【解析】3D打印技術(shù)及其在快速鑄造成形中的應(yīng)用

自2012年以來(lái)，“3D打印”作為一個(gè)科技產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)，在各類(lèi)媒體上獲得了極高的曝光率，引起世界范圍學(xué)界及社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)，也稱(chēng)增材制造技術(shù)，被認(rèn)為是推動(dòng)“第三次工業(yè)革命”的重要技術(shù)變革。 3D打印是一種基于數(shù)字模型文件，運(yùn)用金屬粉 末或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，其實(shí)質(zhì)也是一種材料成形技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)早期被用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，并被首先應(yīng)用初始模型的制作，后來(lái)才逐漸被應(yīng)用于一些產(chǎn)品的直接制造。目前，這項(xiàng)技術(shù)在珠寶、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車(chē)，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、搶支等領(lǐng)域都有應(yīng)用。作為一項(xiàng)具有前沿性、先導(dǎo)性的新興技術(shù)， 3D打印技術(shù)正在引發(fā)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝的 深刻變革。

3D打印技術(shù)的發(fā)展對(duì)于鑄造行業(yè)的發(fā)展同樣 具有重要意義，其在鑄造行業(yè)中的引入推動(dòng)了傳統(tǒng) 鑄造成形技術(shù)的發(fā)展和革新，并迅速改變著鑄造行業(yè)的面貌。目前3D打印技術(shù)在鑄造工藝流程中的應(yīng)用包括兩個(gè)不同的層次：通過(guò)3D打印獲得鑄造模樣或鑄型從而縮短、加速鑄造工藝流程；采用3D打印方式修復(fù)鑄件缺陷或組合制造金屬構(gòu)件，提高鑄件成品率。接下來(lái)我們簡(jiǎn)要介紹3D打印技術(shù)的發(fā)展歷史，在此基礎(chǔ)上就3D打印技術(shù)在鑄造模樣或鑄型中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述。

13D打印技術(shù)的原理及其發(fā)展歷史
3D打印技術(shù)萌芽于19世紀(jì)的分層制造技術(shù)及 光固化技術(shù)。早在1890年，J.E.Blanther等就提出了通過(guò)分層制造來(lái)獲得立體地圖的方法，并申請(qǐng)了專(zhuān)利，該專(zhuān)利于1890年得到美國(guó)專(zhuān)利局授權(quán)；1902年，CarloBaese申請(qǐng)的專(zhuān)利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這項(xiàng)專(zhuān)利于1904年得到美國(guó)專(zhuān)利局授權(quán)。這提示人們，三維形狀的獲取不僅可以通過(guò)傳統(tǒng)的切削減材方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)逐漸累加材料的方式來(lái)達(dá)成。 自3D打印技術(shù)被提出以來(lái)，人們發(fā)展了多種成形的技術(shù)途徑，根據(jù)這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，可大致劃分為分層實(shí)體制造(,LOM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔絲沉積制造(FDM)、立體印刷(SLA) 四個(gè)類(lèi)別，其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

從圖中可以看出，這些方法雖然實(shí)現(xiàn)原理各有不同，但都是通過(guò)逐漸增加材料的方式來(lái)獲得零件外形，因此也被稱(chēng)為増材制造技術(shù)(AdditiveManufacture)。 第一臺(tái)商業(yè)化運(yùn)作的3D打印設(shè)備于1988年由美國(guó)3DSystems公司推出，該立體光刻快速成型機(jī)代號(hào)為SLA-1，它通過(guò)使激光按照預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑逐層掃描光敏樹(shù)脂，并使之固化，從而獲得立體的構(gòu)件。此后商業(yè)化的3D打印設(shè)備不斷被推出。

1991年Stratasys的FDM設(shè)備、Cubital的實(shí)體平面 固化(SolidGroundCuring,SGC)設(shè)備和Helisys的 LOM設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。1992年DTM(現(xiàn)在屬于3DSystems公司)SLS技術(shù)研發(fā)成功。1994年德國(guó) 公司EOS推出了EOSINT選擇性激光燒結(jié)設(shè)備。 3D打印技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步密不 可分。受限于早期計(jì)算機(jī)的處理能力，復(fù)雜構(gòu)件3D打印的掃描路徑設(shè)計(jì)和控制均存在較大難度，因而 3D打印在很大程度上還處于概念設(shè)計(jì)階段。隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維造型軟硬件設(shè)計(jì)體系、二維剖層及掃描路徑設(shè)計(jì)方法、成形路徑實(shí)時(shí)控制的方法和技術(shù)不斷進(jìn)步和完善，將3D打印推向了新的發(fā)展階段。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車(chē)Urbee問(wèn)世；2013年11月， 美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念” (SolidConcepts)設(shè)計(jì)制造出3D打印金屬gun，所依 照的模板是美軍經(jīng)典裝備布郎寧1911式gun，其外觀上與原裝gun沒(méi)有差別，這一事件因其在科學(xué)倫理上存在的爭(zhēng)議及可能帶來(lái)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步將 3D打印概念深入到民眾當(dāng)中。

作為一種傳統(tǒng)的材料成形技術(shù)，鑄造擁有悠久的發(fā)展歷史；同時(shí)鑄造也是現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分，幾乎所有的金屬材料在成形過(guò)程中都需要經(jīng)歷鑄造這道工序。為了實(shí)現(xiàn)金屬零件生產(chǎn)，傳統(tǒng)的鑄造成形過(guò)程需要首先制備鑄造模樣，然后利用模樣及砂箱來(lái)翻制鑄型，再利用鑄型來(lái)約束液態(tài)金屬并導(dǎo)出凝固潛熱，使金屬完成凝固過(guò)程從而得到固態(tài)的鑄件。模樣制作是鑄造的第一步工序，傳統(tǒng)的模樣制作通常通過(guò)木材、塑料或金屬加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，受到加工方法的限制，難于形成復(fù)雜的模樣結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鑄件復(fù)雜性受到一定的限制。此外，傳統(tǒng)模樣加工耗時(shí)，無(wú)法兼顧小批量鑄件生產(chǎn)時(shí)的靈活性及精確性方面的要求。

在這種情況下，有研究者將3D打印技術(shù)應(yīng)用于模樣和鑄型的成形，取得了良好的效果。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和介入，傳統(tǒng)鑄造工藝流程也開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變，3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得鑄造生產(chǎn)的靈活性得到顯著提升，鑄造生產(chǎn)周期得到大幅度縮減

23D打印的鑄造應(yīng)用

2.13D打印技術(shù)在精鑄模樣制作中的應(yīng)用
3D打印技術(shù)首先被應(yīng)用于鑄造模樣的制作，尤 其是熔模精鑄中的模樣制作。SLS、FDM、SLA技術(shù)均可用于蠟?zāi)５某尚�，但是由于獲得的蠟?zāi)��?qiáng)度較低，在后續(xù)處理工序中易于破損，并不適合于薄壁件的鑄造生產(chǎn)。為解決模樣強(qiáng)度不足的問(wèn)題，人們將成形所用的蠟料替換為其它類(lèi)型材料，這樣制備出的模樣可以進(jìn)行一定程度的加工以改善其表面光潔度，提高鑄件的表面質(zhì)量；但是此后又暴露出了新的問(wèn)題，如基于非蠟?zāi)�樣制備的型殼容易開(kāi)裂、模樣難于完全去除，脫模后殘余灰分高等。

美國(guó)Stratasys公司采用了一種FDM増材制造解決方案（圖2），利用ABS塑料或蠟料直接獲取模樣，通過(guò)工藝調(diào)整均可以獲得良好的脫模特性；由于ABS塑料制成的模樣可以進(jìn)行后續(xù)加工，可以獲得較蠟質(zhì)模樣更為優(yōu)異的表面質(zhì)量。相比于其它模樣制備方法，F(xiàn)DM解決方案的顯著優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在其更短的成形時(shí)間上。 美國(guó)Solidscape公司的MMII系統(tǒng)采用了熔滴沉積的方案來(lái)制備模樣，該系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立噴頭來(lái)沉積原料，其中一個(gè)噴頭用于沉積熱塑性原料，另一噴頭用于沉積支撐的蠟料，沉積完畢后，支撐的蠟料部分可以去除，以獲得精細(xì)的模樣形態(tài)。采用MMII系統(tǒng)既可以直接獲得模樣，也可用于制作獲取蠟?zāi)５膲盒停�所打印出的結(jié)構(gòu)致密度較FDM方案的更高，模樣易于在脫模時(shí)去除，可以有效地避免灰分殘留。相比于傳統(tǒng)的熔模精鑄，這種方案可以大幅度縮短生產(chǎn)周期，但是其模樣的3D打印時(shí)間較FDM方案更長(zhǎng)，耗時(shí)可達(dá)到FDM方案的 3~5倍。 在早期采用3D打印技術(shù)獲得模樣的嘗試中，型殼開(kāi)裂在使用非蠟基模料的情況下非常常見(jiàn)，其原因是在去除模樣的過(guò)程中，模樣因受熱膨脹而導(dǎo) 致了型殼的開(kāi)裂。

為解決這一問(wèn)題，3Dsystem公司采用了被稱(chēng)為QuickCast的成形方案，通過(guò)在制備模樣時(shí)采用六角形、四方形或三角形的非實(shí)體打印模式，將模樣內(nèi)部材料重量減小95%，形成為內(nèi)部疏松的樹(shù)脂模樣，這種結(jié)構(gòu)可以在較低的溫度下就軟化并向模樣內(nèi)部潰縮，避免對(duì)型殼造成過(guò)大的應(yīng)力，因而可降低型殼的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，由于模樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，在涂掛工藝之前有必要在模樣表面浸蠟并進(jìn)行表面修整，以便獲得平整的型殼內(nèi)腔，進(jìn)而澆注出較高質(zhì)量的鑄件。ZCorp公司則采用一種膠質(zhì)淀粉原料Zp14進(jìn)行3D打印，所獲得的制件經(jīng)浸蠟后涂掛耐火材料，以制備型殼并最終澆注零件，其工藝流程如圖3所示。ZCorp公司所采用的3DP方案具有成本低廉，成形速度快的優(yōu)點(diǎn)，在薄壁鑄件制造中顯示出了較好的尺寸精確性，更適用于近凈成形鑄件的生產(chǎn)。

西安交通大學(xué)也開(kāi)展了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域的研究工作。李滌塵等提出的方法利用光固化快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜內(nèi)外結(jié)構(gòu)成形，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化水基漿料的成分和特性，采用凝膠注模技術(shù)獲得了可用于金屬澆注的陶瓷鑄型，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的鑄造，其技術(shù)路線如圖4所示。

2.23D打印技術(shù)在精鑄蠟?zāi)�壓型制作中的�?yīng)用
受打印周期的限制，模樣的直接3D打印一般適用于單件或數(shù)件鑄件的鑄造生產(chǎn)。為了適應(yīng)于較大批量的鑄件需求，有研究者開(kāi)始將3D打印技術(shù)應(yīng)用于蠟?zāi)�壓型的制作，而后在通過(guò)所制作的壓型來(lái)批量壓制蠟?zāi)�，以提高鑄件的生產(chǎn)效率。 壓型的3D打印制備分為直接打印和間接獲得兩種方式。壓型的直接獲得意味著通過(guò)3D打印直接制備出壓型，所制得的壓型再用于壓制一定批量的蠟?zāi)！Ｖ苯咏饘偌す鉄�結(jié)(DMLS)、激光凈形制造(LENS)技術(shù)均被成功地應(yīng)用于壓型的3D 打印，以滿(mǎn)足快速將中等或較大批量鑄件快速推向市場(chǎng)的需求。

一些情況下，人們通過(guò)3D打印首先獲得母模，然后使用母模翻制壓型，即間接獲得用于壓制蠟?zāi)５膲盒汀Ｊ覝毓袒�硅橡膠制模(RoomTemperature Vulcanizedsiliconrubbertooling-RTV)、環(huán)氧樹(shù)脂制 模(Epoxyresintooling)、噴涂金屬制模(Spraymetal tooling)等技術(shù)都被成功應(yīng)用于壓型的間接3D打印 制造。以采用室溫固化硅橡膠制模工藝的精密鑄造為例，其工藝實(shí)施過(guò)程如圖5所示，蠟?zāi)５闹苽湫枰�通過(guò)如下步驟來(lái)完成：

(a)建立鑄件的CAD模型；
(b)采用SLA方法制備光固化模樣；
(c)翻制RTV硅 橡膠壓型；
(d)壓制蠟?zāi)！?/font>

所壓制的蠟?zāi)＝?jīng)修整、組合后，即可進(jìn)行涂掛制備型殼，完成后續(xù)的精鑄流程。工藝適用性評(píng)估表明，當(dāng)鑄件需求量在數(shù)十個(gè)的量級(jí)時(shí)，這一工藝具有較佳的適用性。

2.33D打印技術(shù)在鑄型制作中的應(yīng)用
3D打印技術(shù)也被應(yīng)用于陶瓷型殼的直接成形。 1993年，位于美國(guó)加州的SoligenTechnology公司 在麻省理工學(xué)院發(fā)展的3DPAM技術(shù)基礎(chǔ)上，搭建了直接型殼制作鑄造系統(tǒng)(DSPC)，直接制備出包含內(nèi)部芯子的陶瓷 型殼，減少了傳統(tǒng)熔模精鑄中蠟?zāi)�壓制組合、制殼脫蠟等繁瑣工序。該DSPC系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)噴頭噴射硅溶膠的方式將剛玉粉末粘結(jié)起來(lái)，未被粘接的剛玉粉被移除，從而獲得型殼，所制備的型殼在進(jìn)行高溫焙燒以建立足夠的機(jī)械強(qiáng)度后，即可進(jìn)行金屬液的澆注。DSPC系統(tǒng)可以用于實(shí)現(xiàn)任意形狀的零件生產(chǎn)，同時(shí)也可適用于包括銅、鋁、不銹鋼、工具鋼、鈷鉻合金在內(nèi)的多種不同金屬材料的鑄件獲取，鑄件的生產(chǎn)周期可由傳統(tǒng)熔模精鑄的數(shù)周縮減至2-3天，目前這一系統(tǒng)已經(jīng)被用于制造鑄件原型及小批量的全功能鑄件生產(chǎn)。圖6為采用DSPC系統(tǒng)生產(chǎn)的進(jìn)氣歧管鑄件。

3D打印技術(shù)也正在改變砂型鑄造工藝流程現(xiàn)狀。在傳統(tǒng)的砂型鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，需要熟練的技術(shù)工人依據(jù)圖紙或模樣來(lái)制作砂型，造型、制芯等工序往往耗費(fèi)大量人力和時(shí)間。通過(guò)引入3D打印技術(shù)，這種局面也正在得到改變———人們已經(jīng)可以通過(guò)3D打印技術(shù)快速制備所需的砂型結(jié)構(gòu)，從而縮短造型工藝周期，減少對(duì)熟練技術(shù)工人的依賴(lài)。 砂型結(jié)構(gòu)的快速制備也可劃分為間接方式和直接方式兩種。圖7給出了以色列Objet公司發(fā)展的名為PolyJet的快速鑄造解決方案，這是一種間接獲取砂型的方案。這一方案首先通過(guò)多個(gè)噴頭在平面上分區(qū)域噴布兩種不同的光聚合樹(shù)脂，其中一種樹(shù)脂用于形成支撐結(jié)構(gòu)，另一種用于形成模樣實(shí) 體；然后通過(guò)紫外光曝光方式使樹(shù)脂固化，如此逐層累積獲得固結(jié)的實(shí)體結(jié)構(gòu)；固化工藝完畢后使用溶劑將支撐部分樹(shù)脂溶去，以獲得帶有澆注系統(tǒng)的樹(shù)脂模樣。使用模樣翻制砂型、組合鑄型后即可澆注鑄件。

德國(guó)EOS公司則發(fā)展了直接3D打印砂型的技術(shù)方案。通過(guò)使用激光燒結(jié)的方式，使表面包覆聚合物的型砂粘接起來(lái)以形成鑄型結(jié)構(gòu)，砂型及砂芯 都可通過(guò)這一方式來(lái)獲得，這一方案被EOS公司命名為DirectCastw，并于2000年在美國(guó)獲得了專(zhuān)利授權(quán)。我國(guó)武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司及北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司，也開(kāi)發(fā)了類(lèi)似的獲得砂型結(jié)構(gòu)解決方案，自主研制了用于實(shí)現(xiàn)砂型快速成形的大尺寸SLS原型機(jī)，該方案及設(shè)備已在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的砂型鑄造中得到應(yīng)用，（如圖8）取得了良好的效果。

3展望與結(jié)論
3D打印技術(shù)正在改變鑄造技術(shù)的面貌，并影響 著鑄造行業(yè)的發(fā)展方向。本文僅就3D打印在鑄造工藝流程中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，而實(shí)際上3D打印在包括鑄件修復(fù)，以及鑄/鍛件+3D打印組合制造等多個(gè)方面都有研究和應(yīng)用。盡管目前在一些實(shí)際的應(yīng)用中3D打印仍然存在成形效率較低、尺寸精度較差等問(wèn)題，但已經(jīng)可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的部分需要，因而得到了快速的發(fā)展。相信隨著3D打印技術(shù)自身的不斷完善及其與鑄造技術(shù)的進(jìn)一步磨合，人們必將會(huì)迎來(lái)鑄造行業(yè)3D打印技術(shù)應(yīng)用的新一波熱潮。


作者：張 渝 (上海中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司）
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