劉洋（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000 ）

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SLA快速精密鑄造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

劉洋
（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000 ）

摘要：在介紹了SLA快速成型的基本原理和快速精密鑄造工藝方法的基礎(chǔ)上，論述了幾種用于精密鑄造工藝上的SLA快速成型工藝、特點(diǎn)和存在的問題，并做了簡(jiǎn)要分析，為鑄件的快速精密鑄造打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：快速成型；光固化；精密鑄造

稿件編號(hào):1510-1112

1 SLA快速成型技術(shù)

快速成型技術(shù)（RP，Rapid Prototyping）是 20 世紀(jì) 80 年代末期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的制造技術(shù)[1]。它借助計(jì)算機(jī)完成零件的CAD模型， 就能迅速、直接地生成相應(yīng)的零件或原型，克服了傳統(tǒng)方法難以制造復(fù)雜零件、周期長的缺點(diǎn)。目前，RP 技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、電子、汽車、航空、航天領(lǐng)域，常用的工藝包括以下幾種：以熱固性光敏樹脂為材料的固化成型(SLA-stereo Litho-rapid Apparatus)工藝；以紙、金屬箔、塑料等為材料的疊層實(shí)體制造(LOM-Laminated ObjectManufacturing) 工藝；以熱塑性物質(zhì)為材料的選擇性激光燒結(jié) (SLS-Selected LaserSintering)工藝；以石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬為材料的熔積成型(FDM-Fused Deposition Modeling)工藝；以樹脂為材料的固體基礎(chǔ)固化(SGC-Solid Ground Goring)；以噴射粘合劑來粘結(jié)粉末材料的三維印刷法（3DP-Three Dimensional Printing）工藝；以熱塑性塑料的微小顆粒為材料的噴粒法（BPM—Ballistic Particle Manufacturing）工藝。

光固化成型（SLA）技術(shù)是第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用的RP技術(shù)，主要用到的材料為光敏環(huán)氧樹脂、光敏丙烯樹脂等，其特點(diǎn)是尺寸精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率高，可以制造形狀復(fù)雜、外觀精細(xì)的零件。光固化成型的原理如圖1所示，按加工零件的分層截面信息通過計(jì)算機(jī)控制紫外激光束逐層對(duì)光敏樹脂進(jìn)行掃描使其固化形成一個(gè)薄層截面；每一層固化完畢之后，工作平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層厚的高度，其上再涂敷一層新的液態(tài)樹脂，以便進(jìn)行下一層掃描固化；新固化的一層粘合在前一層上，如此反復(fù)直至零件原型制作完成［2］。

圖1 SLA成型原理圖

2 快速精密鑄造技術(shù)

精密鑄造（IC）作為一種材料凈成形技術(shù)，其尺寸精度高、表面光潔、可生產(chǎn)各種合金的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件。同時(shí)，生產(chǎn)批量不受限制，廣泛應(yīng)用與航空、機(jī)械制造、電子、石油、化工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。從制蠟?zāi)?、組焊、制殼、脫蠟、焙燒，再澆注成鑄件，工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)周期長。

快速精密鑄造技術(shù)（RIC Rapid Investment Casting）是快速成型與傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的結(jié)合，是利用快速成型技術(shù)直接或者間接地制造鑄造用熔模、蠟樣、模殼、壓蠟?zāi)＞撸缓笸ㄟ^傳統(tǒng)精密鑄造工藝，快速鑄造金屬零件?？焖俪尚图夹g(shù)與精密鑄造技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)鑄件的低成本化、高效益化生產(chǎn)，快速滿足市場(chǎng)的目的。快速精密鑄造技術(shù)能快速、方便地提供精密鑄造所需的蠟?zāi)＜翱上勰＃行У亟鉀Q傳統(tǒng)蠟?zāi)Ｖ苽渲芷陂L的難題，提高生產(chǎn)效率和制造柔性[3]，日益受到工業(yè)界的重視。

3 SLA快速精密鑄造技術(shù)應(yīng)用

SLA與 IC 技術(shù)結(jié)合的新工藝新方法主要有直接熔模精密鑄造、間接模具制造技術(shù)和直接模具制造技術(shù)，此方法可大大提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.1 SLA直接熔模精密鑄造

快速成型制作精密鑄造用熔模，代替蠟型進(jìn)行掛砂、制殼，SLA模型雖然無法熔融，但在700 ℃以上可完全燒蝕，沒有任何殘留物，所以可以使用高溫焙燒的方式脫模，完成鑄件生產(chǎn)。鑄造工藝流程如圖2所示。此方法完全省略模具制作工序，大大壓縮制造周期，但是快速成型模樣用材料光敏環(huán)氧樹脂、光敏丙烯樹脂價(jià)格昂貴，鑄件生產(chǎn)成本高，不適合批量生產(chǎn)，只適用于產(chǎn)品的研制以及單件、小批量生產(chǎn)。

圖2 直接熔模精密鑄造工藝流程

（1）三維建模。對(duì)于快速熔模鑄造模型采用ProE軟件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，為減少樹脂原型受熱膨脹對(duì)型殼造成的張力和沖擊力，同時(shí)，節(jié)約樹脂原材料、提高制作速度，需對(duì)零件三維模型進(jìn)行抽殼設(shè)計(jì)，形成一定壁厚的中空結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)出的三維模型圖輸出為STL文件保存。

（2）模型前處理。將生成的模型STL文件導(dǎo)入成型設(shè)備的前處理軟件進(jìn)行編輯、缺陷修復(fù)、模型分層、支撐添加等。

（3）成型件制作。將前處理好的管接頭模型STL文件導(dǎo)入成型設(shè)備控制軟件，進(jìn)行模型檢驗(yàn)、成形工藝參數(shù)設(shè)置及原型件制作。通過軟件檢驗(yàn)成型數(shù)據(jù)的正確性；檢驗(yàn)熔模模型支撐設(shè)計(jì)的合理性。模型檢驗(yàn)合格后，通過成型設(shè)備設(shè)置光斑補(bǔ)償直徑及激光束填充掃描速度，其中，激光束填充掃描速度越小，則成形截面上激光照射時(shí)間越長，光敏樹脂固化效果越好，但零件成形時(shí)間增長。最后在制作模式下完成熔模原型制作。

（4）原型后處理。從快速成型設(shè)備中取出熔模原型進(jìn)行后處理，通過合理的后處理工藝可以有效提高原型件的尺寸精度、強(qiáng)度、硬度、表面質(zhì)量等性能［4］。原型的后處理工序?yàn)椋呵逑础コ巍蚰ァ蠊袒?，通過后處理完的原型如圖3所示。

（5）快速熔模鑄造。先對(duì)鑄件原型采用專用清洗液除去表面的油漬，將清洗后的鑄件原型與澆注系統(tǒng)組合在一起，采用傳統(tǒng)精密鑄造制殼工藝進(jìn)行制殼，制備好的型殼如圖4所示。將制備好的型殼放入焙燒爐中進(jìn)行高溫焙燒，完成脫模。經(jīng)高溫焙燒后的型殼可直接進(jìn)行澆注，完成鑄件制備。

圖3 處理后的管接頭原型

圖4 熔模鑄造管接頭型殼

3.2 SLA間接模具制造精密鑄造

SLA間接快速模具制造精密鑄造, 是利用SLA原型通過真空澆注的方法制備硅膠模具作為母模，對(duì)硅膠模具進(jìn)行注蠟，制備精密鑄造用蠟?zāi)?，在通過傳統(tǒng)的精密鑄造工藝完成鑄件生產(chǎn)，其制作工藝流程如圖5所示。由于硅橡膠模具具有良好的柔性和彈性，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜花紋精細(xì)無拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，制件澆注完成后均可直接取出［5］。由于在蠟?zāi)Ｖ苽溥^程中進(jìn)行多次型腔轉(zhuǎn)制，所以模型的精度有一定損失，因此，提高硅橡膠模具的精度成為該方法研究重點(diǎn)。

SLA間接模具制造與SLA直接熔模精密鑄造在原型制作過程是相同的，不同的只是SLA間接模具制造采用SLA原型制作硅膠模具，用模具來制備蠟?zāi)?，完成鑄件生產(chǎn)，采用這種方法在壓縮制造周期的同時(shí)，降低了生產(chǎn)成本，適用于小批量生產(chǎn)。

圖5 SLA間接模具制造精密鑄造工藝流程

3.3 SLA直接模具制造精密鑄造

利用SLA工藝方法成型制作壓蠟?zāi)＞?，完成蠟?zāi)Ｖ谱?，進(jìn)行精密鑄造生產(chǎn)。首先通過計(jì)算機(jī)繪圖軟件繪制零件三維圖，通過三維圖進(jìn)行壓蠟?zāi)＞叩慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制出壓蠟?zāi)＞呷S圖，將繪制好的模具三維模型生成STL文件導(dǎo)入到快速成型設(shè)備專用軟件中進(jìn)行前處理，最后將壓蠟?zāi)＞咄ㄟ^SLA設(shè)備制作完成。該方法與SLA間接模具制造精密鑄造比較蠟?zāi)３叽缇雀?，生產(chǎn)周期短，與SLA直接熔模精密鑄造相比生產(chǎn)成本較低，適于小批量生產(chǎn)，但壓蠟?zāi)＞呔群托阅芸刂戚^難， 模具的尺寸也受到限制， 故盡管通過SLA技術(shù)能夠獲得巨大的效益， 但是快速模具在質(zhì)量和性能方面仍落后于傳統(tǒng)模具，針對(duì)有關(guān)尺寸精度、表面質(zhì)量、耐用性等問題仍需作深一步地處理和改進(jìn)研究［6］。

4 結(jié)論

在介紹了快速成型的基本原理和工藝方法的基礎(chǔ)上，論述了幾種用于精密鑄造工藝上的SLA快速成型工藝、特點(diǎn)和存在的問題，并做了簡(jiǎn)要分析。將快速成型方法引入傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)中可能提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品的加工周期，對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝的升級(jí)提高起到積極的作用。

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Analysis on the application of rapid precision casting technology based on SLA

LIU Yang
(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi ，China)

Abstract:On the basis of the rationale of rapid prototyping and the method of rapid precision foundry, the paper describs and analyzes the technologies、features and problems for SLA’s rapid prototyping,which lay a good foundation for the rapid precision foundry of the casting.

Keywords：Rapid prototyping; light curing; precision foundry

中圖分類號(hào)：TG249.5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）03-0007-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.002

收稿日期:2015-10-30

作者簡(jiǎn)介：劉洋（1982—）男,碩士，講師.主要研究方向：鑄造工藝研究工作.