基于SLS 電機鑄造用型芯的快速成型

張德龍，張慶華，張曉剛，張 昊

（甘肅機電職業技術學院，甘肅天水 741001）

0 引言

鑄造模型是鑄造生產中造型、制芯不可缺少的工藝裝備，它的質量優劣直接影響鑄件的質量、生產效率和經濟效益。對鑄造企業來說，優質的模型意味著可獲得高質量的鑄件，也意味著低成本、高產值和高利潤。傳統模型加工受限于模型的復雜程度，制造周期長且生產成本高。如鑄造中大量使用的木模不但易受環境影響發生尺寸變化，而且還存在表面硬度低、磕碰易損壞、使用壽命短等缺點。為滿足精密鑄造的要求，精確、快速生產鑄造用模型就成為當前急需解決的問題。

增材制造技術是一種基于“離散+堆積”的思想，將設計的三維數學模型分解為若干層平行離散的切片，將打印材料按切片層層堆積，逐層疊加，最終堆積成完整實體的成型技術。由于其最大的特點是對被加工零件的形狀沒有要求，故本文將其用于復雜型芯的制造中，解決了復雜型芯制造困難、精度低的問題[1-3]。

1 工藝原理

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）是增材制造工藝的一種，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Deckard 于1989 年研制成功。其工藝原理是首先采用鋪粉滾輪將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，然后利用二氧化碳激光器將粉末材料加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，最后控制系統控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結，并與下面已成型的部分實現粘結。當一層截面燒結完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型[4]。工藝原理如圖1 所示。

2 電機鑄造型芯模型處理

使用增材制造技術生產鑄造模型時，需要對模型進行相關處理，以保證模型滿足增材制造的工藝要求，同時還可以降低鑄造過程中的工藝缺陷出現的概論。常見的處理包括設計模型的修復、支撐結構的建立、排氣孔道的添加等。

2.1 模型修復

增材制造技術中使用的模型格式為STL，這是一種利用大量三角面片代替原模型輪廓的文件格式。在將在利用增材制造技術成型零件時，通常要對零件模型進行修復，這是由于將原模型轉換為SLT 格式后，STL 文件中可能會存在反向三角面片、壞邊、孔洞、縫隙、干擾殼體、重疊或交叉的三角面片等問題。這些缺陷的存在將影響增材制造過程的順利進行，如，打印路徑規劃錯誤、激光重復燒結、表面質量降低等。為此，利用Materialise Magics22.0軟件對該模型的STL 文件進行修復，修復結果如圖2 所示。

圖1 選擇性激光燒結（SLS）工藝原理

圖2 電機鑄造用型芯模型修復過程

2.2 支撐建立

由于覆膜砂的自支撐作用，激光燒結過程中一般可不用建立支撐，但是對于該模型需要構建支撐。這是由于SLS 加工時預熱溫度低，可能引起局部變形，添加支撐可以有效防止燒結時的變形。此外，由于激光燒結砂型在二次烘烤前強度比較低，為保證清砂工序的順利進行和減少二次固化中變形，對于細小的芯體和懸臂結構的砂型應添加支撐[5]。

與其他增材制造技術中使用的片狀支撐不同，覆膜砂材料在激光燒結過程中粉末顆粒聯接強度較低，故對于該模型應建立較為“強壯”的實體支撐。通過Magics 軟件對該模型建立的實體支撐如圖3 所示。

圖3 實體支撐

2.3 排氣孔道設計

覆膜砂的粒度分布在70～200 μm，成型后比傳統翻砂工藝制作的砂型更加致密，透氣性差。但鑄造工藝過程中，往往存在發氣量大的特點。因此，需要在覆膜砂材料的鑄造模型中設計更加合理的排氣通道，以保證鑄造過程的順利進行。使用增材制造技術進行砂型加工時，可以不用考慮模型的復雜程度。為此，本文通過對原模型的抽殼、布爾運算等操作，在模型內部設計出該模型的排氣孔道。

圖4 為添加排氣孔道的電機型芯模型。中心排氣孔道設計的優勢在于可以減少模型的橫截面面積，激光燒結質量得到改善，提高了砂型成型件的質量。同時，設計的排氣孔道可以將鑄造過程產生的高溫廢氣直接排至外界環境，無需穿越砂型排[6]。

圖4 電機型芯模型的排氣孔道

3 打印過程

3.1 打印參數及過程

使用選擇性激光燒結技術制造該型芯時，使用的材料為一種在球形石英砂表面包覆一層的酚醛樹脂的覆膜砂材料。其直徑約為0.1 mm。使用杭州先臨公司EP-C7250 型樹脂砂型3D 打印機完成該型芯的制造，打印時的工藝參數為：激光功率50 W、激光掃描速度1000 mm/s、掃描路徑為鋸齒形、鋪粉層厚0.2 mm、成型艙溫度場為65 ℃。最后得到的型芯模型如圖5 所示。

3.2 后處理過程

覆膜砂材料經過激光燒結后，質地相對松軟，還要進行相應后處理，以提高模型的使用性能[7]。后處理操作主要有表面浮沙清除、表面硬化、整體硬化。具體方法如下。

（1）表面浮沙清除。激光燒結時，除了直接燒結位置，周圍還存在熱影響區，該區域的粉末不能完全熔化燒結只產生了黏附作用，需要在制作完成后利用毛刷和壓縮空氣進行清理。

（2）表面硬化。激光燒結后的模型還是比較松軟，還使用丁烷噴槍對模型表面進行燒結，以保證模型在搬運過程中不易損壞，同時還能減少后續處理過程對砂型表面的破壞。

（3）整體硬化。在激光燒結過程中覆膜砂不能完全融化黏結，故還需要在190 ℃下進行9 h 的整體烘烤硬化，使得內部覆膜砂完全黏結。

（4）最終表面清理。清理鑄型表面黏附的珠光砂，去除不必要的支撐結構，并對曲面及支撐殘留區域進行打磨，以達到使用要求。

圖5 激光燒結技術成型的型芯制件

4 精度測量

覆膜砂制件表面起伏較大、表面硬度低，同時鑄造型芯曲面較多、結構復雜，導致傳統接觸式測量不能滿足測量要求。

三維激光掃描系統一般每秒能投射出40 萬個點進行圖像的采集，相對于接觸式測量，其獲得的數據更加全面、精確，能有效避免數據檢測時的局限性和片面性。為此，本文選用三維激光掃描系統對該型芯進行掃描與測量。測量結果如圖6 所示。

圖6 測量尺寸誤差分布

通過測量發現：最大正尺寸誤差為1.261 9 mm，最大負尺寸誤差為-0.813 4 mm，平均誤差為-0.265 5，模型尺寸誤差處于合理范圍內。但是發現尺寸誤差在成型件不同位置上存在較大差異。對于成型平面XY 來說，與設計尺寸偏差最小，尺寸精度較高；曲面位置處，成型尺寸存在負誤差，且集中于零件界面尺寸較大的位置（圖7 深色位置）；而對于高度方向Z，成型尺寸比設計尺寸都偏大，產生了明顯的“Z 軸盈余”現象；平均誤差為負誤差，該現象主要是由后處理操作造成的。

圖7 型芯的三維掃描與測量

觀察截面測量值，最大偏差出現在排氣孔內腔，出現誤差的主要原因是壁面黏附覆膜砂粉末，但該位置對鑄造工藝過程不產生影響，可以忽略不記。對鑄造工藝過程能產生影響的最大偏差則出現在型芯最上側，誤差為+0.9 mm，主要原因是STL 文件轉換時造成的臺階作用及黏附覆膜砂粉末，經過檢測后，可在此位置進行略微打磨，以達到設計尺寸精度要求?？梢娎迷霾闹圃旒夹g生產的鑄造型芯能滿足鑄造工藝要求。

5 結論

（1）增材制造的優勢是設計和制造時的自由性，可以解決復雜鑄造模型型腔（型芯）制備困難的問題。設計時可以添加合理的排氣孔道，這有助于改善鑄造工藝性能。

（2）選擇性激光燒結制造的覆膜砂型芯可以替代傳統鑄造模型，實現一體化復雜鑄型的成型。本文驗證了基于增材制造技術設計和制造鑄造用模型的可行性。

（3）使用非接觸式測量方案，不但解決了復雜砂型難以測量的問題，而且可以獲得更加精確的可視化數據圖，如測量誤差分布圖、截面數模對比圖、三維數模對比圖。