【解析】增材制造蠟?zāi)＜夹g(shù)在復(fù)雜薄壁構(gòu)件石膏型真空增壓生產(chǎn)中的應(yīng)用

3D打印增材制造蠟?zāi)＜夹g(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合是“3D打印”+“傳統(tǒng)制造”解決高端復(fù)雜薄壁構(gòu)件的一種新生產(chǎn)手段。采用蠟粉3D打印的蠟?zāi)＞哂腥埸c低、收縮小、表面光潔、變形量小等特點，解決了長期以來3D打印的PS粉模熔點高、收縮大、發(fā)氣量大等造成的脫模不完全、模殼開裂和環(huán)保問題。石膏型真空增壓技術(shù)具有復(fù)模性優(yōu)異、熱導(dǎo)率低、型腔表面光潔、構(gòu)件尺寸精確、表面質(zhì)量好、壓力補(bǔ)縮。利用3D打印蠟?zāi)��?qiáng)的脫模性、石膏型真空增壓技術(shù)的優(yōu)異復(fù)模性和成形的優(yōu)點，特別適合于尺寸精確、表面光潔、內(nèi)部質(zhì)量要求高的中小薄壁復(fù)雜輕合金構(gòu)件的精密成型。本文通過介紹一些典型復(fù)雜薄壁構(gòu)件案例，進(jìn)一步展示3D打印增材制造蠟?zāi)＜夹g(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合的優(yōu)勢。

一、意義
迄今為止，復(fù)雜薄壁構(gòu)件大多采用諸如車削、鑄造、鍛造和焊接等方法制造。近年來高速切削及電解加工技術(shù)在復(fù)雜薄壁零件加工中也取得了很大的進(jìn)展。然而復(fù)雜薄壁構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件剛性較差，強(qiáng)度弱，在車削或鍛造、焊接加工過程中容易發(fā)生加工變形，使零件的形位誤差增大，加工質(zhì)量難以符合要求。尤其是鋁合金復(fù)雜薄壁構(gòu)件的加工一直是個難點。

采用傳統(tǒng)鑄造工藝來制造復(fù)雜薄壁零件困難很多，目前國內(nèi)外普遍采用金屬模具壓型獲得零件的蠟?zāi)�，然后通過精密鑄造生產(chǎn)復(fù)雜薄壁零件，這種方法存在制模周期長、成本昂貴等問題。美國太克公司生產(chǎn)的波音767飛機(jī)上的燃油增壓泵殼體。其外形和結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，用A356鋁合金澆注成形，重6.3kg。該鑄件模組由22個蠟?zāi)７謩e壓制后再組合成四個組合蠟?zāi)�，然后把這四個組合蠟?zāi)＝M裝成增壓泵殼體整體蠟?zāi)＃�用石膏混合漿料灌注成石膏型，在真空下澆成鑄件。又如航空電子儀器設(shè)備的殼體和機(jī)架，為保證電路系統(tǒng)工作穩(wěn)定，希望將屏蔽室、印刷電路導(dǎo)板、散熱系統(tǒng)一次鑄出，形成整體的機(jī)殼鋁鑄件。

同時為了提高散熱效率和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，在鑄件表面上鑄出大量扁薄的散熱片和凸塊等，還可鑄成夾層結(jié)構(gòu)。美國波音公司研制生產(chǎn)的空射巡航導(dǎo)彈AGM-89B，該導(dǎo)彈彈體80%使用了鑄件，整個彈體用9個大型整體鑄件代替44個鋁精密模鍛——機(jī)加工——焊接而成的組合件。我國目前生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鑄件的主要方法是先生產(chǎn)金屬型模具再結(jié)合低壓鑄造、差壓鑄造、真空吸鑄及調(diào)壓鑄造等工藝制造出復(fù)雜薄壁金屬件，這種方式工藝開發(fā)周期長、出品率和成本率很低，費用高。采作快速熔模技術(shù)(3D打印增材制造蠟?zāi)：褪�膏型真空增壓相融合的技術(shù))可以從根本上解決我國在復(fù)雜薄壁鑄件生產(chǎn)中存在的問題，提高復(fù)雜薄壁鑄件的質(zhì)量，縮短開發(fā)制造周期，降低其生產(chǎn)和研制成本。

相對于PS粉模鑄造，蠟粉模鑄造更加環(huán)保，基本不產(chǎn)生有害氣體，蠟料可以回收利用，并且對于有復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件熔模鑄造更有優(yōu)勢。國外有關(guān)用于選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)用的蠟粉材料的研究很少有文獻(xiàn)報道。

目前，國內(nèi)SLS 制作熔模鑄造“蠟?zāi)！钡牟牧现饕�是聚苯乙�?PS)粉，該粉末燒結(jié)變形小、成型性能優(yōu)良、成型精度高且尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)。但PS基“蠟?zāi)！泵摮�困難且易產(chǎn)生脹殼現(xiàn)象，在一般的蒸汽脫蠟過程中只能脫去很少一部分，其它部分只有在高溫焙燒過程才能完全脫除，而這部分將全部轉(zhuǎn)化為氣體排放到空氣中，對環(huán)境造成很大的污染，以后必然會被環(huán)保材料所代替。如采用蠟粉作為SLS 材料，具有灰分少、易脫蠟、鑄造工藝與傳統(tǒng)工藝更為接近且無污染等特點。

石膏型真空增壓精鑄技術(shù)復(fù)模性優(yōu)異、熱導(dǎo)率低、型腔表面光潔、構(gòu)件尺寸精確、表面質(zhì)量好。利用了石膏型的優(yōu)異復(fù)模性和真空增壓成形的優(yōu)點，特別適合于尺寸精確、表面光潔、內(nèi)部質(zhì)量要求高的中小薄壁復(fù)雜輕合金構(gòu)件的精密成型，其最小壁厚可達(dá)0.8～1.5mm(局部0.5mm)，尺寸精度能達(dá)CT4～5級，薄壁件X光透視達(dá)到1級。石膏型真空增壓精鑄技術(shù)不僅可以大幅提高薄壁復(fù)雜輕合金構(gòu)件生產(chǎn)的成品率、內(nèi)部質(zhì)量及外部質(zhì)量。

3D打印增材制造蠟?zāi)＜夹g(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合，采用蠟粉進(jìn)行3D打印制作蠟?zāi)Ｔ偻ㄟ^石膏型真空增壓進(jìn)行復(fù)雜薄壁構(gòu)件快速制造意義十分重大。

二、重要技術(shù)

(1)3D打印增材制造蠟?zāi)＜夹g(shù)
設(shè)備選擇：采用選擇性激光燒結(jié)SLS設(shè)備HLP-800(由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā))，如圖1所示，最大成型尺寸(800mm*600mm*500mm)，選用蠟粉成型工藝模塊。其原理是將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面并刮平，高強(qiáng)度的CO2激光束在計算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件實心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進(jìn)行下一層的鋪粉燒結(jié)。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。

材料選擇：3D打印專用蠟粉(由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā))，熔點71℃，平均粒徑：56.3μm。
3D打印工藝：掃描速度1600/mm·s-1，激光功率9-16W，鋪份厚度0.1mm。

(2)石膏型真空增壓技術(shù)
設(shè)備選擇：石膏型制殼和焙燒生產(chǎn)線和電磁真空增壓澆注系統(tǒng)(由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)) 如圖2所示。

石膏型制殼和焙燒生產(chǎn)過程：將蠟粉3D打印蠟?zāi)＿M(jìn)行組樹后，在真空下進(jìn)行石膏灌注制型，灌制石膏干燥后進(jìn)行焙燒脫模，完全脫模和除水的石膏保溫等待澆注。

電磁真空增壓澆注系統(tǒng)：在電磁力作用下將金屬液驅(qū)動進(jìn)入型腔，充型平穩(wěn)、壓力執(zhí)行準(zhǔn)確、具有鑄造工藝執(zhí)行簡單，工藝重復(fù)性好。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①金屬液傳輸平穩(wěn)，避免由湍流而引起的氧化和吸氣，同時金屬液經(jīng)過磁場作用細(xì)化晶粒，對改善鑄件的組織、性能有積極的作用;②流量及加壓規(guī)范可精確、連續(xù)控制，反應(yīng)迅速準(zhǔn)確，可嚴(yán)格執(zhí)行鑄造工藝;③爐體內(nèi)不加壓縮空氣，并可在保護(hù)氣氛下工作，從而減少了氣體溶入，減少氣孔的形成。保溫爐容量350Kg;最大充型壓力0.05Mpa;充型及保壓時間范圍300秒;電腦設(shè)定工藝曲線為“壓力-時間”曲線;流量0-3.0Kg/s (單泵)，0-6.0Kg/s(雙泵)連續(xù)可調(diào);真空度10Pa;增壓壓力0.8Mpa。

(3)數(shù)字化鑄造工藝設(shè)計及模擬技術(shù)

采用鑄造工藝設(shè)計及模擬CASTsoft CAE/CAD技術(shù),是集鑄件重量、體積、模數(shù)、鑄造過程仿真、鑄造缺陷預(yù)測及結(jié)果顯示為一體，實現(xiàn)對鑄件中的充型流態(tài)、凝固過程、溫度場模擬、缺陷預(yù)測、冷卻速度分析、應(yīng)力分析，從而對鑄造過程中所涉及澆口、冒口、冷鐵、鑄型厚度、冒口套等工藝參數(shù)和工藝方案做出評價。 在模具制造和實際澆注前得到合理工藝，減少試澆注和修改模具次數(shù)，達(dá)到縮短開發(fā)周期和降低成本的作用。

通過工藝設(shè)計及模擬技術(shù)對石膏型真空平穩(wěn)充型控制、石膏型增壓凝固控制、石膏型真空增壓精鑄工藝設(shè)計與優(yōu)化，解決產(chǎn)生充型平穩(wěn)性、澆不足、冷隔、縮孔、縮松等缺陷，為分析研究電流與磁力匹配、構(gòu)件變截面加壓速度、澆注時間等關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步優(yōu)化澆冒系統(tǒng)、增壓壓力曲線、凝固順序、初始溫度等重要工藝參數(shù)。

三、生產(chǎn)流程圖

鑄件石膏型真空增壓熔模精密鑄造將以圖3為技術(shù)路線進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。

四、主要生產(chǎn)過程

1.結(jié)構(gòu)分析
針對薄壁復(fù)雜某鋁合金殼體研發(fā)需要，采用3D打印增材制造打印蠟?zāi)Ｔ龠M(jìn)行石膏型真空增壓熔模精密鑄造實現(xiàn)快速無模具生產(chǎn)。

某鋁合金殼體外形尺寸565×467×435(mm)，鑄件壁厚不均勻，最大壁厚45mm,最小壁厚在2mm左右，鑄件材料ZL101A合金，鑄件中內(nèi)孔需要安裝軸承，鑄件要承受一定的壓力;因此對鑄件的氣密性有一定的要求，鑄件結(jié)構(gòu)符合鑄造過程的順序凝固原則。通過結(jié)構(gòu)和質(zhì)量要求分析，采用石膏型真空增壓熔模精密鑄造方法，底部開設(shè)內(nèi)澆口使充型過程平穩(wěn)，減少氧化夾渣，配合多澆口和冒口壓力補(bǔ)縮工藝，通過澆注速度、模殼溫度、下部冷鐵來調(diào)整凝固順序，點冒口和保溫棉工藝，保證鑄件質(zhì)量。缸體外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4。

2.3D蠟?zāi)４蛴『统叽缇�密控�?/font>
將設(shè)計好的三維鑄型，通過前處理軟件和系統(tǒng)控制軟件，對鑄件進(jìn)行分層切片、STL文件錯誤修復(fù)、比例縮放、實體分割/組合，支撐填加、尺寸測量; STL、SSL、CLI圖形文件圖形文件讀入、STL圖形顯示、等間隔分層切片、自適應(yīng)分層切片、掃描軌跡優(yōu)化及控制代碼生成，加工時間預(yù)測等;可與工業(yè)CT掃描設(shè)備接口，對掃描數(shù)據(jù)文件(CLI)加工成型。掃描控制代碼讀入、加工參數(shù)設(shè)置、加工過程預(yù)熱溫度曲線設(shè)置、加工過程激光功率曲線設(shè)置，免支撐預(yù)熱等待溫度/時間設(shè)定。

根據(jù)某鋁合金殼體結(jié)構(gòu)特點和蠟粉材料特性，3D打印成型主要參數(shù)設(shè)置如下：
a、打印分層厚度：0.12mm;
b、設(shè)置激光光束在工作平面的運動速度:1200mm/s;
c、設(shè)置鋪粉直線單元的運動速度: 120mm/s;
d、激光器的實際輸出功率:9W;
e、供料裕量:0.05mm;
f、轉(zhuǎn)換因子:1.05。

經(jīng)過23個小時的設(shè)備加工生產(chǎn)出主體材料為自制蠟粉鑄件原型。這個原型還不能直接使用，需要做一下簡單的后處理工作。第一步對成型完成蠟件進(jìn)行未燒結(jié)粉清理，采用高壓氣槍對缸體蠟件進(jìn)行余粉吹除。第二步是把鑄件原型浸入到低溫蠟液體(溫度控制在55-60度之間)，是原型表面附著一次薄薄的石蠟，冷卻后再次浸入。第三步把冷卻后的原型表面打磨光滑，打磨的越光滑，實際生產(chǎn)出的鑄件表面光潔度越高。最后模件效果如圖5所示。

通過三座標(biāo)進(jìn)行尺寸測量，所有尺寸均在正常范圍內(nèi)，尺寸精密處于CT6- CT7，尺寸對比如圖6所示。

3.鑄造工藝設(shè)計和鑄造過程模擬分析
根據(jù)產(chǎn)品實際應(yīng)用要求，采用ZL101A材料進(jìn)行生產(chǎn)，先將鑄件毛坯輸出，進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計，確定工藝布置，冒口大小，澆注系統(tǒng)大小;再通過鑄造工藝模擬軟件進(jìn)行鑄造過程模擬，最后確定可行澆注工藝方案。具體方法分兩步完成：

步驟1：采用數(shù)據(jù)化鑄造工藝設(shè)計及模擬技術(shù)鑄造工藝設(shè)計CAD模塊進(jìn)行工藝熱節(jié)計算，確定冒口位置和冒口大小，確定鑄件工藝布局，確定澆注系統(tǒng)。

步驟2：采用采用數(shù)據(jù)化鑄造工藝設(shè)計及模擬技術(shù)鑄造工藝模擬CAE模塊進(jìn)行鑄造過程模擬，根據(jù)缺陷重新設(shè)計冒口、冷鐵和出氣孔，得到最終沒有縮孔縮松缺陷的鑄件(或者使缺陷維持在最小范圍)。通過造型、涂料及澆注溫度等方式保證表面質(zhì)量，再通過鑄造工藝模擬軟件進(jìn)行鑄造過程模擬，最后確定可行澆注工藝方案。最后確定可行澆注工藝方案如圖7所示，模擬結(jié)果如圖8所示，鑄造工藝蠟型組樹如圖9所示。

工藝優(yōu)化過程說明：
a)接合模擬和某鋁合金殼體結(jié)構(gòu)，通過改變冒口和澆口棒尺寸，反復(fù)進(jìn)模擬;最后消除了鑄造缺陷，確定了澆注工藝參數(shù)，澆注溫度在700+10度，模殼吃砂量12-15mm，焙燒溫度720度，模殼澆注溫度200度，澆注時間在15s左右，充型壓力為0.014Mpa,保壓壓力為0.12Mpa,保壓時間為10Min。質(zhì)量最好，工藝成功率最高。
b)為進(jìn)一步調(diào)整某鋁合金殼體上部微小熱節(jié)，在澆注前將焙燒完成鑄型上方放厚度為20mm大鐵板用于激冷。
c)為保證冒口和澆口棒充分補(bǔ)縮，在進(jìn)行焙燒前將鑄件熱節(jié)處放置冷鐵。

4. 某鋁合金殼體石膏型真空增壓熔模精密鑄造過程
由于某鋁合金殼體結(jié)構(gòu)特點和3D打印蠟?zāi)Ｌ匦�，熔模鑄造制殼，干燥，脫蠟方面與傳統(tǒng)蠟?zāi)：?D打印PS蠟?zāi)９に囉泻芏嗖煌��?br />
熔模制殼和干燥：將組好工藝樹的蠟型放在真空罐中，在真空條件下進(jìn)行灌槳，放在溫度為20度的室內(nèi)靜置15-20小時，待石膏型完全硬化。

脫蠟：3D打印缸體蠟?zāi)２捎米灾葡灧郏�材料成份與傳統(tǒng)中、低溫蠟相似，由于3D打印工藝的需要進(jìn)行組分調(diào)整，同時加入有利于蠟粉流動性的特殊組分，為了不對傳統(tǒng)回收蠟成分污染，選用蠟不進(jìn)行回收。蠟粉的熔點在80度以下，由于石膏對水的敏感性，不能采用水浴脫蠟(90-95℃)和高壓水蒸氣脫蠟(超過100℃)兩種方式進(jìn)行脫蠟。通過直接進(jìn)行焙燒加熱的方法進(jìn)行脫蠟，可以順利完成脫蠟工作。

本次采用焙燒脫蠟，具體參數(shù)為：a)脫蠟溫度：90-140℃;
b)脫蠟工具：焙燒爐;
c)脫蠟時間：1-3小時;
d)脫蠟前模組存放時間>12h，但模組存放不得超過3天;
e)脫蠟是否完成以澆口流蠟和冒煙顏色為判斷;
f)焙燒時間為2-3個工作日。
鑄件材料ZL101A，澆注溫度在700+10度，模殼吃砂量12-15mm，焙燒溫度720度，模殼澆注溫度200度，澆注時間在15s左右，充型壓力為0.014Mpa,保壓壓力為0.12Mpa,保壓時間為10Min。

鑄件精度及表面質(zhì)量的控制，采用先進(jìn)石膏型材料配方工藝技術(shù)、提高鑄型表面質(zhì)量及尺寸精度，提高鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量。從材料(金屬材料、鑄型材料)和工藝(殼體鋁合金熔煉工藝、精煉工藝;制殼、焙燒工藝;膏型材料配方工藝;充型工藝等)入手進(jìn)行缸體成形過程的全程質(zhì)量控制，形成規(guī)范的質(zhì)量控制規(guī)范及體系。采用先進(jìn)成份分析設(shè)備、機(jī)械性能檢測設(shè)備和探傷設(shè)備進(jìn)行材料成份、機(jī)械性能和鑄件內(nèi)部組織進(jìn)行保證。相關(guān)過程如圖10，如圖11，如圖12所示。

五、結(jié)論

通過薄壁復(fù)雜某鋁合金殼體無�？焖偕�產(chǎn)，很好的驗證了3D打印增材制造蠟?zāi)＜夹g(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合是“3D打印”+“傳統(tǒng)制造”解決高端復(fù)雜薄壁構(gòu)件的一種新生產(chǎn)手段。這種生產(chǎn)手段能夠解決制造周期長、加工量大、補(bǔ)焊、尺寸不穩(wěn)定、內(nèi)部缺陷多、反修次數(shù)多等現(xiàn)有制造問題，該技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)，單件小批量/復(fù)雜零部件/金屬模具制作方面優(yōu)勢明顯，可以實現(xiàn)4-7個工作日內(nèi)得到金屬產(chǎn)品。

作者：徐宏  安徽恒利增材制造科技有限公司