增材制造技術在鑄造工藝中的應用

王思遠

（河北工程大學，河北 邯鄲 056004）

鑄造作為一種傳統的金屬加工工藝，在人類生活生產中占據著舉足輕重的地位，傳統的鑄造技術對模具有很高的依賴，但是傳統的模具制造方式存在著加工精度低，工作量大,耗能高，污染大等缺點，當前我國復雜箱體類零件的研發和鑄造仍在使用傳統的木模或金屬翻砂工藝[1]，無法滿足當下日益增長的市場要求。由此，如何將傳統的鑄造行業與新興技術加以結合成為了當下的研究重點。增材制造是近年來得到蓬勃發展的一項制造技術，該技術結合了計算機輔助設計，以三維模型作為基礎，通過軟件與控制系統將材料逐層堆積，實現復雜零件的制造[2]，具有制造快捷，適應任何復雜零件，原材料廣泛的優點。由于其加工精度高，材料選擇范圍廣，可以制造形狀復雜的零部件等優勢，在諸如鑄造，航空，醫療，汽車，建筑，教育及軍工等諸多行業中都得到了廣發應用，尤其是在工業生產中的應用不僅逐年增長，而且在減少能源消耗方面有很大潛力[3]。

1 增材制造技術的原理

目前鑄造業主要采用選取激光燒結、立體光固化技術及疊層實體制造等技術。

選區激光燒結技術（SLS）是目前鑄造行業中經常采用的一項技術，該技術使用二氧化碳激光作為能源，使用的材料包括各種可被激光燒結的粉末材料如尼龍，蠟，聚苯乙烯，金屬等。打印零件時，激光在電腦的控制下對原料進行掃描，被掃描之處即被燒結成有一定厚度的片層，然后機器按照片層厚度進行鋪粉后繼續燒結出下一層，如此層層燒結最后即可得到目標零件。

圖1 選取激光燒結技術原理圖

立體光固化技術（SLA）是最早出現的一種增材制造技術，打印出的零件具有很高的表面精度。該技術主要采用樹脂為打印原料，使用特定波長的激光對光敏材料的表面進行照射使其按照切片要求的形狀凝固，在打印完一層后升降臺在垂直方向下降一個片層的厚度繼續打印下一層，由此最終打印出目標零件。

圖2 立體光固化技術原理圖

疊層實體制造技術（LOM）采用紙，塑料薄膜等原料，在打印時，激光在電腦控制下對涂有熱熔膠的薄膜材料按照切片形狀進行切割，然后加熱輥對片層進行加熱使其與下層已切好的片層進行粘結，之后零件已打印好的部分與薄膜分離并下降一個片層的高度，薄膜材料移動使新層移動到零件上方，進行下一層的打印。

圖3 疊層實體制造技術

2 傳統鑄造工藝的原理及其缺陷

傳統鑄造工藝主要包括砂型鑄造，熔模鑄造，消失模鑄造，其原理如下：

（1）砂型鑄造：砂型鑄造是非常傳統的鑄造方法，在進行砂型鑄造時首先要進行造型，造型方式包括手工造型和機器造型：手工造型時，采用木模樣進行造型或使用刮板進行造型；在機器造型時，則主要使用振壓造型機或射壓造型機進行造型。造型完畢以后，選擇合適的分型面，向型砂中倒入金屬液進行鑄造。

（2）熔模鑄造：該方法鑄造時，先制造壓型，即制造蠟模的專用模具，待完成后將蠟液壓入壓模中，即可得到單個蠟模，當鑄件結構復雜時，可將多個簡單的蠟模按照鑄件形狀進行拼接。在蠟模制造完畢后，對其表面涂抹涂料并撒上石英砂，經硬化后得到型殼，對型殼進行加熱使蠟液融化并倒出型殼，最后進行澆注，待冷卻后打破型殼即可得到鑄件。

（3）消失模鑄造；在采用消失模鑄造時，首先采用可揮發性材料制作模樣，在模樣制作完畢后向模樣表面涂抹光潔涂料及耐火涂料以提高其表面強度，之后將其放入砂箱內填入石英砂進行造型。最后對砂箱進行澆注，砂箱內的模樣會因高溫而汽化消失，最終獲得鑄件。

傳統鑄造中，除去澆筑時產生的氣孔，縮松和內應力等影響目標零件質量的因素，在制造精度方面主要存在以下問題：

（1）進行砂型鑄造時要先用模樣或使用刮板手工制造砂型，傳統的手工造型很依賴工人的經驗和水平，精度較低，而使用模樣造型時，模樣大多為木質，無法保證其制造精度且在制造復雜模樣時會遇到很大的困難。

（2）在進行熔模鑄造時，需要先制造壓型，再進行注蠟以得到單個的蠟模，在遇到復雜模樣時需要將許多單個蠟模按照鑄件進行拼接，比較費力；制造壓型時，通常采用金屬材料經機加工制成，生產成本高，耗時長。

（3）在消失模鑄造中，模樣制造主要采用模具發泡成型和手工切割。前者制造成本昂貴,加工周期長;后者加工效率低、精度差, 加工范圍有限[4]。

綜上我們可以總結出，傳統鑄造方法遇到的問題主要為無法保證零件尺寸精度、復雜模樣制造困難、生產成本高及生產時長。

3 增材制造在鑄造中的應用

增材制造將目標零件逐層切片，逐層進行加工，不同于傳統的減材制造，增材制造可以做出很復雜的零件，并且其加工精度很有保障，故可應用于模樣的生產之中，我們可以從增材制造的優點入手，將增材制造應用于鑄造技術中，從而解決傳統鑄造技術中的問題：

（1）增材制造在砂模鑄造中的應用：

目前，在進行砂模鑄造時，其所需要的模樣可以采用疊層實體制造法（LOM）進行制造，使用疊層實體制造打造的紙模具有很高的強度，可以進行一些機械加工，在對其表面進行防潮等處理后，即可將其作為砂模鑄造的模樣使用，該方法使用的原料易得且廉價，可以有效地節約生產成本，另外疊層實體制造法具有很高的生產速度，很適合大批量生產。

在小批量生產模樣且對其精密度要求高時，也可以使用立體光固化成型法（SLA），利用該技術可以快速的打印出樹脂材料的模樣，該技術打印的樹脂模樣具有很高的表面光潔度和很低的粗糙度，可以代替傳統的木質模樣。

（2）增材制造在熔模鑄造中的應用：

由于增材制造的材料可選擇范圍廣泛，可以被很好地應用于熔模鑄造之中去。選取激光燒結技術（SLS）可直接打印蠟粉，且該技術成本較低，可以節約傳統熔模鑄造中壓型工藝所消耗的成本，并且可制造很復雜的零件，增材制造和熔模鑄造的結合形成了一項新的工藝--快速熔模鑄造，利用該技術進行熔模鑄造制成的產品擁有很高的精度和強度，并且大大縮短了制造時間，節約了生產成本，目前在該領域的研究已經取得了很多成果，如宗學文成功將該技術應用于新型燃氣渦輪導向器的制造中[5]; 姜耀林等人采用立體光固化技術（SLA）打印離心泵葉輪樹脂模型, 經后期處理后使用該模型進行熔模鑄造, 最終得到的離心泵葉輪金屬件具有很高的精度[6]。

（3）增材制造在消失模鑄造中的應用：

在制造消失模時，傳統工藝一般采用與熔模鑄造鑄造蠟模時相似的工藝即首先壓型制造單個的消失模零件，最后再按要求將其組裝。選取激光燒結技術（SLS）以及立體光固化技術（SLA）可以直接使用高分子材料進行打印，直接制造消失模，這樣打印得出的消失模表面質量好，純度高，且有良好的強度，另外, 在經過拋光技術處理之后, 可以有效地消除表面氣孔, 很大程度上提高零件在尺寸和形狀上的精度, 可以將不銹鋼等材料的鑄造質量提高[7]。由于省去了壓型過程，可以節省生產成本。

除了上述的各種優勢，在使用增材制造制造模樣時，工人只需將處理好的零件文件導入加工設備中，按照規定確定好加工時的溫度曲線等加工參數后，機器就可以開始自動加工，大大減少了工人的勞動強度，改善了工人的勞動環境。

由此可見，增材制造在模樣的精密制造，復雜模樣的加工，以及人力成本方面都有突出優勢，是優良的問題解決方案。

4 增材制造應用時存在的一些問題

增材制造雖然在制造精度，復雜零件的生產，生產周期等方面相較傳統的鑄造方法有明顯優勢，但也存在著一些劣勢，如下：

（1）增材制造生產的零件尺寸較小，相比之下傳統模樣制造在大尺寸模樣的制造上有明顯優勢。

（2）增材制造技術使用高能激光束、成型過程處于高溫環境的特點使其容易產生變形和內部缺陷。此外控制方法、內部缺陷對性能的作用機制及檢測方法還尚未明確。

（3）一些增材制造設備的費用比較昂貴，還無法被普遍應用；一些打印所需的原料如光敏樹脂，也是比較昂貴的。

（4）增材制造使用的一些材料如某些高分子材料在打印過程中會產生一些有害物質，對環境造成惡劣影響。

綜上，目前增材制造主要的問題可以歸結為技術尚未完全成熟，這不僅反應在打印設備的昂貴、無法大規模、普遍的用于生產上，也體現在人們對增材制造內部機理的研究尚未完善上。我認為，未來增材制造的研究重點應落足于廉價材料的開發、成型速度的提升、打印零件內部性能的提升以及缺陷的解決方法等研究上。

5 結語及展望

在國家大力推廣“智能制造”的背景下，增材制造與傳統鑄造行業的結合是大勢所趨，增材制造在制造精度，復雜零件生產，生產時間，操作難度等方面的巨大優勢可以完美補足傳統制造業的短板與缺點，這必將引起鑄造業的一次產業變革，從而帶給該行業更好的發展，而隨著國家對增材制造技術的投入增大以及人們對該技術認知的不斷深入，增材制造的現有短板也一定會逐漸補全。

目前在一些高科技產業，例如爬壁機器人的研發中，機器人足底結構以及足底吸盤等結構的制造依然要依靠鑄造實現，比如劉彥偉等人制造的一種仿生爪刺式履帶爬壁機器人[8]，其足部的爪刺吸附結構即采用選取激光燒結技術制作；王蕊等人對章魚足部的吸附結構進行研究時[9]，使用樹脂增材制造技術制作其吸盤的澆筑模具。這些例子說明了傳統的鑄造行業要在現代社會繼續煥發生機，就一定要在類似機器人的制造等高新技術中有所應用，這就要求了鑄造行業要充分吸收新技術，剔除自身短板。未來的鑄造業不能再以低精度，大批量生產的印象示人，而是要充分與增材制造等新興技術進行融合，使鑄造技術成為一種既可以進行大規模生產，同時又可以保證零件精密度的生產技術。

作為目前潛力十足的一種新型加工技術，增材制造和傳統鑄造技術相輔相成，從而使二者的優點可以得到充分地發揮，在未來智能制造，綠色制造，高精度制造要求不斷提高的背景下，一定會大有作為。