【解析】3D打印技術及其在快速鑄造成形中的應用

自2012年以來，“3D打印”作為一個科技產業(yè)熱點，在各類媒體上獲得了極高的曝光率，引起世界范圍學界及社會大眾的廣泛關注。3D打印技術，也稱增材制造技術，被認為是推動“第三次工業(yè)革命”的重要技術變革。 3D打印是一種基于數字模型文件，運用金屬粉 末或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，其實質也是一種材料成形技術。

這項技術早期被用于模具制造、工業(yè)設計等領域，并被首先應用初始模型的制作，后來才逐漸被應用于一些產品的直接制造。目前，這項技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、搶支等領域都有應用。作為一項具有前沿性、先導性的新興技術， 3D打印技術正在引發(fā)傳統(tǒng)生產方式和生產工藝的 深刻變革。

3D打印技術的發(fā)展對于鑄造行業(yè)的發(fā)展同樣 具有重要意義，其在鑄造行業(yè)中的引入推動了傳統(tǒng) 鑄造成形技術的發(fā)展和革新，并迅速改變著鑄造行業(yè)的面貌。目前3D打印技術在鑄造工藝流程中的應用包括兩個不同的層次：通過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打印方式修復鑄件缺陷或組合制造金屬構件，提高鑄件成品率。接下來我們簡要介紹3D打印技術的發(fā)展歷史，在此基礎上就3D打印技術在鑄造模樣或鑄型中的應用現狀進行評述。

13D打印技術的原理及其發(fā)展歷史
3D打印技術萌芽于19世紀的分層制造技術及 光固化技術。早在1890年，J.E.Blanther等就提出了通過分層制造來獲得立體地圖的方法，并申請了專利，該專利于1890年得到美國專利局授權；1902年，CarloBaese申請的專利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這項專利于1904年得到美國專利局授權。這提示人們，三維形狀的獲取不僅可以通過傳統(tǒng)的切削減材方式來實現，也可以通過逐漸累加材料的方式來達成。 自3D打印技術被提出以來，人們發(fā)展了多種成形的技術途徑，根據這些技術的實現原理，可大致劃分為分層實體制造(,LOM)、選擇性激光燒結(SLS)、熔絲沉積制造(FDM)、立體印刷(SLA) 四個類別，其實現原理如圖1所示。

從圖中可以看出，這些方法雖然實現原理各有不同，但都是通過逐漸增加材料的方式來獲得零件外形，因此也被稱為増材制造技術(AdditiveManufacture)。 第一臺商業(yè)化運作的3D打印設備于1988年由美國3DSystems公司推出，該立體光刻快速成型機代號為SLA-1，它通過使激光按照預先設計的路徑逐層掃描光敏樹脂，并使之固化，從而獲得立體的構件。此后商業(yè)化的3D打印設備不斷被推出。

1991年Stratasys的FDM設備、Cubital的實體平面 固化(SolidGroundCuring,SGC)設備和Helisys的 LOM設備都實現了商業(yè)化。1992年DTM(現在屬于3DSystems公司)SLS技術研發(fā)成功。1994年德國 公司EOS推出了EOSINT選擇性激光燒結設備。 3D打印技術的發(fā)展與計算機技術的進步密不 可分。受限于早期計算機的處理能力，復雜構件3D打印的掃描路徑設計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計階段。隨著計 算機技術的不斷進步，三維造型軟硬件設計體系、二維剖層及掃描路徑設計方法、成形路徑實時控制的方法和技術不斷進步和完善，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打印機打印而成的汽車Urbee問世；2013年11月， 美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念” (SolidConcepts)設計制造出3D打印金屬gun，所依 照的模板是美軍經典裝備布郎寧1911式gun，其外觀上與原裝gun沒有差別，這一事件因其在科學倫理上存在的爭議及可能帶來的社會風險，進一步將 3D打印概念深入到民眾當中。

作為一種傳統(tǒng)的材料成形技術，鑄造擁有悠久的發(fā)展歷史；同時鑄造也是現代制造業(yè)的重要組成部分，幾乎所有的金屬材料在成形過程中都需要經歷鑄造這道工序。為了實現金屬零件生產，傳統(tǒng)的鑄造成形過程需要首先制備鑄造模樣，然后利用模樣及砂箱來翻制鑄型，再利用鑄型來約束液態(tài)金屬并導出凝固潛熱，使金屬完成凝固過程從而得到固態(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木材、塑料或金屬加工來實現，受到加工方法的限制，難于形成復雜的模樣結構，導致鑄件復雜性受到一定的限制。此外，傳統(tǒng)模樣加工耗時，無法兼顧小批量鑄件生產時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打印技術應用于模樣和鑄型的成形，取得了良好的效果。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展和介入，傳統(tǒng)鑄造工藝流程也開始發(fā)生轉變，3D打印技術的應用使得鑄造生產的靈活性得到顯著提升，鑄造生產周期得到大幅度縮減

23D打印的鑄造應用

2.13D打印技術在精鑄模樣制作中的應用
3D打印技術首先被應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技術均可用于蠟模的成形，但是由于獲得的蠟模強度較低，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。為解決模樣強度不足的問題，人們將成形所用的蠟料替換為其它類型材料，這樣制備出的模樣可以進行一定程度的加工以改善其表面光潔度，提高鑄件的表面質量；但是此后又暴露出了新的問題，如基于非蠟模樣制備的型殼容易開裂、模樣難于完全去除，脫模后殘余灰分高等。

美國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，通過工藝調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行后續(xù)加工，可以獲得較蠟質模樣更為優(yōu)異的表面質量。相比于其它模樣制備方法，FDM解決方案的顯著優(yōu)勢還體現在其更短的成形時間上。 美國Solidscape公司的MMII系統(tǒng)采用了熔滴沉積的方案來制備模樣，該系統(tǒng)采用兩個獨立噴頭來沉積原料，其中一個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模的壓型，所打印出的結構致密度較FDM方案的更高，模樣易于在脫模時去除，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周期，但是其模樣的3D打印時間較FDM方案更長，耗時可達到FDM方案的 3~5倍。 在早期采用3D打印技術獲得模樣的嘗試中，型殼開裂在使用非蠟基模料的情況下非常常見，其原因是在去除模樣的過程中，模樣因受熱膨脹而導 致了型殼的開裂。

為解決這一問題，3Dsystem公司采用了被稱為QuickCast的成形方案，通過在制備模樣時采用六角形、四方形或三角形的非實體打印模式，將模樣內部材料重量減小95%，形成為內部疏松的樹脂模樣，這種結構可以在較低的溫度下就軟化并向模樣內部潰縮，避免對型殼造成過大的應力，因而可降低型殼的開裂風險。需要注意的是，由于模樣內部結構較為疏松，在涂掛工藝之前有必要在模樣表面浸蠟并進行表面修整，以便獲得平整的型殼內腔，進而澆注出較高質量的鑄件。ZCorp公司則采用一種膠質淀粉原料Zp14進行3D打印，所獲得的制件經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，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。

西安交通大學也開展了將3D打印技術應用于鑄造領域的研究工作。李滌塵等提出的方法利用光固化快速成型技術實現了復雜內外結構成形，進而通過優(yōu)化水基漿料的成分和特性，采用凝膠注模技術獲得了可用于金屬澆注的陶瓷鑄型，實現了燃氣輪機渦輪葉片的鑄造，其技術路線如圖4所示。

2.23D打印技術在精鑄蠟模壓型制作中的應用
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件鑄件的鑄造生產。為了適應于較大批量的鑄件需求，有研究者開始將3D打印技術應用于蠟模壓型的制作，而后在通過所制作的壓型來批量壓制蠟模，以提高鑄件的生產效率。 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模。直接金屬激光燒結(DMLS)、激光凈形制造(LENS)技術均被成功地應用于壓型的3D 打印，以滿足快速將中等或較大批量鑄件快速推向市場的需求。

一些情況下，人們通過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模的壓型。室溫固化硅橡膠制模(RoomTemperature Vulcanizedsiliconrubbertooling-RTV)、環(huán)氧樹脂制 模(Epoxyresintooling)、噴涂金屬制模(Spraymetal tooling)等技術都被成功應用于壓型的間接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，其工藝實施過程如圖5所示，蠟模的制備需要通過如下步驟來完成：

(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)壓制蠟模。

所壓制的蠟模經修整、組合后，即可進行涂掛制備型殼，完成后續(xù)的精鑄流程。工藝適用性評估表明，當鑄件需求量在數十個的量級時，這一工藝具有較佳的適用性。

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

3D打印技術也正在改變砂型鑄造工藝流程現狀。在傳統(tǒng)的砂型鑄造生產過程中，需要熟練的技術工人依據圖紙或模樣來制作砂型，造型、制芯等工序往往耗費大量人力和時間。通過引入3D打印技術，這種局面也正在得到改變———人們已經可以通過3D打印技術快速制備所需的砂型結構，從而縮短造型工藝周期，減少對熟練技術工人的依賴。 砂型結構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。這一方案首先通過多個噴頭在平面上分區(qū)域噴布兩種不同的光聚合樹脂，其中一種樹脂用于形成支撐結構，另一種用于形成模樣實 體；然后通過紫外光曝光方式使樹脂固化，如此逐層累積獲得固結的實體結構；固化工藝完畢后使用溶劑將支撐部分樹脂溶去，以獲得帶有澆注系統(tǒng)的樹脂模樣。使用模樣翻制砂型、組合鑄型后即可澆注鑄件。

德國EOS公司則發(fā)展了直接3D打印砂型的技術方案。通過使用激光燒結的方式，使表面包覆聚合物的型砂粘接起來以形成鑄型結構，砂型及砂芯 都可通過這一方式來獲得，這一方案被EOS公司命名為DirectCastw，并于2000年在美國獲得了專利授權。我國武漢濱湖機電技術產業(yè)有限公司及北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司，也開發(fā)了類似的獲得砂型結構解決方案，自主研制了用于實現砂型快速成形的大尺寸SLS原型機，該方案及設備已在發(fā)動機缸體的砂型鑄造中得到應用，（如圖8）取得了良好的效果。

3展望與結論
3D打印技術正在改變鑄造技術的面貌，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用進行了介紹，而實際上3D打印在包括鑄件修復，以及鑄/鍛件+3D打印組合制造等多個方面都有研究和應用。盡管目前在一些實際的應用中3D打印仍然存在成形效率較低、尺寸精度較差等問題，但已經可以滿足實際生產的部分需要，因而得到了快速的發(fā)展。相信隨著3D打印技術自身的不斷完善及其與鑄造技術的進一步磨合，人們必將會迎來鑄造行業(yè)3D打印技術應用的新一波熱潮。


作者：張 渝 (上海中航商用航空發(fā)動機制造有限責任公司）
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