彭艷鋒 來源：e-works
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C~ u. 摘要 介紹了激光快速成型技術的起源和發(fā)展，通過精密鑄件生產(chǎn)過程質(zhì)量問題分析和解決方案論述，系統(tǒng)闡述了快速成型蠟模尺寸控制、蠟模變形控制、表面質(zhì)量控制的要點，對激光快速成型與精鑄結(jié)合技術在復雜、薄壁、大型精密型號產(chǎn)品領域的應用做出了探索性的研究。
pW,)yo4 關鍵詞 快速成型 蠟模 熔模精密鑄造
F[5sFk M7 1 引言 Pu0 <Clh 快速自動成型（Rapid Prototyping）技術是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術總稱。該技術解決了計算機輔助設計(CAD)中三維造型的“看得見，摸不著”的問題，能將屏幕上的幾何圖形快速自動實體化。它集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代化科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。其本質(zhì)是用積分法制造三維實體，將計算機中儲存的任意三維型體信息傳遞給成型機，通過材料逐層添加法直接制造出來，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。
\NF5)] : 2 國內(nèi)外動態(tài)和發(fā)展趨向 Ej#pM. 美國在發(fā)展快速自動成型技術方面，一直處于領先地位，一些著名的高校如麻省理工學院、得克薩斯大學和一批研究機構從政府和工業(yè)界取得了大筆開發(fā)、研究經(jīng)費，用于這項技術的進一步研究。各大公司紛紛購入成型機，以滿足爭分奪秒的市場需求。日本、德國、英國等都在研究新的成型技術，開發(fā)新產(chǎn)品�，F(xiàn)已有2500 多套快速成型機分布在世界各地的不同領域。
ZFFKv 自從快速自動成型問世后，國外就很重視其與傳統(tǒng)精密鑄造技術相結(jié)合，繼而產(chǎn)生了快速鑄造�？焖俪尚图夹g在熔模精密鑄造中的應用可以分為三種：一是消失成型件（模）過程，用于小量件生產(chǎn)；二是直接型殼法，也用于小量件生產(chǎn)；三是快速蠟模模具制造，用于大批量生產(chǎn)。這三種方法與傳統(tǒng)精密鑄造相比，解決了傳統(tǒng)方法的蠟模制造瓶頸問題，其流程示意如圖1。
*$ kpS ph 國內(nèi)目前主要有北京隆源、華北工學院、華中理工大學等在進行快速成型設備生產(chǎn)與工藝研究。使用快速自動成型技術生產(chǎn)精鑄用蠟模的廠家主要有航空部材料研究所、北京鋼鐵研究總院、西安航天發(fā)動機廠等，取得了良好的經(jīng)濟效益。目前，該項技術已經(jīng)應用于航空、航天、機械、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。
#O,;3S 我公司選用的是北京隆源快速成型公司生產(chǎn)的AFS－320MZ設備。該設備采用固態(tài)粉末材料逐層選區(qū)激光燒結(jié)技術，目前主要是與公司現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，生產(chǎn)用于熔模鑄造的蠟模。
SCq:jI 3 蠟模的激光快速成型 /3KPK4!m 我公司在引進快速成型技術前，采用圖1 所示的傳統(tǒng)精鑄工藝生產(chǎn)。對于新產(chǎn)品的研制，生產(chǎn)周期相當長，其中壓型的設計及生產(chǎn)又占據(jù)了較長的時間。如圖2 所示的支架類零件，其形狀并不復雜，如果采用設計壓型進行生產(chǎn)，其模具的設計、生產(chǎn)周期約需2～3 個月，模具投入生產(chǎn)到得到鑄件還需半個月的時間。而快速成型設備恰好具備這方面的優(yōu)勢，利用其特點，3 天內(nèi)可以得到零件蠟模樣件，再花半個月即可得到鑄件。
(`)ZR %i 使用激光快速成型設備制作蠟模，最關鍵是要控制蠟模的尺寸和變形，同時盡可能地提高蠟模的表面質(zhì)量。
{^*K@c A9 ;!\Wo 3.1 蠟模尺寸控制
Usl963A#'F 我公司現(xiàn)使用Pro_Engineer 進行三維造型，并將其轉(zhuǎn)換成STL 文件格式；再使用Magics RP 軟件導入該STL 文件，合理放置后進行切片處理，導出CLI格式文件；然后使用隆源公司的ARPS 軟件將其轉(zhuǎn)換為設備使用的AFI 文件；最后導入快速成型設備進行生產(chǎn)。
4Je[ !X@C 要控制蠟模尺寸，先需根據(jù)合金收縮率、模殼膨脹系數(shù)、工藝方案給出蠟模X、Y、Z 方向上的線收縮率。該收縮率確定后，可以在Magics RP 軟件對零件處理時首先進行放縮，這樣即可得到理想尺寸的蠟模，繼而獲得鑄件。通過對鑄件尺寸的測定反過來可再次對蠟模尺寸進行協(xié)調(diào)，最終獲得合格的蠟模和鑄件。例如某鑄鋼件，按最初的工藝方案生產(chǎn)，設定其綜合收縮率為2％，經(jīng)過對鑄件的實際測量，其綜合收縮率變?yōu)?.7％，只需在Magics RP 軟件下，對模型的放縮進行調(diào)整即可校正蠟模尺寸。如果采用壓型生產(chǎn)，該收縮率的調(diào)整將可能導致其報廢，除造成成本大幅提高，其生產(chǎn)周期至少耽誤半年以上。
Y9r##r+ 對于鑄件生產(chǎn)過程中存在阻礙收縮等非自由收縮情況，導致鑄件非線性收縮嚴重，繼而影響到鑄件尺寸精度時，我們可以在使用Pro_Engineer 進行三維造型時考慮，直接根據(jù)其收縮關系繪出實際使用的蠟模尺寸，最終獲得合格的鑄件。
0@LC8Bz+' 3.2 蠟模變形控制
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P 如何有效地控制蠟模的變形，需要先了解激光選區(qū)的燒結(jié)原理。北京隆源選區(qū)激光燒結(jié)成型系統(tǒng)的主體結(jié)構是：在一封閉成型室中裝有兩個活塞筒，一個用于供粉，另一個用于成型。加工開始時，供粉活塞上移一定量，鋪粉滾筒將粉均勻地鋪在加工平面上，激光束在計算機的控制下，透過激光窗口以一定的速度和能量密度掃描，激光束掃過之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的片層，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣零件的第一層就制造出來了。這時，成型活塞下移一定距離，這個距離與設計零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定量。鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后，激光束開始依照設計零件第二層的信息掃描。激光掃過之后，所形成的第二個片層同時也燒結(jié)在第一層上。如此反復，一個三維實體就制造出來了。如圖3所示。
u.rFZu?E\ 選區(qū)激光燒結(jié)成型與其它許多快速成型方法不同，不需要先搭支架。在激光燒結(jié)前未燒結(jié)的松散的粉末作了自然支架。這對含懸臂結(jié)構(Overhangs)、中空結(jié)構(hollowed areas)、和槽中套槽(nothces withinnotches)結(jié)構的零件制造很有效。對這些松散的粉末進行加熱處理可以使之粘結(jié)，加熱溫度越高其板結(jié)程度越高，其對零件的支撐作用就越顯著，可以更好地防止零件（蠟模）變形；但加熱溫度越高，未燒結(jié)粉末越板結(jié)，蠟模清理就越困難；因此，我們需要采取多種措施來防止蠟模的變形。以下是幾個典型零件的示例。
k esuM3 3.2.1 支座
76eF6N+%}t ^hRx{A 支座示意圖如圖4。從剖視圖上可以看出，該零件壁厚差別大，按0.2mm 一層切片，激光功率22.5W。燒結(jié)制造的蠟模薄壁和厚壁交接處沿圓周方向有一圈縮陷，沿零件軸線方向約10mm，中間縮陷最深處約1.2mm。其產(chǎn)生原因是由于該處壁厚差別大，有熱節(jié)，粉末燒結(jié)收縮不勻造成。因此，我們對蠟模的三維原型進行了鏤空處理，同時在懸空凸臺部位加上一些支撐薄片，防止變形，如圖5 所示。
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從圖5 可以看出，鏤空后的三維原型壁厚4mm均勻。然后使用原參數(shù)對該模型進行切片、激光選區(qū)燒結(jié)，獲得的蠟模無縮陷，強度能滿足后續(xù)工作要求。并且該鏤空及壁厚均勻化處理極大地縮小了蠟模的截面積，使激光選區(qū)燒結(jié)的時間從原來的8.5h 減少到現(xiàn)在的4.5h，縮短了約一半的激光燒結(jié)時間；同時，由于蠟模內(nèi)部PSB 粉料未曾燒結(jié)，鉆孔倒出后可節(jié)約大量粉料，而且蠟模鏤空后還能縮短浸蠟時間。綜上所述，該零件蠟模鏤空處理后可極大地降低原材料成本、生產(chǎn)成本，同時由于蠟模重量的減輕可降低后續(xù)工作的勞動強度。
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