增材制造技術(shù)在鑄造工藝中的應(yīng)用

王思遠

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056004）

鑄造作為一種傳統(tǒng)的金屬加工工藝，在人類生活生產(chǎn)中占據(jù)著舉足輕重的地位，傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)對模具有很高的依賴，但是傳統(tǒng)的模具制造方式存在著加工精度低，工作量大,耗能高，污染大等缺點，當(dāng)前我國復(fù)雜箱體類零件的研發(fā)和鑄造仍在使用傳統(tǒng)的木模或金屬翻砂工藝[1]，無法滿足當(dāng)下日益增長的市場要求。由此，如何將傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)與新興技術(shù)加以結(jié)合成為了當(dāng)下的研究重點。增材制造是近年來得到蓬勃發(fā)展的一項制造技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了計算機輔助設(shè)計，以三維模型作為基礎(chǔ)，通過軟件與控制系統(tǒng)將材料逐層堆積，實現(xiàn)復(fù)雜零件的制造[2]，具有制造快捷，適應(yīng)任何復(fù)雜零件，原材料廣泛的優(yōu)點。由于其加工精度高，材料選擇范圍廣，可以制造形狀復(fù)雜的零部件等優(yōu)勢，在諸如鑄造，航空，醫(yī)療，汽車，建筑，教育及軍工等諸多行業(yè)中都得到了廣發(fā)應(yīng)用，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不僅逐年增長，而且在減少能源消耗方面有很大潛力[3]。

1 增材制造技術(shù)的原理

目前鑄造業(yè)主要采用選取激光燒結(jié)、立體光固化技術(shù)及疊層實體制造等技術(shù)。

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）是目前鑄造行業(yè)中經(jīng)常采用的一項技術(shù)，該技術(shù)使用二氧化碳激光作為能源，使用的材料包括各種可被激光燒結(jié)的粉末材料如尼龍，蠟，聚苯乙烯，金屬等。打印零件時，激光在電腦的控制下對原料進行掃描，被掃描之處即被燒結(jié)成有一定厚度的片層，然后機器按照片層厚度進行鋪粉后繼續(xù)燒結(jié)出下一層，如此層層燒結(jié)最后即可得到目標(biāo)零件。

圖1 選取激光燒結(jié)技術(shù)原理圖

立體光固化技術(shù)（SLA）是最早出現(xiàn)的一種增材制造技術(shù)，打印出的零件具有很高的表面精度。該技術(shù)主要采用樹脂為打印原料，使用特定波長的激光對光敏材料的表面進行照射使其按照切片要求的形狀凝固，在打印完一層后升降臺在垂直方向下降一個片層的厚度繼續(xù)打印下一層，由此最終打印出目標(biāo)零件。

圖2 立體光固化技術(shù)原理圖

疊層實體制造技術(shù)（LOM）采用紙，塑料薄膜等原料，在打印時，激光在電腦控制下對涂有熱熔膠的薄膜材料按照切片形狀進行切割，然后加熱輥對片層進行加熱使其與下層已切好的片層進行粘結(jié)，之后零件已打印好的部分與薄膜分離并下降一個片層的高度，薄膜材料移動使新層移動到零件上方，進行下一層的打印。

圖3 疊層實體制造技術(shù)

2 傳統(tǒng)鑄造工藝的原理及其缺陷

傳統(tǒng)鑄造工藝主要包括砂型鑄造，熔模鑄造，消失模鑄造，其原理如下：

（1）砂型鑄造：砂型鑄造是非常傳統(tǒng)的鑄造方法，在進行砂型鑄造時首先要進行造型，造型方式包括手工造型和機器造型：手工造型時，采用木模樣進行造型或使用刮板進行造型；在機器造型時，則主要使用振壓造型機或射壓造型機進行造型。造型完畢以后，選擇合適的分型面，向型砂中倒入金屬液進行鑄造。

（2）熔模鑄造：該方法鑄造時，先制造壓型，即制造蠟?zāi)５膶Ｓ媚＞?，待完成后將蠟液壓入壓模中，即可得到單個蠟?zāi)?，?dāng)鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，可將多個簡單的蠟?zāi)０凑砧T件形狀進行拼接。在蠟?zāi)Ｖ圃焱戤吅?，對其表面涂抹涂料并撒上石英砂，?jīng)硬化后得到型殼，對型殼進行加熱使蠟液融化并倒出型殼，最后進行澆注，待冷卻后打破型殼即可得到鑄件。

（3）消失模鑄造；在采用消失模鑄造時，首先采用可揮發(fā)性材料制作模樣，在模樣制作完畢后向模樣表面涂抹光潔涂料及耐火涂料以提高其表面強度，之后將其放入砂箱內(nèi)填入石英砂進行造型。最后對砂箱進行澆注，砂箱內(nèi)的模樣會因高溫而汽化消失，最終獲得鑄件。

傳統(tǒng)鑄造中，除去澆筑時產(chǎn)生的氣孔，縮松和內(nèi)應(yīng)力等影響目標(biāo)零件質(zhì)量的因素，在制造精度方面主要存在以下問題：

（1）進行砂型鑄造時要先用模樣或使用刮板手工制造砂型，傳統(tǒng)的手工造型很依賴工人的經(jīng)驗和水平，精度較低，而使用模樣造型時，模樣大多為木質(zhì)，無法保證其制造精度且在制造復(fù)雜模樣時會遇到很大的困難。

（2）在進行熔模鑄造時，需要先制造壓型，再進行注蠟以得到單個的蠟?zāi)?，在遇到?fù)雜模樣時需要將許多單個蠟?zāi)０凑砧T件進行拼接，比較費力；制造壓型時，通常采用金屬材料經(jīng)機加工制成，生產(chǎn)成本高，耗時長。

（3）在消失模鑄造中，模樣制造主要采用模具發(fā)泡成型和手工切割。前者制造成本昂貴,加工周期長;后者加工效率低、精度差, 加工范圍有限[4]。

綜上我們可以總結(jié)出，傳統(tǒng)鑄造方法遇到的問題主要為無法保證零件尺寸精度、復(fù)雜模樣制造困難、生產(chǎn)成本高及生產(chǎn)時長。

3 增材制造在鑄造中的應(yīng)用

增材制造將目標(biāo)零件逐層切片，逐層進行加工，不同于傳統(tǒng)的減材制造，增材制造可以做出很復(fù)雜的零件，并且其加工精度很有保障，故可應(yīng)用于模樣的生產(chǎn)之中，我們可以從增材制造的優(yōu)點入手，將增材制造應(yīng)用于鑄造技術(shù)中，從而解決傳統(tǒng)鑄造技術(shù)中的問題：

（1）增材制造在砂模鑄造中的應(yīng)用：

目前，在進行砂模鑄造時，其所需要的模樣可以采用疊層實體制造法（LOM）進行制造，使用疊層實體制造打造的紙模具有很高的強度，可以進行一些機械加工，在對其表面進行防潮等處理后，即可將其作為砂模鑄造的模樣使用，該方法使用的原料易得且廉價，可以有效地節(jié)約生產(chǎn)成本，另外疊層實體制造法具有很高的生產(chǎn)速度，很適合大批量生產(chǎn)。

在小批量生產(chǎn)模樣且對其精密度要求高時，也可以使用立體光固化成型法（SLA），利用該技術(shù)可以快速的打印出樹脂材料的模樣，該技術(shù)打印的樹脂模樣具有很高的表面光潔度和很低的粗糙度，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木質(zhì)模樣。

（2）增材制造在熔模鑄造中的應(yīng)用：

由于增材制造的材料可選擇范圍廣泛，可以被很好地應(yīng)用于熔模鑄造之中去。選取激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）可直接打印蠟粉，且該技術(shù)成本較低，可以節(jié)約傳統(tǒng)熔模鑄造中壓型工藝所消耗的成本，并且可制造很復(fù)雜的零件，增材制造和熔模鑄造的結(jié)合形成了一項新的工藝--快速熔模鑄造，利用該技術(shù)進行熔模鑄造制成的產(chǎn)品擁有很高的精度和強度，并且大大縮短了制造時間，節(jié)約了生產(chǎn)成本，目前在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很多成果，如宗學(xué)文成功將該技術(shù)應(yīng)用于新型燃氣渦輪導(dǎo)向器的制造中[5]; 姜耀林等人采用立體光固化技術(shù)（SLA）打印離心泵葉輪樹脂模型, 經(jīng)后期處理后使用該模型進行熔模鑄造, 最終得到的離心泵葉輪金屬件具有很高的精度[6]。

（3）增材制造在消失模鑄造中的應(yīng)用：

在制造消失模時，傳統(tǒng)工藝一般采用與熔模鑄造鑄造蠟?zāi)r相似的工藝即首先壓型制造單個的消失模零件，最后再按要求將其組裝。選取激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）以及立體光固化技術(shù)（SLA）可以直接使用高分子材料進行打印，直接制造消失模，這樣打印得出的消失模表面質(zhì)量好，純度高，且有良好的強度，另外, 在經(jīng)過拋光技術(shù)處理之后, 可以有效地消除表面氣孔, 很大程度上提高零件在尺寸和形狀上的精度, 可以將不銹鋼等材料的鑄造質(zhì)量提高[7]。由于省去了壓型過程，可以節(jié)省生產(chǎn)成本。

除了上述的各種優(yōu)勢，在使用增材制造制造模樣時，工人只需將處理好的零件文件導(dǎo)入加工設(shè)備中，按照規(guī)定確定好加工時的溫度曲線等加工參數(shù)后，機器就可以開始自動加工，大大減少了工人的勞動強度，改善了工人的勞動環(huán)境。

由此可見，增材制造在模樣的精密制造，復(fù)雜模樣的加工，以及人力成本方面都有突出優(yōu)勢，是優(yōu)良的問題解決方案。

4 增材制造應(yīng)用時存在的一些問題

增材制造雖然在制造精度，復(fù)雜零件的生產(chǎn)，生產(chǎn)周期等方面相較傳統(tǒng)的鑄造方法有明顯優(yōu)勢，但也存在著一些劣勢，如下：

（1）增材制造生產(chǎn)的零件尺寸較小，相比之下傳統(tǒng)模樣制造在大尺寸模樣的制造上有明顯優(yōu)勢。

（2）增材制造技術(shù)使用高能激光束、成型過程處于高溫環(huán)境的特點使其容易產(chǎn)生變形和內(nèi)部缺陷。此外控制方法、內(nèi)部缺陷對性能的作用機制及檢測方法還尚未明確。

（3）一些增材制造設(shè)備的費用比較昂貴，還無法被普遍應(yīng)用；一些打印所需的原料如光敏樹脂，也是比較昂貴的。

（4）增材制造使用的一些材料如某些高分子材料在打印過程中會產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，對環(huán)境造成惡劣影響。

綜上，目前增材制造主要的問題可以歸結(jié)為技術(shù)尚未完全成熟，這不僅反應(yīng)在打印設(shè)備的昂貴、無法大規(guī)模、普遍的用于生產(chǎn)上，也體現(xiàn)在人們對增材制造內(nèi)部機理的研究尚未完善上。我認為，未來增材制造的研究重點應(yīng)落足于廉價材料的開發(fā)、成型速度的提升、打印零件內(nèi)部性能的提升以及缺陷的解決方法等研究上。

5 結(jié)語及展望

在國家大力推廣“智能制造”的背景下，增材制造與傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的結(jié)合是大勢所趨，增材制造在制造精度，復(fù)雜零件生產(chǎn)，生產(chǎn)時間，操作難度等方面的巨大優(yōu)勢可以完美補足傳統(tǒng)制造業(yè)的短板與缺點，這必將引起鑄造業(yè)的一次產(chǎn)業(yè)變革，從而帶給該行業(yè)更好的發(fā)展，而隨著國家對增材制造技術(shù)的投入增大以及人們對該技術(shù)認知的不斷深入，增材制造的現(xiàn)有短板也一定會逐漸補全。

目前在一些高科技產(chǎn)業(yè)，例如爬壁機器人的研發(fā)中，機器人足底結(jié)構(gòu)以及足底吸盤等結(jié)構(gòu)的制造依然要依靠鑄造實現(xiàn)，比如劉彥偉等人制造的一種仿生爪刺式履帶爬壁機器人[8]，其足部的爪刺吸附結(jié)構(gòu)即采用選取激光燒結(jié)技術(shù)制作；王蕊等人對章魚足部的吸附結(jié)構(gòu)進行研究時[9]，使用樹脂增材制造技術(shù)制作其吸盤的澆筑模具。這些例子說明了傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)要在現(xiàn)代社會繼續(xù)煥發(fā)生機，就一定要在類似機器人的制造等高新技術(shù)中有所應(yīng)用，這就要求了鑄造行業(yè)要充分吸收新技術(shù)，剔除自身短板。未來的鑄造業(yè)不能再以低精度，大批量生產(chǎn)的印象示人，而是要充分與增材制造等新興技術(shù)進行融合，使鑄造技術(shù)成為一種既可以進行大規(guī)模生產(chǎn)，同時又可以保證零件精密度的生產(chǎn)技術(shù)。

作為目前潛力十足的一種新型加工技術(shù)，增材制造和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相輔相成，從而使二者的優(yōu)點可以得到充分地發(fā)揮，在未來智能制造，綠色制造，高精度制造要求不斷提高的背景下，一定會大有作為。