基于FDM 技術的錫制品熔模鑄造

徐 攀，李 濤，徐 剛

（湖北工程學院機械工程學院，湖北 孝感 432100）

傳統(tǒng)熔模鑄造中，由于蠟模的制作工藝存在周期長、改型困難等缺點，已跟不上市場飛速變化的腳步。快速成型（RP，也稱3D 打?。┦?0 世紀80 年代末發(fā)展起來的一個全新的制造技術，其最大特點是無需任何刀具、夾具等專用工具，在計算機的控制下，由零件的CAD 模型直接離散堆積出RP 原型。由于無需模具，快速成型技術為現(xiàn)代社會中小批量生產(chǎn)問題提供了條件，很大程度地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，為熔模鑄造的發(fā)展注入了新的活力[1]。

熔融沉積（簡稱FDM）成型技術是快速成型技術中成本較低，較大眾化的一種，已經(jīng)成為快速成型技術中的重要研究內容之一。熔融沉積成型過程是在計算機的控制下，將絲狀材料送進打印噴頭并加熱至熔融狀態(tài)，按照已掃描的CAD 實體截面輪廓信息，在工作臺上擠出并迅速冷卻固化，一層截面完成后工作臺下降，繼續(xù)進行下一層的熔融沉積，由于熔融狀態(tài)的絲狀材料具有粘結性，可以和上一層粘結固定，同時上一層對當前層又起到定位和支撐作用，逐層擠壓堆積成三維實體原型。FDM技術的優(yōu)勢有成型材料廣泛、不使用激光維護方便、成本低、后處理簡單；缺點是成型速度較慢，只適用于中小型模型制作，表面質量一般，水平方向的強度較好，豎直方向的強度較弱。

本論文將FDM 成型技術與熔模鑄造工藝相結合，將FDM 原型替代傳統(tǒng)的蠟模作為熔模，制作鑄型，再高溫焙燒去除FDM 原型得到型殼，進行金屬液澆注得到鑄件，該工藝大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本，適用于單件、小批量、形狀復雜的零件的制造或新產(chǎn)品試制，應用前景廣闊。

1 工藝方案的擬定

1.1 鑄型材料的選擇

熔模鑄造中的型殼類型一般分為實體型殼和多層型殼兩種。多層型殼的工藝復雜，成本較高，工業(yè)上常用于高端、精密、復雜零件的制造，其耐火度高，適用于高熔點金屬鑄造；實體型殼一般為石膏型，石膏型具有復制性和流動性好的特點，適合薄壁、曲面零件的成型，其耐火度低，只適用于低熔點金屬鑄造，但其工藝簡單、成本較低易于推廣。在現(xiàn)有基于FDM 技術的熔模鑄造工藝中，選擇的基本都是硅溶膠加耐火材料的多層型殼[2-4]，選用石膏實體型殼的研究較少，而且錫屬于低熔點金屬，故選擇石膏型。

1.2 熔模材料的選擇

FDM 成型工藝的材料一般為熱塑性材料，如蠟、ABS、PLA，或其他復合材料。在現(xiàn)有基于FDM 技術的熔模鑄造工藝中，大都選擇傳統(tǒng)蠟料或ABS[2-3]作為熔模，或者選擇PLA 結合多層型殼[4]，選擇PLA為熔模結合石膏型的鑄造工藝幾乎沒有，并且PLA是一種可生物降解的材料，環(huán)境友好，無污染，流動性好，成本低，因此選擇PLA 為熔模材料。

1.3 澆冒系統(tǒng)的制作

澆冒系統(tǒng)制作有兩種方案。第一種是澆冒系統(tǒng)同樣使用PLA 材料，即FDM 成型機成型。第二種是使用石蠟制作澆冒系統(tǒng)。工業(yè)上批量生產(chǎn)時，為了提高生產(chǎn)效率，一般使用石蠟來制作澆冒系統(tǒng)[2-4]，然而本課題為單件產(chǎn)品的試制，并且為了使?jié)沧r低熔點的液體金屬快速充型，設計了特殊的澆冒結構，若使用注蠟機和蠟模制作起來周期較長，成本較高，故選用FDM 成型機直接制作出澆冒系統(tǒng)。

本文選取錫制的三腳鼎為例，采用FDM 技術開展快速熔模制造技術的應用研究，實現(xiàn)曲面、薄壁金屬制品的快速熔模鑄造，對成型工藝進行實踐和探索，最終擬定的工藝流程如圖1 所示。

圖1 FDM 快速熔模鑄造工藝流程

2 三腳鼎的PLA 原型制作

2.1 三維建模

使用ProE 三維建模軟件設計一個古代三腳鼎，再依據(jù)結構設計澆冒系統(tǒng)。

由于三腳鼎是薄壁結構，為了防止?jié)沧r低溫金屬凝固過快，導致澆不足或冷隔等缺陷，需要提高澆注速度，縮短充型時間，所以選用一種異形的澆注系統(tǒng)，即取消橫澆道，將外澆道與三個傾斜45°的內澆道直接連通，內澆道直徑4 mm，此外，為了排氣和補縮，設計了兩個豎直的直徑4 mm 的冒口。

圖2 為設計完成的三腳鼎的模型及澆冒系統(tǒng)。

2.2 FDM 成型前處理

ProE 設計完成的三維模型，自下而上的懸空結構較多，若直接導入FDM 成型機，成型時會生成大量的支撐結構[5]，既降低了效率也造成了材料浪費。因此，將模型進行適當?shù)牟鸾猓謩e成型后再進行組裝。根據(jù)結構上的特點，依據(jù)減少產(chǎn)生支撐的原則，在ProE 中將其拆分成兩個模型：三腳鼎母模與冒口作為模型1，澆注系統(tǒng)作為模型2。將模型1 和模型2分別輸出為STL 格式的3D 打印數(shù)據(jù)文件。

圖2 ProE 三維建模

將產(chǎn)品的STL 格式文件導入Cura 3D 打印前處理軟件，進行工藝參數(shù)和成型方向的設置。模型1 的精度直接影響鑄件的質量，故層厚選擇0.1 mm，模型2 的層厚則可以略大，設置為0.2 mm，填充率為20%，成型溫度為200 ℃，打印平臺溫度設置為40 ℃，其他設置為默認；成型方向遵循重要表面水平，支撐結構少的原則。設置完畢后，分別生成兩個X3G 格式文件，先后導入FDM 快速成型機開始打印成型。

2.3 FDM 成型及后處理

打開FDM 成型機，裝載1.75 mm 的PLA 料絲，調整好打印平臺的高度，即可開始打印成型。打印完成后的模型1 和模型2 分別如圖3a）、3b）所示，將零件小心取下，分層次去掉支撐材料，防止細小結構被破壞，再進行打磨，得到表面質量較好的PLA 模型。用熱熔膠將模型1 與模型2 組合，形成含有澆冒系統(tǒng)的模型組，如圖3c）所示。

3 三腳鼎的熔模鑄造

3.1 石膏型制作

按前期實驗得到的配比，將水、半水石膏、石英粉等混合攪拌配制石膏漿料，控制水固比在40 ml：100 g 左右，保證其具有合適的流動性和較好的定型能力。石膏漿料攪拌過程中添加消泡劑，防止大量空氣混入，造成鑄件表面出現(xiàn)氣孔等缺陷。

用自制的塑料盒當作容器，用來制作石膏鑄型，將FDM 模型組豎直放入小盒中，底部用熱熔膠粘連固定在底板上，防止灌漿時模型移動或傾倒，倒入石膏砂漿時，使石膏砂漿覆蓋全部組件，但要露出澆道和冒口的最頂層，防止石膏堵住澆口和冒口。

3.2 干燥和焙燒脫除PLA

圖3 PLA 模型

石膏型置于干燥通風處慢慢晾干，防止開裂。2 h 后，放入箱式電爐中進行焙燒處理，將石膏型開口朝下并墊高，加熱到185 ℃左右，PLA 開始熔化流出，約650 ℃左右就會被燒掉，剩余少點殘灰在石膏鑄型下方開口處。焙燒完成爐溫降到200 ℃左右，將模具從爐子中小心取出。電爐升溫過程按圖4 的曲線圖設置，讓初始升溫速度放慢，是因為石膏未完全干燥，防止其開裂，后續(xù)每次升溫速度設置為10 ℃/min.

圖4 焙燒升溫曲線圖

3.3 金屬的熔煉及澆注

澆注之前對石膏型殼進行檢查，用壓縮空氣清理型腔內部灰燼及殘留物。為了提高澆注速度和縮短充型時間，在澆口處安裝了一個膠木材質的澆口杯，用來擴大口徑，如圖5 所示。采用普通電爐熔煉金屬錫液，在溫度300 ℃左右時，小心往焙燒過的石膏鑄型中澆注金屬液，錫液的澆注非常順利，直徑4 mm 的內澆道并沒有出現(xiàn)堵塞。當澆注完成時，兩個冒口有部分金屬液溢出，如圖6 所示。

3.4 開模及后期處理

澆注完成的鑄件冷卻后，利用金屬工具輕輕敲碎石膏，再使用水沖和浸泡的方法去掉剩余石膏，切掉澆注系統(tǒng)和冒口。經(jīng)檢查，鑄件未出現(xiàn)澆不足等明顯缺陷，尺寸與設計基本一致，但是由于FDM原型的表面存在層痕的緣故，導致鑄件表面精度不高，經(jīng)過打磨、拋光等處理，可獲得表面質量較好的零件。圖7 為處理完成后得到的三腳鼎成品。

圖5 石膏型殼及澆口杯

圖6 金屬液澆注

圖7 處理完成后的鑄件

4 結論

1）利用FDM 原型直接作為熔模，省去了使用注蠟機、制作壓型及注射蠟模等工序，整個制備過程從三維建模至鑄件完成用時不到24 h；FDM 原型利用三維軟件設計，改型方便，且可以完成薄壁、曲面等復雜形狀的加工，適用于個性化突出、單件或數(shù)件且對精度要求不高的鑄件的快速制備。

2）利用ProE 軟件設計了特殊的澆冒系統(tǒng)，并利用FDM 成型機打印成型，與母模采用相同的加工方式，使工藝過程更加簡潔。母模和澆冒系統(tǒng)材料統(tǒng)一，也簡化了升溫和焙燒工藝，提高了效率。