基于熔融沉積技術(shù)的快速熔模鑄造工藝實(shí)踐

供稿|傅 駿，向召偉，鄧珍波，殷國富

基于熔融沉積技術(shù)的快速熔模鑄造工藝實(shí)踐

供稿|傅 駿1，2，向召偉1，鄧珍波1，殷國富1

內(nèi)容導(dǎo)讀

確定新產(chǎn)品的熔模鑄造工藝需要反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)周期長，成本高。利用熔融沉積技術(shù)(FDM)打印ABS模樣，采用常規(guī)方法用蠟制造澆冒系統(tǒng)模樣，二者黏接組成模組。涂掛試驗(yàn)配方的涂料實(shí)現(xiàn)掛砂，通過高壓釜脫蠟和焙燒爐脫ABS兩步過程，獲得完整的型殼。焙燒、澆注、冷卻后，進(jìn)行噴砂清理，采用三維掃描儀檢測產(chǎn)品尺寸。實(shí)現(xiàn)了基于熔融沉積技術(shù)(FDM)的快速熔模鑄造生產(chǎn)鑄鋼件。

3D打印技術(shù)又被稱為“增材制造技術(shù)”。它基于材料的堆積，集機(jī)械工程、三維掃描、分層制造技術(shù)、材料科學(xué)等于一身，將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分為若干層平面，然后按切片圖形逐層疊加材料，最終獲得設(shè)計(jì)的物體。快速原型技術(shù)將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段[1]。

四川大學(xué)CAD/CAM實(shí)驗(yàn)室結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備，組成課題組，進(jìn)行了3D打印技術(shù)和熔模鑄造結(jié)合生產(chǎn)鑄鋼件的快速熔模鑄造工藝開發(fā)。課題組采用熔融沉積技術(shù)(FDM)打印ABS材質(zhì)作為零件模樣、黏接蠟質(zhì)澆冒系統(tǒng)模樣，制造型殼，獲得了合格的鑄鋼件。

選題意義

熔模鑄造又稱失蠟鑄造。工藝流程是，制訂鑄造工藝，生產(chǎn)金屬壓型，在壓型中注蠟生成零件模樣，與澆冒系統(tǒng)蠟?zāi)＝M成模組，然后掛涂料、型砂，反復(fù)數(shù)次得到型殼，通過熱水或高壓釜脫蠟得到中空的型殼，焙燒后澆注。試生產(chǎn)鑄件檢測后還可能需要調(diào)整鑄造工藝、金屬壓型尺寸和形狀、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)。通常產(chǎn)品定型需要10～18周以上。

發(fā)展現(xiàn)狀

自從3D打印問世以來，鑄造工作者將3D打印技術(shù)與熔模鑄造結(jié)合，創(chuàng)新了鑄造工藝，獲得了良好的效益[2，3]。目前，利用3D打印技術(shù)分別得到壓型、模樣(模組)、型殼，形成了不同的快速熔模鑄造技術(shù)路線。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行熔模鑄造的工藝路線主要有[3-16]：

1)壓型。激光燒結(jié)金屬，得到金屬壓型，用該壓型制作蠟?zāi)?。組成模組，掛砂，失蠟得到中空的型殼，焙燒澆注。

2)模樣(模組)。打印生成模樣(模組)，掛砂，失蠟得到中空的型殼，焙燒澆注。

在由3D打印技術(shù)制作模樣(模組)的熔模鑄造工藝路線中，利用的3D打印技術(shù)有SLS、SLA、3DP、FDM等，材質(zhì)有聚苯乙烯、蠟、樹脂等。大部分工藝中均是將鑄件模樣和澆冒系統(tǒng)作為一個整體由3D打印某種材質(zhì)得到。

研究任務(wù)

通常，熔模鑄造工藝出品率為30%～50%。也就是說，如果利用3D打印設(shè)備將用鑄件模樣和澆冒系統(tǒng)打印成整體模樣，零件部分只占30%～50%，而澆冒系統(tǒng)部分占到50%～70%。故此種方式在生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品(如模具、軍品)時才具有優(yōu)勢。在生產(chǎn)單件、小批量時，經(jīng)濟(jì)和時間均不合算。

課題組提出的快速熔模鑄造工藝是：采用FDM技術(shù)打印ABS材質(zhì)作為鑄件模樣，采用常規(guī)方法用蠟制造澆冒系統(tǒng)模樣，黏接組成模組，掛砂、失蠟得到中空的型殼，焙燒、澆注的熔模鑄造工藝路線。 課題組委托教育部科技查新工作站(Z05)在國內(nèi)外論文、專利、科技速報(bào)等范圍內(nèi)進(jìn)行了科技查新，結(jié)論是，“查新點(diǎn)在所檢國內(nèi)外文獻(xiàn)范圍內(nèi)未見相同報(bào)道”(查新號：201436000Z050029)。

課題組進(jìn)行了前期試驗(yàn)，驗(yàn)證了工藝方案的可行性。

1)ABS與常規(guī)蠟實(shí)現(xiàn)相互黏接、組裝成模組的工藝參數(shù)。

2)購買數(shù)種ABS材料，掌握在升溫過程中目前市場上常見ABS材料的溫度-性能變化規(guī)律。

3)涂料配方與涂掛工藝。以獲得完整的、不斷裂不破裂的型殼。

試驗(yàn)過程

為使試驗(yàn)更有代表性，工藝小組選擇了7種形狀各異的零件進(jìn)行試驗(yàn)。

工藝小組擬定了工藝方案，打印了ABS零件模樣，利用蠟?zāi)Ｐ纬蓾沧⑾到y(tǒng)，組裝成模組，掛砂5層半，經(jīng)過高壓釜脫掉蠟?zāi)?，?jīng)過焙燒爐燒蝕ABS材質(zhì)，清洗檢查后，再次焙燒后澆注，經(jīng)噴砂處理，獲得鑄件。

擬定鑄造工藝

針對每個零件提出了工藝方案，利用華鑄CAE進(jìn)行凝固分析，避免縮孔缺陷。利用通用有限元軟件的瞬態(tài)熱分析模塊、結(jié)構(gòu)-熱場耦合模塊，避免鑄件產(chǎn)生應(yīng)力以確保無變形或裂紋，驗(yàn)證澆冒系統(tǒng)方案的合理性，結(jié)合企業(yè)的澆注系統(tǒng)系列化尺寸，確定了模組的鑄造工藝方案[17，18]。

制作ABS模樣

選用美國Stratasys公司出產(chǎn)的Uprint SE打印ABS模樣。該設(shè)備基于FDM原理，最大建模尺寸203 mm×152 mm×152 mm。熔融沉積技術(shù)(Fused Deposition Modeling ，F(xiàn)DM)工藝作為快速成型工藝的一種，其成型過程中無需專門的工裝夾具，從CAD數(shù)字模型到獲得相應(yīng)的原型或零件，僅需數(shù)小時或數(shù)十個小時。FDM工藝多采用ABS絲材，成型溫度通常為 80℃～120℃。與其他的RPT工藝相比，F(xiàn)DM工藝不依賴于激光技術(shù)，其成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，并且在目前RTP設(shè)備中價格最低[2]。

1)建立三維模型。

選擇了7種典型零件，利用通用三維軟件建模。零件的尺寸符合3D打印設(shè)備的打印能力。

2)打印ABS模樣。

將三維模型.stl格式輸入Uprint SE，設(shè)備自動對打印路徑和支撐材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。

打印時，模型材料溫度312℃，支撐材料溫度312℃。層厚度0.254 mm，壁厚度：0.914 mm。打印完畢后用稀堿液洗掉支撐材料。

Uprint SE打印獲得的本次試驗(yàn)用的ABS模樣之一，見圖1。

制造蠟?zāi)＝M

澆注系統(tǒng)型式采用澆口杯+橫澆道+分配直澆道的結(jié)構(gòu)。采用WM36-1商業(yè)蠟制作澆注系統(tǒng)。蠟料在110～150℃下保溫并攪拌。在54～70 ℃下保溫24 h后，方可用于壓制澆注系統(tǒng)。蠟?zāi)Ｊ覝?8～25 ℃，濕度30%～70%。采用試驗(yàn)獲得的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)ABS模樣和蠟質(zhì)澆注系統(tǒng)的黏接。

7個零件根據(jù)結(jié)構(gòu)形式組成2個ABS葉片模樣以及蠟質(zhì)澆注系統(tǒng)的模組。其中1個模組結(jié)構(gòu)見圖2，該模組有4個零件。

圖1 ABS模樣

圖2 由ABS模樣和蠟質(zhì)澆注系統(tǒng)組成的1個模組

制造型殼

課題組獲得試制數(shù)據(jù)，調(diào)整企業(yè)熔模鑄造的涂料配方，控制型殼的膨脹率，保證型殼在后續(xù)脫ABS和脫蠟過程中微變形但不破裂，獲得完整的型殼。

◆ 工藝參數(shù)

課題組從涂掛性和膨脹率等方面試驗(yàn)新的涂料配方，一方面要實(shí)現(xiàn)涂料順利掛在ABS模樣和蠟?zāi)１砻?，同時又要保證在脫蠟和脫ABS過程中型殼不會破裂。課題組獲得了不同配方涂料的性能參數(shù)。根據(jù)零件材質(zhì)、模組結(jié)構(gòu)等選擇不同的配方。一般掛砂五層半。

操作中，加強(qiáng)過程控制。嚴(yán)格涂料配方，認(rèn)真執(zhí)行制殼間與干燥間的溫度及相對濕度，嚴(yán)密監(jiān)測風(fēng)速，控制干燥時間等。掛完第一層涂料與面砂的2個模組(7個零件)見圖3。

圖3 掛完第一層涂料與面砂的2個模組

◆ 脫蠟和脫ABS

用DN型蒸汽脫蠟釜脫蠟，溫度140。C -152。C，時間5-6分鐘。然后按照試驗(yàn)獲得的工藝曲線在焙燒爐中脫ABS，獲得了完整的型殼。脫蠟和脫ABS后的1個模組見圖4。

圖4 脫蠟和脫ABS后的1個模組的型殼

澆注

清洗型殼。檢查型殼的完整性。澆注前再次焙燒。采用手抬包澆注。澆注金屬后，冷卻180 min振動脫殼，噴砂處理。

產(chǎn)品

用加拿大生產(chǎn)的HandyScan進(jìn)行三維檢測。Handyscan 能自主定位，不需要外接跟蹤定位系統(tǒng)。在掃描的同時，電腦同步顯示實(shí)體圖示，并能自動表面優(yōu)化處理。

其中一組等待三維掃描檢測的鑄鋼件如圖5。該組零件的數(shù)據(jù)采集約40 min，采用逆向軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，判斷尺寸符合圖紙要求。

圖5 等待三維檢測的1組鑄鋼件

對鑄件相繼進(jìn)行了金相組織、無損檢測等步驟，結(jié)果表明，鑄件滿足圖紙要求。

結(jié)論

國內(nèi)外首例快速熔模鑄造工藝實(shí)現(xiàn)了鑄鋼件的生產(chǎn)。快速熔模鑄造工藝是指采用FDM技術(shù)打印ABS材質(zhì)作為鑄件模樣，采用常規(guī)方法用蠟制造澆冒系統(tǒng)模樣，黏接組成模組，掛砂、失蠟得到中空的型殼，焙燒、澆注的熔模鑄造工藝路線。

涂料配方與涂掛工藝參數(shù)、澆冒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及其CAE分析技術(shù)、高壓釜脫蠟工藝參數(shù)、焙燒爐脫ABS的工藝參數(shù)等，是保證獲得完整型殼的關(guān)鍵，目前相關(guān)工藝和參數(shù)正申請專利中。

3D打印技術(shù)在鑄造方面的應(yīng)用越來越廣泛，中國的鑄造企業(yè)必須抓緊時機(jī)，結(jié)合自己的現(xiàn)有條件，迎頭趕上。

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The Rapid Investment Casting Technology Based on Fused Deposition Modeling Technology

/ FU Jun1，2，XIANG Zhao-wei1, DENG Zhen-bo1, YIN Guo-fu1

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.01.11

傅駿(1973—)，男，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教授，教研室主任，四川大學(xué)博士研究生。主要研究方向：材料成型與控制、職業(yè)教育。E-mail：fujun@scetc. net。通訊地址：618000四川省德陽市泰山南路801號，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系。

四川省科技廳“基于熔融沉積(FDM)的快速熔模鑄造關(guān)鍵技術(shù)研究(No.15JC0016)”。

1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川 德陽 618000；2. 四川大學(xué)制造學(xué)院，四川 成都 610065