機械鑄造生產中快速成型技術的應用

馬夢奇

摘要：科技的進步為計算機技術的發展起到了積極的推動作用，在此基礎上發展起來的快速成型技術也有了明顯的提升，該技術作為一項新興技術，隨著技術的不斷優化、應用的逐漸廣泛，被廣泛關注。該技術的應用可以彌補傳統工藝的弊端，降低生產成本，提高生產效率，對制造業生產發揮著非常積極的作用。基于此，本文就機械鑄造生產中快速成型技術的應用展開研究，首先闡述了快速成型技術的原理，其次對其的應用進行了深入的分析，以期能夠為機械鑄造生產水平的提高起到帶動作用。

關鍵詞：機械鑄造;快速成型技術;應用

0? 引言

近年來，在市場經濟不斷快速發展下，機械鑄造企業的生產水平得到了大幅度提升。但是在其快速的發展中也存在一些問題，比如機械鑄造企業生產時難以提高產品生產效率，生產時間耗費過長。在傳統生產中，機械鑄造企業的技術水平較低，導致產品質量無法滿足標準要求，為了提高機械鑄造技術，企業在發展中通過引入先進的計算機技術，提高產品生產技術，增強企業的市場競爭力。在機械鑄造中應用快速成型技術可以提高企業生產效率，更好設計產品，使產品不僅可以提高質量，也能夠提高美觀度。

1? 快速成型技術概述

1.1 概念

快速成型技術屬于國際新型技術，其核心在于計算機和材料這兩種技術。該技術將傳統機械加工方法摒棄掉，按照CAD將零件幾何信息生成出來，通過三維數控成型系統，利用激光束等方法堆積材料進而形成零件[1]。通過該方法制成的零件無需耗費大量時間、精力制作模具、工具等進行設計加工，只需要在計算機系統中數據相應的參數，在加工設備中添加材料，進而生成零件。該技術的應用不僅可以提高生產效率和產品質量，同時也能夠提高制造柔性。當前快速成型技術的方法包括立體平板印刷法、陶瓷殼、激光分層燒結、逐層輪廓成型、熔化堆積等等方法。這些方法各有特點，但是工藝過程基本一致。市場上廣泛使用的方法是立體平板印刷法。

1.2 原理

快速成型技術屬于先進制造技術中的一種，其不僅在制造思想和方法上有所進步，同時也在零件制作質量、性能夠、尺寸、速度等方面均有所突破，進展幅度相當大。該技術原理是：順著一個坐標方向將多個二維平面疊加起來形成三維零件，利用CAD軟件中的三維實體模型將其離散成多個平面幾個星星，之后利用粘接、熔結、聚合等操作或是化學反應逐層對液體材料進行固化、粘接，進而快速堆積制作出與要求相符的零材料，制造方式也是不斷將材料根據要求加入到未加工完的零件中，直到零件制作完成[2]。

1.3 類型

快速成型技術需要應用計算機技術和材料技術，其與時代發展相符，因此該技術應用廣泛。當前該技術的類型較多，主要可以分為以下幾種：

①光固化成型。該技術是利用液態光敏樹脂為原料，根據零件截面形狀軌跡將其通過激光照射進液體樹脂中，進而使其固化。固化后的液態樹脂表面會有一層新的液態樹脂，同樣適用激光照射法，之后將兩層樹脂粘結起來，重復操作直到完成零件生產。

②熔融沉積成型。該技術應用熱塑性能佳的材料，先融化材料，之后通過噴射器根據零件截面輪廓進行噴射，噴射一層后再向上移動一小段距離進行再次噴射，直到完成零件生產[3]。

③選擇性激光燒結。該技術一般應用在中空零件制作中，先要將原料粉末鋪在操作臺中，之后通過激光進行選擇性燒結，逐層進行燒結后，直到完成零件生產。

④分層實體制造。該技術可以用于實體零件的制造，主要應用錫箔、紙等材料，先將錫箔鋪在操作臺上，之后根據零件截面形狀利用激光切割錫箔，切割后再將新的錫箔粘結在一起，重復操作，直到完成零件生產。

2? 機械鑄造生產中快速成型技術的應用

機械鑄造和快速成型技術二者結合的產物就是快速鑄造成型技術，其能夠生產出多種材料、形狀多變、結構精細的零件，產品生產周期短，但是精度十分高，可以增強企業競爭力，而快速成型技術可以為企業生產更高水平的零件提供相應技術，將其應用潛力充分激發出來十分重要。按照鑄造方式的不同，可將其分為以下幾種方式：

2.1 直接鑄造法

直接鑄造法就是利用快速成型技術直接鑄造出零件的型殼、型芯，只需要簡單處理就能夠進行金屬澆注，進而制造出金屬零件。整個過程無需進行造型轉化，進而被稱為直接鑄造法。該工藝通常應用在單件零件制造和復雜零件制造中。根據是否需要制造殼型，又可以分為直接殼型制造和直接制模制造兩種方法。

2.1.1 直接殼型制造? 該制造技術是通過激光進行選擇性燒結，進而燒結被反應性樹脂材料所包裹的陶瓷粉，之后制作成型殼、型芯。CAD系統中，且可以直接轉化零件，將其變為殼型，之后進行搭配澆筑系統。型殼厚度為5-10mm，燒結時，先燒結非零件部位，零件部位為粉末[4]。燒結后，倒出粉末，在進行固化處理，進而得到最終型殼，之后澆筑即可得到金屬零件。該方法可以將傳統零件鑄造中的一些過程省去，極大的變革了傳統鑄造技術，鑄造速度快，無需模具、畫圖，設計師可以直接利用計算機技術在系統中設計制作型殼。但是，在制作時，需要考慮好型殼的厚度、表面粗糙度和固化工藝等。

2.1.2 直接制模制造? 該工藝無需激光選擇性燒結，其通過粘結劑選擇性粘接。通過CAD模型轉化模殼，之后使用熔模工藝制造零件。從設計到制造整個過程只需要短短10天，屬于金屬零件設計制造新突破。該工藝使熔模制造技術成為金屬零件成型更具有吸引力，由于其屬于柔性、環保公益，因此能夠制造出很多復雜零件，成型材料也為鑄造用砂，可以直接制作成砂型，運行成本低，成型規格大，材料便宜，可以在單件大型復雜零件制造中應用。

2.2 間接鑄造法

間接鑄造法就是快速成型技術制作鑄造的母型，再用母型進行零部件的鑄造。根據轉制次數的多少，又可以分為一次轉制法和二次轉制法兩種類型。

2.2.1 一次轉制法? 一次轉制法就是利用快速成型技術提供的母型，將其與普通砂型、熔模、消失模、真空等鑄造工藝直接結合起來進行金屬零件的制造。該制造過程從原型至成型需要歷經一次轉化，因此被稱為一次轉制法。該方法廣泛應用在單件小批量零件制造中。優點制作周期短，應用比較靈活。根據鑄造方式的不同，可分為以下三種類型：

①普通砂型制造。該工藝的應用需要選擇合適的數值材料制作原型，之后對表面進行噴鍍，或是采用逐層輪廓成型法制作原型，之后直接將模樣安裝到模板上應用。在進行砂型鑄造模板制造時，需要與專用軟件、快速成型技術結合起來。首先，利用專用軟件制造零件時，可以在其中加入加工余量、鑄造圓角等數據，之后將其共同添加到快速成型機中，自動制作零件[5]。制作的零件模樣可以用于拼裝模板，也能夠替代傳統木模的手工砂型，若是模型過大也可以分段制作，之后再組合起來。為了節約材料和實踐，一般會將模板背面制作為蜂窩狀，可以節省70%材料，表面厚度和蜂窩結構尺寸可以按照模板承受壓力確定。為保證模樣耐磨，可以將鋁合金等材料噴涂在表面。

②精密鑄造熔模成型。快速成型技術應用原型都可以利用熔模制造。陶瓷殼法就是直接制模制造，其利用電力模型形成固體三維陶瓷模殼，相對于熔模制造模殼而言，該技術可以直接使用計算機數據進行自動制造，形成陶瓷殼，不需要模具或是壓型，利用熔模鑄造能夠將制壓型、拉模等工序去除，縮短工期。該方法可以用于近凈形零件和中空零件。

③實型鑄造消失模成型。激光分層燒結、立體印刷、熔化堆積法等都能夠使用實型鑄造工藝。將耐火材料成型模樣放入到密封且具有干砂箱體內，將其中的空氣抽取掉，緊實砂型，并利用澆冒口將熔化后的金屬液放入到砂型內，將模樣燒掉，取代位置，進而構成金屬零件。但是，模樣燒掉后會留有灰分，對零件表面質量產生影響[6]。而激光燒結可以通過PMMA粉末進行模樣鑄造，可以解決燒掉后出現的灰分現象。

2.2.2 二次轉制法? 二次轉制法是利用快速成型技術中的母型，采用蠟、環氧樹脂、硅橡膠等材料澆筑形成軟模具，之后將其與熔模、陶瓷型、石膏型等制造工藝相結合，進而形成金屬零件[7]。整個過程需要歷經兩次及其以上的轉化，因此也被稱為二次轉制法。該方法廣泛應用在批量零件鑄造過程中，其應用的重點在于原型翻制軟膜尺寸精度比較高以及表面粗糙度好、模具定位準確等方面。

2.3 應用實例

機械鑄造實際生產過程中，快速成型技術廣泛應用在產品設計試制、裝配、性能分析等方面[8]。近年來，有些美國的汽車零部件制造企業利用先進的快速成型技術對變速桿進行試制，試制之后對其生產的樣品開展一些了試驗，驗證了產品安全性、合格性等。同時通過使用快速成型技術和普通鑄造技術進行對比試驗，分析結果可知：如果不使用快速成型技術，樣品制作、試驗需要花費的時間更多，成本更高。使用快速成型技術大約能比普通鑄造技術節約18周的時間，成本則可以大約節約4萬元。有些先進的美國汽車零部件公司，開始利用快速成型技術裝配發動機、設計進氣導管。在發動機設計過程中，傳統的氣缸頭模型制造需要花費大約30天時間，但是利用快速成型技術可以大大縮短模型制造時間，制造精度更高，不僅可以提高生產效率，也能夠提高產品質量。通過快速成型技術的成功應用，國外一些大型的生產企業采用新型的生產模式代替了原來的低端的生產模式。

3? 結束語

總而言之，快速成型技術在制造生產領域中的應用廣泛，且被該領域十分重視，其在機械鑄造生產中的應用成本低，工藝也更為靈活，可以生產尺寸大且結構復雜的零件。而隨著快速成型技術的逐漸優化完善，該技術在機械鑄造生產中的應用越發廣泛，其不僅將企業生產潛能充分發揮出來，同時也能夠提高生產效率和質量，極大力度研發新產品，進而增加經濟效益、社會效益等。同時，隨著機械產品的周期要求越來越短，這就要求快速成型技術能適應通用化的要求，在設計研發上要做到模塊化、標準化，增加通用互換性，提高效率。而實現快速成型技術的大面積推廣能使產品質量更為穩定，工作效率大為提高。因此，對于機械鑄造企業而言，其未來能夠在激烈的市場競爭中占據優勢地位，必須要完善自身生產技術，優化快速成型技術。

參考文獻：

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[3]曹健.快速成型技術在鑄造模具制造中的應用研究[J].南方農機，2020，51（05）：123-124.

[4]李嬌嬌.鑄造蠟3D打印機的設計與研究[D].河北農業大學，2018.

[5]朱濤.快速成型技術在集成制造及數控機械制造中的應用探究[J].微計算機信息，2018（008）：145-146.

[6]余聲.快速成型技術在集成制造及微機械制造中的應用探討[J].科學與信息化，2019（019）：119.

[7]方偉濤.機械制造中金屬材料快速成型技術探究[J].中國設備工程，2020（007）：189-191.

[8]常楨.新時期快速成型技術的研究及其在機械鑄造中的應用[J].科技致富向導，2013（20）：171.