3D打印技术及其在快速铸造成形中的使用

　　3D打印技术的发展对于铸造行业的发展同样 具有重要意义，其在铸造行业中的引入推动了传统 铸造成形技术的发展和革新，并快速改变着铸造行业的面貌。现在3D打印技术在铸造工艺流程中的使用包括两个不一样的层次：通过3D打印获得铸造容貌或铸型从而缩短、加速铸造工艺流程；采用3D打印方式修复铸件缺陷或组合制造金属构件，提升铸件成品率。接下来我们简要介绍3D打印技术的发展历史，在此基础上就3D打印技术在铸造容貌或铸型中的使用现状进行评述。

　　13D打印技术的原理及其发展历史

　　3D打印技术萌芽于19世纪的分层制造技术及 光固化技术。早在1890年，J.E.Blanther等就提出了通过分层制造来获得立体地图的方式，并申请了专利，该专利于1890年得到美国专利局授权；1902年，CarloBaese申请的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这项专利于1904年得到美国专利局授权。这提示人们，三维形状的获得不仅可以通过传统的切削减材方式来实现，也可以通过慢慢累加材料的方式来达成。 自3D打印技术被提出以来，人们发展了多种成形的技术途径，根据这些技术的实现原理，可大致划分为分层实体制造(,LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔丝沉积制造(FDM)、立体印刷(SLA) 四个类别，其实现原理如图1所示。

　　从图中可以看出，这些方式虽然实现原理各有不一样，但都是通过慢慢增加材料的方式来获得零件外形，因此也被称为増材制造技术(AdditiveManufacture)。 第一台商业化运作的3D打印设备于1988年由美国3DSystems公司推出，该立体光刻快速成型机代号为SLA-1，它通过使激光按照预先规划的路径逐层扫描光敏树脂，并使之固化，从而获得立体的构件。此后商业化的3D打印设备不断被推出。

　　1991年Stratasys的FDM设备、Cubital的实体平面 固化(SolidGroundCuring,SGC)设备和Helisys的 LOM设备都实现了商业化。1992年DTM(现在属于3DSystems公司)SLS技术研究成功。1994年德国 公司EOS推出了EOSINT选择性激光烧结设备。 3D打印技术的发展与计算机技术的进步密不 可分。受限于早期计算机的处理能力，复杂构件3D打印的扫描路径规划和控制均存在较大难度，因而 3D打印在很大程度上还处于概念规划阶段。随着计 算机技术的不断进步，三维造型软硬件规划体系、二维剖层及扫描路径规划方式、成形路径实时控制的方式和技术不断进步和完善，将3D打印推向了新的发展阶段。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世；2013年11月， 美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念” (SolidConcepts)规划制造出3D打印金属gun，所依 照的模板是美军经典装备布郎宁1911式gun，其外观上与原装gun没有差别，这一事件因其在科学伦理上存在的争议及可能带来的社会风险，进一步将 3D打印概念深入到民众当中。

　　作为一种传统的材料成形技术，铸造拥有悠久的发展历史；同时铸造也是现代制造业的重要组成部分，几乎所有的金属材料在成形过程中都需要经历铸造这道工序。为了实现金属零件生产，传统的铸造成形过程需要首先制作铸造容貌，然后利用容貌及砂箱来翻制铸型，再利用铸型来约束液态金属并导出凝固潜热，使金属完成凝固过程从而得到固态的铸件。容貌制作是铸造的第一步工序，传统的容貌制作通常通过木材、塑料或金属加工来实现，受到加工方式的限制，难于形成复杂的容貌结构，导致铸件复杂性受到一定的限制。此外，传统容貌加工耗时，无法兼顾小批量铸件生产时的灵活性及精确性方面的要求。 

　　在这种情况下，有研究者将3D打印技术使用于容貌和铸型的成形，取得了良好的效果。随着3D打印技术的不断发展和介入，传统铸造工艺流程也开始发生转变，3D打印技术的使用使得铸造生产的灵活性得到显著提升，铸造生产周期得到大幅度缩减

　　23D打印的铸造使用 

　　2.13D打印技术在精铸容貌制作中的使用 

　　3D打印技术首先被使用于铸造容貌的制作，尤 其是熔模精铸中的容貌制作。SLS、FDM、SLA技术均可用于蜡模的成形，但是由于获得的蜡模强度较低，在后续处理工序中易于破损，并不合适于薄壁件的铸造生产。为搞定容貌强度不够的问题，人们将成形所用的蜡料替换为其它类型材料，这样制作出的容貌可以进行一定程度的加工以改善其表面光洁度，提升铸件的表面质量；但是此后又暴露出了新的问题，如基于非蜡容貌制作的型壳容易开裂、容貌难于完全去除，脱模后残余灰分高等。

　　美国Stratasys公司采用了一种FDM増材制造搞定方案（图2），利用ABS塑料或蜡料直接获得容貌，通过工艺调整均可以获得良好的脱模特点；由于ABS塑料制成的容貌可以进行后续加工，可以获得较蜡质容貌更为优异的表面质量。相比于其它容貌制作方式，FDM搞定方案的显著优势还体现在其更短的成形时间上。 美国Solidscape公司的MMII系统采用了熔滴沉积的方案来制作容貌，该系统采用两个独立喷头来沉积原料，其中一个喷头用于沉积热塑性原料，另一喷头用于沉积支撑的蜡料，沉积完毕后，支撑的蜡料部分可以去除，以获得精细的容貌形态。采用MMII系统既可以直接获得容貌，也可用于制作获得蜡模的压型，所打印出的结构致密度较FDM方案的更高，容貌易于在脱模时去除，可以有效地避免灰分残留。相比于传统的熔模精铸，这种方案可以大幅度缩短生产周期，但是其容貌的3D打印时间较FDM方案更长，耗时可达到FDM方案的 3~5倍。 在早期采用3D打印技术获得容貌的尝试中，型壳开裂在运用非蜡基模料的情况下非常常见，其原因是在去除容貌的过程中，容貌因受热膨胀而导 致了型壳的开裂。

　　为搞定这一问题，3Dsystem公司采用了被称为QuickCast的成形方案，通过在制作容貌时采用六角形、四方形或三角形的非实体打印模式，将容貌内部材料重量减小95%，形成为内部疏松的树脂容貌，这种结构可以在较低的温度下就软化并向容貌内部溃缩，避免对型壳造成过大的应力，因而可降低型壳的开裂风险。需要注意的是，由于容貌内部结构较为疏松，在涂挂工艺之前有必要在容貌表面浸蜡并进行表面修整，以便获得平整的型壳内腔，进而浇注出较高质量的铸件。ZCorp公司则采用一种胶质淀粉原料Zp14进行3D打印，所获得的制件经浸蜡后涂挂耐火材料，以制作型壳并最终浇注零件，其工艺流程如图3所示。ZCorp公司所采用的3DP方案具有成本低廉，成形速度快的优点，在薄壁铸件制造中显示出了较好的尺寸精确性，更适用于近净成形铸件的生产。

　　西安交通大学也开展了将3D打印技术使用于铸造领域的研究工作。李涤尘等提出的方式利用光固化快速成型技术实现了复杂内外结构成形，进而通过优化水基浆料的成分和特点，采用凝胶注模技术获得了可用于金属浇注的陶瓷铸型，实现了燃气轮机涡轮叶片的铸造，其技术路线如图4所示。

　　2.23D打印技术在精铸蜡模压型制作中的使用

　　受打印周期的限制，容貌的直接3D打印一般适用于单件或数件铸件的铸造生产。为了适应于较大批量的铸件需要，有研究者开始将3D打印技术使用于蜡模压型的制作，而后在通过所制作的压型来批量压制蜡模，以提升铸件的生产效率。 压型的3D打印制作分为直接打印和间接获得两种方式。压型的直接获得意味着通过3D打印直接制作出压型，所制得的压型再用于压制一定批量的蜡模。直接金属激光烧结(DMLS)、激光净形制造(LENS)技术均被成功地使用于压型的3D 打印，以满足快速将中等或较大批量铸件快速推向市场的需要。

　　一些情况下，人们通过3D打印首先获得母模，然后运用母模翻制压型，即间接获得用于压制蜡模的压型。室温固化硅橡胶制模(RoomTemperature Vulcanizedsiliconrubbertooling-RTV)、环氧树脂制 模(Epoxyresintooling)、喷涂金属制模(Spraymetal tooling)等技术都被成功使用于压型的间接3D打印 制造。以采用室温固化硅橡胶制模工艺的精密铸造为例，其工艺实施过程如图5所示，蜡模的制作需要通过如下步骤来完成：

　　(a)建立铸件的CAD模型；
　　(b)采用SLA方式制作光固化容貌；
　　(c)翻制RTV硅 橡胶压型；
　　(d)压制蜡模。

　　所压制的蜡模经修整、组合后，即可进行涂挂制作型壳，完成后续的精铸流程。工艺适用性评估表明，当铸件需要量在数十个的量级时，这一工艺具有较佳的适用性。 

　　2.33D打印技术在铸型制作中的使用 

　　3D打印技术也被使用于陶瓷型壳的直接成形。 1993年，位于美国加州的SoligenTechnology公司 在麻省理工学院发展的3DPAM技术基础上，搭建了直接型壳制作铸造系统(DSPC)，直接制作出包含内部芯子的陶瓷 型壳，减少了传统熔模精铸中蜡模压制组合、制壳脱蜡等繁琐工序。该DSPC系统通过多个喷头喷射硅溶胶的方式将刚玉粉末粘结起来，未被粘接的刚玉粉被移除，从而获得型壳，所制作的型壳在进行高温焙烧以建立足够的机械强度后，即可进行金属液的浇注。DSPC系统可以用于实现任意形状的零件生产，同时也可适用于包括铜、铝、不锈钢、工具钢、钴铬合金在内的多种不一样金属材料的铸件获得，铸件的生产周期可由传统熔模精铸的数周缩减至2-3天，现在这一系统已经被用于制造铸件原型及小批量的全功能铸件生产。图6为采用DSPC系统生产的进气歧管铸件。

　　3D打印技术也正在改变砂型铸造工艺流程现状。在传统的砂型铸造生产过程中，需要熟练的技术工人依据图纸或容貌来制作砂型，造型、制芯等工序往往耗费大量人力和时间。通过引入3D打印技术，这种局面也正在得到改变———人们已经可以通过3D打印技术快速制作所需的砂型结构，从而缩短造型工艺周期，减少对熟练技术工人的依赖。 砂型结构的快速制作也可划分为间接方式和直接方式两种。图7给出了以色列Objet公司发展的名为PolyJet的快速铸造搞定方案，这是一种间接获得砂型的方案。这一方案首先通过多个喷头在平面上分区域喷布两种不一样的光聚合树脂，其中一种树脂用于形成支撑结构，另一种用于形成容貌实 体；然后通过紫外光曝光方式使树脂固化，如此逐层累积获得固结的实体结构；固化工艺完毕后运用溶剂将支撑部分树脂溶去，以获得带有浇注系统的树脂容貌。运用容貌翻制砂型、组合铸型后即可浇注铸件。

　　德国EOS公司则发展了直接3D打印砂型的技术方案。通过运用激光烧结的方式，使表面包覆聚合物的型砂粘接起来以形成铸型结构，砂型及砂芯 都可通过这一方式来获得，这一方案被EOS公司命名为DirectCastw，并于2000年在美国获得了专利授权。我国武汉滨湖机电技术产业有限公司及北京隆源自动成型系统有限公司，也开发了相似的获得砂型结构搞定方案，自主研制了用于实现砂型快速成形的大尺寸SLS原型机，该方案及设备已在发动机缸体的砂型铸造中得到使用，（如图8）取得了良好的效果。

　　3展望与结论 

　　3D打印技术正在改变铸造技术的面貌，并影响 着铸造行业的发展方向。本文仅就3D打印在铸造工艺流程中的使用进行了介绍，而实际上3D打印在包括铸件修复，以及铸/锻件+3D打印组合制造等多个方面都有研究和使用。尽管现在在一些实际的使用中3D打印依旧存在成形效率较低、尺寸精度较差等问题，但已经可以满足实际生产的部分需要，因而得到了快速的发展。相信随着3D打印技术自身的不断完善及其与铸造技术的进一步磨合，人们必将会迎来铸造行业3D打印技术使用的新一波热潮。