos 公司研制(zhi)成(cheng)功一(yi)種新(xin)型的(de)光固化(hua)樹脂Somos 10120，滿足了(le)上述主要要求，頗受精(jing)鑄生(sheng)產(chan)廠(chang)家青睞(lai)。這種新(xin)產(chan)品已在三(san)個不(bu)同精(jing)鑄廠(chang)鑄造了(le)三(san)種合(he)金(鋁(lv)、鈦和鈷鉬合(he)金)，取得了(le)滿意的(de)效果。

　　2.采用SLA模樣進行小批量生產

　　采(cai)用(yong) SLA 模樣小(xiao)批量生產精(jing)鑄(zhu)件(jian)需(xu)要(yao)考慮 2 個主要(yao)問題(ti): 一是(shi)模樣和(he)(he)鑄(zhu)件(jian)所能達(da)到的尺寸(cun)(cun)精(jing)度，二(er)是(shi)生產成(cheng)本和(he)(he)交貨期是(shi)否具(ju)有優勢。美國 Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等多家(jia)精(jing)鑄(zhu)廠，采(cai)用(yong) SLA 模樣鑄(zhu)造了數(shu)百個鑄(zhu)件(jian)，實際測量鑄(zhu)件(jian)尺寸(cun)(cun)后，統計分析表明，采(cai)用(yong)DSM Somos 公(gong)司新(xin)開發的 11120光固化樹脂和(he)(he)QuickCast 技術(shu)，制成(cheng)的SLA模樣，尺寸(cun)(cun)偏(pian)差不超過鑄(zhu)件(jian)公(gong)差值的50%。絕(jue)大多數(shu)鑄(zhu)件(jian)尺寸(cun)(cun)符合公(gong)差要(yao)求，合格率(lv)達(da)95%以上。

　　盡管制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)一(yi)個 SLA 模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)樣的(de)(de)成(cheng)(cheng)本要比(bi)(bi)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)相(xiang)同蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)高得(de)多，耗費時(shi)間(jian)也要長一(yi)些，但不(bu)需(xu)(xu)(xu)要設計(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)壓型，所以，在單件(jian)小批量(liang)生產(chan)(chan)時(shi)，在成(cheng)(cheng)本和(he)交貨期方面仍具(ju)(ju)有優勢(shi)。鑄件(jian)越復雜(za)，這種(zhong)優勢(shi)越明(ming)顯(xian)。以Nu-Cast公司生產(chan)(chan)的(de)(de)形狀復雜(za)的(de)(de)航空(kong)精鑄件(jian)為例，其模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)費用(yong)(yong)約85000美元，每天生產(chan)(chan) 4個蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，每個蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)成(cheng)(cheng)本費(含材料和(he)人工)150美元。如(ru)果采(cai)用(yong)(yong) SLA 法，每個 SLA 模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)樣成(cheng)(cheng)本 2846 美元，但不(bu)需(xu)(xu)(xu)要設計(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)。由(you)此算出，如(ru)果產(chan)(chan)量(liang)小于(yu)(yu)(yu)32件(jian)，采(cai)用(yong)(yong)SLA 模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)成(cheng)(cheng)本低于(yu)(yu)(yu)蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo); 超過32 件(jian)，則成(cheng)(cheng)本高于(yu)(yu)(yu)蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo);使用(yong)(yong)蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，設計(ji)(ji)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)需(xu)(xu)(xu)耗時(shi) 14～16周，而(er)SLA 模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)不(bu)需(xu)(xu)(xu)要模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)。因此，如(ru)果產(chan)(chan)量(liang)少(shao)于(yu)(yu)(yu) 87 件(jian)，采(cai)用(yong)(yong) SLA 模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，交付(fu)鑄件(jian)比(bi)(bi)蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)快(kuai)(kuai)。但超過 87 件(jian)，則采(cai)用(yong)(yong)蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)更(geng)快(kuai)(kuai)。另一(yi)個需(xu)(xu)(xu)要考慮的(de)(de)因素是(shi)，如(ru)果采(cai)用(yong)(yong)蠟(la)(la)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，當產(chan)(chan)品更(geng)新(xin)換代時(shi)，模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)需(xu)(xu)(xu)要重新(xin)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)，付(fu)出代價大(da);而(er)采(cai)用(yong)(yong)SLA 模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)樣，需(xu)(xu)(xu)要做(zuo)的(de)(de)只是(shi)更(geng)改CAD幾何模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)型，比(bi)(bi)重新(xin)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)具(ju)(ju)簡(jian)便快(kuai)(kuai)捷得(de)多。

　　3.SLS燒結聚苯乙(yi)烯粉末(mo)浸蠟模樣

　　SLS 最初是用(yong)(yong)激(ji)光(guang)(guang)將特(te)制(zhi)(zhi)的(de)(de)蠟(la)(la)(la)粉燒(shao)結成(cheng)蠟(la)(la)(la)模(mo)(mo)(mo)，很適合熔模(mo)(mo)(mo)鑄造(zao)的(de)(de)工藝特(te)點，早在 1990年底，美國(guo)已(yi)有(you)超過50家(jia)鑄造(zao)廠，生產多達約 3000個蠟(la)(la)(la)模(mo)(mo)(mo)，并成(cheng)功鑄出(chu)多種金屬鑄件(jian)。然(ran)而(er)，蠟(la)(la)(la)粉并不是最理想的(de)(de)制(zhi)(zhi)模(mo)(mo)(mo)材料(liao)(liao)，由它(ta)制(zhi)(zhi)成(cheng)蠟(la)(la)(la)模(mo)(mo)(mo)的(de)(de)強度不足，氣溫(wen)高時(shi)易(yi)軟(ruan)化變形，氣溫(wen)低時(shi)又容易(yi)碎斷。因(yin)此，1990 年代初期，美國(guo)一些(xie) SLA 用(yong)(yong)戶就嘗試采用(yong)(yong)聚苯乙(yi)烯(PS)或聚碳(tan)酸(suan)酯(PC)等熱塑(su)性(xing)塑(su)料(liao)(liao)粉末代替蠟(la)(la)(la)粉。此類材料(liao)(liao)制(zhi)(zhi)成(cheng)模(mo)(mo)(mo)樣(yang)(yang)(yang)疏松多孔(孔隙(xi)率達25%以上)，減輕了脫模(mo)(mo)(mo)時(shi)脹裂型(xing)殼(ke)的(de)(de)危險，型(xing)殼(ke)焙燒(shao)后灰分少，但模(mo)(mo)(mo)樣(yang)(yang)(yang)表(biao)面(mian)粗糙。因(yin)此，模(mo)(mo)(mo)樣(yang)(yang)(yang)制(zhi)(zhi)成(cheng)后需要浸蠟(la)(la)(la)和手工打(da)磨精(jing)整，使其表(biao)面(mian)光(guang)(guang)滑(hua)致密。目前這(zhe)種方法(fa)已(yi)在國(guo)內(nei)外普遍(bian)應用(yong)(yong)。