機械鑄造生產(chǎn)中快速成型技術(shù)的應用分析

韓芙蓉，高文優(yōu)

（鄭州輕工業(yè)大學，河南 鄭州 450066）

伴隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展和進步，機械生產(chǎn)企業(yè)要想實現(xiàn)多元發(fā)展的目標，就要與時俱進、勇于創(chuàng)新，引進快速成型技術(shù)，從而更好地提升機械制造效率，維持技術(shù)綜合應用水平，為機械鑄造生產(chǎn)質(zhì)量和效率的全面進步提供保障。

1 快速成型技術(shù)概述

1.1 技術(shù)內(nèi)涵

快速成型技術(shù)是一種新興科研成果，融合計算機技術(shù)和材料科學技術(shù)，能共同打造更加合理高效的成型處理方式，相較于傳統(tǒng)機械加工方法，快速成型技術(shù)結(jié)合CAD生成對應的零件幾何信息，并且配合三維數(shù)控成型系統(tǒng)，維持成型效果。與此同時，快速成型技術(shù)省時、省料，借助專用工具就能完成設計工序和機械加工工序，從而提升整體技術(shù)操作的制造柔性，維持較好的生產(chǎn)效率。

1.2 技術(shù)原理

快速成型技術(shù)體系中，借助計算機設計三維模型，或者是借助逆向工程取得計算機模型，配合切片處理工序，完成逐層加工和層疊增長的應用控制工作，在快速成型技術(shù)的具體流程中，材料堆積原理是維持三維實體零件的關(guān)鍵，保證片層應用的規(guī)范性，才能將三維CAD轉(zhuǎn)變?yōu)槎S圖形，實現(xiàn)層層疊加控制的規(guī)范性。

在三維CAD模型設計工序中，為了保證處理流程的規(guī)范性，要結(jié)合PC機或者圖形工作站的應用要求，完成三維處理，對應的三維軟件主要包括Pro/E、SolidWorks以及UG等，能實現(xiàn)三維CAD模型處理的目標，并且配合技術(shù)流程維持應用效果。而在CAD模型近似處理工作中，主要是借助STL文件格式完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，如圖1所示，并且能將三維實體表面利用系列化小三角形實現(xiàn)逼近操作，從而獲取三維近似模型文件，匹配相應的處理工序，維持CAD模型分析的基本要求。

圖1 STL文件格式

另外，要利用切片處理方式，有效地將模型以片層結(jié)構(gòu)的方式予以描述控制，并且片層的基礎(chǔ)厚度能達到50μm～500μm之間。在技術(shù)應用體系內(nèi)，無論基礎(chǔ)零件的形狀和尺寸結(jié)構(gòu)多么復雜，都能對每個層級結(jié)構(gòu)進行平面矢量的掃描，從而獲取輪廓線，以表示片層的邊界，從而維持應用效果。

制作基本流程如下：1）CAD三維造型設計分析；2）STL文件設計，應用CAD造型軟件進行前處理；3）對STL文件予以總和操作，利用數(shù)據(jù)處理工藝規(guī)劃軟件，配合監(jiān)控軟件生成CLI文件，并且匹配NC指令；4）利用制造原型完成層層堆積操作；5）進行后處理工序，完成工件剝離去支撐化和表面處理的強化操作；6）獲取原型件。

1.3 技術(shù)特點

快速成型技術(shù)最大的優(yōu)勢就是能提升技術(shù)應用的柔性，打造更加合理的技術(shù)操作平臺，維持機械鑄造生產(chǎn)流程的規(guī)范性和合理性。

1）快速成型技術(shù)實現(xiàn)了技術(shù)的高度集成化應用，將計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)以及材料機械技術(shù)應用在綜合集成化控制模式中，配合計算機就能完成離散運算分析，維持繁雜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，并且保證零件曲面分析和實體造型處理工作的規(guī)范性。最關(guān)鍵的是，數(shù)控技術(shù)處理過程中，高速精確的二維掃描非常關(guān)鍵，是維持精確高效堆積材料的前提。使用激光器件和功率控制技術(shù)就能更好地將固化、燒結(jié)以及切割等基礎(chǔ)工作落實到位，保證綜合技術(shù)應用效果符合實際。

2）快速成型技術(shù)的響應效率較高，在制造過程中維持CAD設計工序到原型處理工序的加工，就能維持綜合應用水平。最關(guān)鍵的是，匹配幾個小時或者幾十個小時的處理工序，能維持零件應用的效果，提升產(chǎn)品的開發(fā)效率，維持RP技術(shù)并行工程和快速反應的合理性[1]。

3）快速成型技術(shù)能實現(xiàn)設計、制造一體化的技術(shù)應用目標，維持技術(shù)快速處理機制和模塊，確保柔性技術(shù)的操作要素符合預期，維持技術(shù)層級加工的整體水平，也能更好地提高操作模塊的綜合應用效率。

除此之外，快速成型技術(shù)在實際應用中也具有一定的局限性，技術(shù)方案無法實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的目的，因為產(chǎn)品自身的強度參數(shù)有限，所以要配合二次處理和應用控制技術(shù)才能直接使用，加之技術(shù)流程和操作模式較為新型，這就增加了設備的價格和項目的加工成本。

1.4 技術(shù)分類

目前，較為常見的快速成型技術(shù)方案主要分為以下幾種。

1）按照成型原理進行分類：①基于激光和其他光源完成的成型技術(shù)流程，主要包括立體光刻技術(shù)、分層實體制造技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)等；②基于噴射成型技術(shù)流程，主要分為熔融沉積成型技術(shù)、三維立體印刷技術(shù)、多相噴射沉積技術(shù)等。結(jié)合不同的技術(shù)應用要點和成型原理RP內(nèi)容，就能建立不同的技術(shù)操作流程和應用方案，維持綜合效果。

2）按照材料不同進行分類：①液體材料，主要包括液體樹脂固化結(jié)構(gòu)、熔融材料固化結(jié)構(gòu)，分別為立體光刻技術(shù)和熔融沉積成型技術(shù)。②粉狀材料，主要包括激光熔合材料和黏結(jié)劑黏結(jié)材料，分別為選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)和三維立體印刷技術(shù)；③片狀材料，主要包括黏性片材黏結(jié)處理、UV黏結(jié)片狀，分別為分層實體制造技術(shù)和實體薄片成型技術(shù)。

2 機械鑄造生產(chǎn)中快速成型技術(shù)的應用

在機械制造生產(chǎn)中應用快速成型技術(shù)方案，能在縮短開發(fā)周期的同時，提升內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細化水平，并且優(yōu)化企業(yè)獲取訂單的市場競爭力，打造更加多元可靠的相應技術(shù)方案，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。

2.1 直接鑄造處理方案

在鑄造工序中要匹配RP技術(shù)，實現(xiàn)鑄造型殼和型芯的一步成型，要配合金屬澆注處理，有效完成金屬零件的生產(chǎn)。正是因為從原型到金屬零件制造過程無需經(jīng)過轉(zhuǎn)化流程，所以能大大提升處理效率，被廣泛應用在單件制造中。

2.1.1 直接殼型鑄造

要借助激光設備完成選擇性燒結(jié)處理，將反應性樹脂包覆的陶瓷粉作為燒結(jié)基礎(chǔ)，能實現(xiàn)型殼、型芯的一步到位鑄造處理。技術(shù)應用環(huán)境為CAD工業(yè)體系，能將零件的模型轉(zhuǎn)變?yōu)闅ば停瑥亩鋵崫沧⑾到y(tǒng)，維持綜合應用環(huán)境。需要注意的是，在型殼的實際厚度達到5 mm～10 mm之間時，燒結(jié)過程主要針對非零件燒結(jié)，待燒結(jié)工作結(jié)束就能將剩余粉末倒掉，從而配合固化處理工序，維持型殼處理工作的基本流程，并且確保金屬零件應用的規(guī)范性。利用直接殼型鑄造處理方式能在提升燒結(jié)精密性的同時，保證鑄造流程的合理化水平，并且無需配合使用其他模具就能利用計算機網(wǎng)絡資料完成鑄造設計和制作過程。但是，直接殼型鑄造工作最大的弊端就在于型殼厚度較厚，且固化處理工藝會增加型殼結(jié)構(gòu)表面的粗糙度。

2.1.2 直接制模鑄造

直接制模技術(shù)操作中，無需采取激光處理，只需要借助黏結(jié)劑落實選擇性黏結(jié)操作即可，能確保CAD模型直接轉(zhuǎn)變?yōu)閷哪そY(jié)構(gòu)，這種方式和熔模鑄造工藝較為相似，能有效完成金屬零件的制造工作。在直接制模鑄造操作體系中，從設計工序到最終的成品零件出廠一般約為10天，大大提升了鑄造流程的實效性，能建構(gòu)更加合理且有效的技術(shù)流程。

另外，直接制模鑄造技術(shù)工藝的環(huán)保性較高，且本身是柔性技術(shù)，能結(jié)合技術(shù)方案完成復雜外形和復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的處理。也可以選擇鑄造用砂作為成形材料，能在澆注處理后直接獲得對應的金屬零件，整體操作技術(shù)能縮減設備的運行成本和費用，維持良好的鑄造工序[2]。

配合技術(shù)應用流程和直接處理方案，就能更加直觀地獲取對應的元件，維持技術(shù)操作的規(guī)范性，并且減少轉(zhuǎn)制操作產(chǎn)生的成本，為綜合制模處理工序效果的優(yōu)化提供保障。

2.2 一次轉(zhuǎn)制技術(shù)

將RP技術(shù)作為基礎(chǔ)，基于分層實體制造LOM工藝建立技術(shù)應用模式。LOM設備如圖2所示，其工藝指的就是借助薄片材料完成處理，在涂覆熱熔膠的基礎(chǔ)上，確保利用熱壓輥熱壓片材，保證加工流程的合理性，并且將其和下面成形的工件予以黏結(jié)處理，配合使用CO2激光器切割不同的零件界面輪廓和工件外框，從而保證激光切割工序結(jié)束后帶狀片材能實現(xiàn)有效分離。目前，較為常見的一次轉(zhuǎn)制技術(shù)分為普通砂型技術(shù)、實型鑄造消失模技術(shù)和精密型鑄造熔模技術(shù)。

圖2 LOM設備

2.2.1 普通砂型技術(shù)方案

利用較為合理的樹脂材料完成原型模樣的處理和制作，并且配合表面噴鍍處理方式，實現(xiàn)LOM法原型處理，就能將模樣直接安裝在模板結(jié)構(gòu)和芯盒結(jié)構(gòu)上，從而維持良好的應用狀態(tài)。

1）制作砂型鑄造模樣時，要利用專用軟件和快速成型技術(shù)匹配模式，保證軟件能對制作零件的加工余量、起模斜度以及鑄造圓角等予以控制，并且維持整體應用管理的規(guī)范性，整合相關(guān)技術(shù)體系和應用流程。

2）要將對應的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容直接輸送到快速成型機中，保證能實現(xiàn)零件模樣的自動制作處理，維持綜合應用的規(guī)范性。

3）要將制成的模樣應用在拼裝模板中，替代傳統(tǒng)木模處理方式中手工砂型鑄造流程，為分段制作后再組合處理提供了保障。要結(jié)合模型的承壓能力實際參數(shù)，對蜂窩狀態(tài)結(jié)構(gòu)部分予以合規(guī)設計，若是要提升模型的耐磨性，可以采取電鍍處理的方式[3]。

在普通砂型技術(shù)處理工序中，為了能最大程度地節(jié)省樹脂材料和上機操作時間，要結(jié)合蜂窩狀結(jié)構(gòu)予以全面處理，而實際的表面厚度以及蜂窩狀結(jié)構(gòu)尺寸與模樣承受的壓力參數(shù)相關(guān)，要想提升耐磨性，就要全面提升綜合分析的水平。

2.2.2 實型鑄造消失模技術(shù)方案

采取的是立體印刷SLA技術(shù)方案。SLA技術(shù)是以液態(tài)光敏樹脂光聚合原理作為基礎(chǔ)，液態(tài)材料能在指定波長和強度環(huán)境紫外光照射下完成光聚合處理，材料能從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。在液槽內(nèi)盛放液態(tài)光固化樹脂，匹配對應的激光束，就能實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)鏡作用下的表面掃描處理，獲取的掃描軌跡數(shù)值以及光線參數(shù)，都能依據(jù)計算機控制方案，滿足液體固化需求。技術(shù)工作原理圖如圖3所示。

圖3 SLA工作原理

配合使用樹脂和熱塑性材料原型分析機制，就能更好地提升鑄造工藝的基本水平，優(yōu)化生產(chǎn)鑄件的控制效果。

1）要將涂覆耐火材料的成型零件直接放置在箱體中，且箱體內(nèi)充填干砂，以保證相應工作都能有序開展。

2）抽調(diào)箱體內(nèi)的干砂材料，配合實際使用要求和使用標準，維持砂型的穩(wěn)定性和密實度，建構(gòu)過程化處理機制和應用平臺，維持操作規(guī)范程度。

3）要將熔化的金屬液直接裝進砂型結(jié)構(gòu)中，主要是利用特殊的澆冒口，維持砂型應用的規(guī)范性，也能保證所燒模樣并取代對應位置而獲取金屬零件。

4）為了進一步提升操作流程的規(guī)范性和質(zhì)量水平，也要利用激光燒結(jié)的方式匹配聚苯乙烯、PMMA粉末等，從而在降低燒結(jié)溫度的同時提升燒結(jié)處理工序的強度，保證實型鑄造應用工序的規(guī)范性。

2.2.3 精密型鑄造熔模技術(shù)方案

在應用快速成型技術(shù)方案的過程中，將技術(shù)制作的原型作為熔模鑄造處理工序的熔失模較為常見，能結(jié)合對應的技術(shù)處理流程提升操作的合理性。

1）相較于熔模鑄造制殼工藝，精密型鑄造熔模技術(shù)方案工藝本質(zhì)上存在一定的差異，匹配計算機輔助設計就能獲取對應的數(shù)據(jù)信息，整個處理過程無需匹配模具或者壓型結(jié)構(gòu)，利用熔模鑄造處理方式能大大提升工作效率，減少制壓型、蠟模工序造成的浪費，縮短生產(chǎn)周期，提高成本的控制效率。

2）應用規(guī)范的處理模式和應用技術(shù)方案，還能完成凈形零件處理的要求，保證中空零件操作效果。按照以下流程完成相關(guān)處理：①計算機處理；②啟動控制軟件，實現(xiàn)對應技術(shù)流程并獲取CLI文件開啟指令；③利用初始化系統(tǒng)啟動凈形零件控制系統(tǒng)，確保成型原型件應用規(guī)范；④原型件后處理[4]。

3）在精密型鑄造熔模技術(shù)操作方案中，配合使用3DP工藝，在零件的截面位置印刷對應的材料粉末，使用黏結(jié)劑黏結(jié)的零件整體強度較低，要完成后處理工序，在燒掉黏結(jié)劑的同時，保證高溫環(huán)境下金屬的滲入控制，保證了零件的致密化處理，也為精密型鑄造熔模技術(shù)的強度優(yōu)化提供了保障。

2.3 二次轉(zhuǎn)制技術(shù)

在機械制造生產(chǎn)中應用快速成型技術(shù)，二次轉(zhuǎn)制處理也較為常見，主要是將RP技術(shù)提供的原型作為后續(xù)技術(shù)處理和操作的母模，維持流程應用的規(guī)范性，能配合澆注蠟、硅橡膠以及環(huán)氧樹脂等完成材料處理工序，并且打造軟模具，維持熔模鑄造流程的規(guī)范性。與此同時，在技術(shù)應用過程中，還能匹配精密型鑄造工藝流程，保證金屬零件處理和應用的綜合效果。因為從原型結(jié)構(gòu)到金屬零件結(jié)構(gòu)要利用二次或者二次以上的工藝轉(zhuǎn)化處理，所以工藝被廣泛應用在批量零件制造項目中，不僅制作周期較為合理且對應的成本控制效果較好，發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)原型尺寸精度分析和表面粗糙度控制的優(yōu)勢，確保時效性定位管理的最優(yōu)化。

3 結(jié)束語

綜上所述，將快速成型技術(shù)應用在機械鑄造生產(chǎn)流程中，能在提升經(jīng)濟效益的同時，建構(gòu)更加多元的制造模式，確保元件精密度得以提升，并且能優(yōu)化制造成本和工藝靈活性，為新產(chǎn)品試制工作提供保障，促進機械制造產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。