SLA快速精密鑄造技術應用現狀分析

劉洋（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽 712000 ）

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SLA快速精密鑄造技術應用現狀分析

劉洋
（陜西工業職業技術學院，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、特點和存在的問題，并做了簡要分析，為鑄件的快速精密鑄造打下良好基礎。

關鍵詞：快速成型；光固化；精密鑄造

稿件編號:1510-1112

1 SLA快速成型技術

快速成型技術（RP，Rapid Prototyping）是 20 世紀 80 年代末期發展起來的一種先進的制造技術[1]。它借助計算機完成零件的CAD模型， 就能迅速、直接地生成相應的零件或原型，克服了傳統方法難以制造復雜零件、周期長的缺點。目前，RP 技術被廣泛地應用在機械、電子、汽車、航空、航天領域，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體制造(LOM-Laminated ObjectManufacturing) 工藝；以熱塑性物質為材料的選擇性激光燒結 (SLS-Selected LaserSintering)工藝；以石蠟、塑料、低熔點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固化(SGC-Solid Ground Goring)；以噴射粘合劑來粘結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）技術是第一個商業應用的RP技術，主要用到的材料為光敏環氧樹脂、光敏丙烯樹脂等，其特點是尺寸精度高、表面質量好、原材料利用率高，可以制造形狀復雜、外觀精細的零件。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算機控制紫外激光束逐層對光敏樹脂進行掃描使其固化形成一個薄層截面；每一層固化完畢之后，工作平臺移動一個層厚的高度，其上再涂敷一層新的液態樹脂，以便進行下一層掃描固化；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

精密鑄造（IC）作為一種材料凈成形技術，其尺寸精度高、表面光潔、可生產各種合金的復雜結構鑄件。同時，生產批量不受限制，廣泛應用與航空、機械制造、電子、石油、化工、醫療器械等領域。從制蠟模、組焊、制殼、脫蠟、焙燒，再澆注成鑄件，工藝過程復雜、生產周期長。

快速精密鑄造技術（RIC Rapid Investment Casting）是快速成型與傳統精密鑄造技術的結合，是利用快速成型技術直接或者間接地制造鑄造用熔模、蠟樣、模殼、壓蠟模具，然后通過傳統精密鑄造工藝，快速鑄造金屬零件。快速成型技術與精密鑄造技術結合，可以實現鑄件的低成本化、高效益化生產，快速滿足市場的目的。快速精密鑄造技術能快速、方便地提供精密鑄造所需的蠟模及可消失熔模，有效地解決傳統蠟模制備周期長的難題，提高生產效率和制造柔性[3]，日益受到工業界的重視。

3 SLA快速精密鑄造技術應用

SLA與 IC 技術結合的新工藝新方法主要有直接熔模精密鑄造、間接模具制造技術和直接模具制造技術，此方法可大大提高行業競爭力。

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。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氧樹脂、光敏丙烯樹脂價格昂貴，鑄件生產成本高，不適合批量生產，只適用于產品的研制以及單件、小批量生產。

圖2 直接熔模精密鑄造工藝流程

（1）三維建模。對于快速熔模鑄造模型采用ProE軟件進行三維建模設計，為減少樹脂原型受熱膨脹對型殼造成的張力和沖擊力，同時，節約樹脂原材料、提高制作速度，需對零件三維模型進行抽殼設計，形成一定壁厚的中空結構，將設計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文件導入成型設備的前處理軟件進行編輯、缺陷修復、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文件導入成型設備控制軟件，進行模型檢驗、成形工藝參數設置及原型件制作。通過軟件檢驗成型數據的正確性；檢驗熔模模型支撐設計的合理性。模型檢驗合格后，通過成型設備設置光斑補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間越長，光敏樹脂固化效果越好，但零件成形時間增長。最后在制作模式下完成熔模原型制作。

（4）原型后處理。從快速成型設備中取出熔模原型進行后處理，通過合理的后處理工藝可以有效提高原型件的尺寸精度、強度、硬度、表面質量等性能［4］。原型的后處理工序為：清洗→去除支撐→打磨→后固化，通過后處理完的原型如圖3所示。

（5）快速熔模鑄造。先對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組合在一起，采用傳統精密鑄造制殼工藝進行制殼，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行高溫焙燒，完成脫模。經高溫焙燒后的型殼可直接進行澆注，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，對硅膠模具進行注蠟，制備精密鑄造用蠟模，在通過傳統的精密鑄造工藝完成鑄件生產，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，對于結構復雜花紋精細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］。由于在蠟模制備過程中進行多次型腔轉制，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。

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，用模具來制備蠟模，完成鑄件生產，采用這種方法在壓縮制造周期的同時，降低了生產成本，適用于小批量生產。

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模具，完成蠟模制作，進行精密鑄造生產。首先通過計算機繪圖軟件繪制零件三維圖，通過三維圖進行壓蠟模具的結構設計，并繪制出壓蠟模具三維圖，將繪制好的模具三維模型生成STL文件導入到快速成型設備專用軟件中進行前處理，最后將壓蠟模具通過SLA設備制作完成。該方法與SLA間接模具制造精密鑄造比較蠟模尺寸精度高，生產周期短，與SLA直接熔模精密鑄造相比生產成本較低，適于小批量生產，但壓蠟模具精度和性能控制較難， 模具的尺寸也受到限制， 故盡管通過SLA技術能夠獲得巨大的效益， 但是快速模具在質量和性能方面仍落后于傳統模具，針對有關尺寸精度、表面質量、耐用性等問題仍需作深一步地處理和改進研究［6］。

4 結論

在介紹了快速成型的基本原理和工藝方法的基礎上，論述了幾種用于精密鑄造工藝上的SLA快速成型工藝、特點和存在的問題，并做了簡要分析。將快速成型方法引入傳統鑄造生產中可能提高生產率、降低生產成本、縮短產品的加工周期，對傳統鑄造工藝的升級提高起到積極的作用。

參考文獻

[1] 程精濤.幾種快速成型方法在鑄造中的應用[J].鑄造技術,2015,36(1):242-244.

[2] 張宇紅,曾俊華,洪軍.大型零件光固化快速成型工藝研究[J].計算機集成制造系統，2007,13(3):553-557.

[3] 姜不居.熔模精密鑄造[M].北京:機械工業出版社，2004.

[4] 邵中魁,姜耀林.光固化3D打印關鍵技術研究[J].機電工程，2015(2):180-184.

[5] 范君艷.快速制模技術的應用研究[D].昆明:昆明理工大學，2002.

[6] 張磊，孫文磊，呂超.快速成型技術在熔模鑄造中的應用分析[J].鑄造技術,2013,34(9):1168-1170.

[7] 李瑞霞,熊曉紅.激光選區粉末燒結快速成形技術在精密鑄造中的應用[J].中國鑄造裝備與技術,2005(2).

[8] 臧加倫,孫玉成,李闖,等.國內鑄造快速成型技術與應用[J].中國鑄造裝備與技術,2015(4).

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：TG249.5；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0007-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.002

收稿日期:2015-10-30

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