機械鑄造生產中快速成型技術的應用分析

韓芙蓉，高文優

（鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450066）

伴隨著市場經濟的不斷發展和進步，機械生產企業要想實現多元發展的目標，就要與時俱進、勇于創新，引進快速成型技術，從而更好地提升機械制造效率，維持技術綜合應用水平，為機械鑄造生產質量和效率的全面進步提供保障。

1 快速成型技術概述

1.1 技術內涵

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

1.2 技術原理

快速成型技術體系中，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，在快速成型技術的具體流程中，材料堆積原理是維持三維實體零件的關鍵，保證片層應用的規范性，才能將三維CAD轉變為二維圖形，實現層層疊加控制的規范性。

在三維CAD模型設計工序中，為了保證處理流程的規范性，要結合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，能實現三維CAD模型處理的目標，并且配合技術流程維持應用效果。而在CAD模型近似處理工作中，主要是借助STL文件格式完成數據的轉換處理，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構的方式予以描述控制，并且片層的基礎厚度能達到50μm～500μm之間。在技術應用體系內，無論基礎零件的形狀和尺寸結構多么復雜，都能對每個層級結構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，利用數據處理工藝規劃軟件，配合監控軟件生成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 技術特點

快速成型技術最大的優勢就是能提升技術應用的柔性，打造更加合理的技術操作平臺，維持機械鑄造生產流程的規范性和合理性。

1）快速成型技術實現了技術的高度集成化應用，將計算機技術、數控技術、激光技術以及材料機械技術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，維持繁雜數據的轉換工作，并且保證零件曲面分析和實體造型處理工作的規范性。最關鍵的是，數控技術處理過程中，高速精確的二維掃描非常關鍵，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就能更好地將固化、燒結以及切割等基礎工作落實到位，保證綜合技術應用效果符合實際。

2）快速成型技術的響應效率較高，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，提升產品的開發效率，維持RP技術并行工程和快速反應的合理性[1]。

3）快速成型技術能實現設計、制造一體化的技術應用目標，維持技術快速處理機制和模塊，確保柔性技術的操作要素符合預期，維持技術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，快速成型技術在實際應用中也具有一定的局限性，技術方案無法實現大批量生產的目的，因為產品自身的強度參數有限，所以要配合二次處理和應用控制技術才能直接使用，加之技術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 技術分類

目前，較為常見的快速成型技術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流程，主要包括立體光刻技術、分層實體制造技術、選區激光燒結技術等；②基于噴射成型技術流程，主要分為熔融沉積成型技術、三維立體印刷技術、多相噴射沉積技術等。結合不同的技術應用要點和成型原理RP內容，就能建立不同的技術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構、熔融材料固化結構，分別為立體光刻技術和熔融沉積成型技術。②粉狀材料，主要包括激光熔合材料和黏結劑黏結材料，分別為選區激光燒結技術和三維立體印刷技術；③片狀材料，主要包括黏性片材黏結處理、UV黏結片狀，分別為分層實體制造技術和實體薄片成型技術。

2 機械鑄造生產中快速成型技術的應用

在機械制造生產中應用快速成型技術方案，能在縮短開發周期的同時，提升內部結構的精細化水平，并且優化企業獲取訂單的市場競爭力，打造更加多元可靠的相應技術方案，從而實現經濟效益和社會效益的和諧統一。

2.1 直接鑄造處理方案

在鑄造工序中要匹配RP技術，實現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。正是因為從原型到金屬零件制造過程無需經過轉化流程，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處理，將反應性樹脂包覆的陶瓷粉作為燒結基礎，能實現型殼、型芯的一步到位鑄造處理。技術應用環境為CAD工業體系，能將零件的模型轉變為殼型，從而落實澆注系統，維持綜合應用環境。需要注意的是，在型殼的實際厚度達到5 mm～10 mm之間時，燒結過程主要針對非零件燒結，待燒結工作結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范性。利用直接殼型鑄造處理方式能在提升燒結精密性的同時，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構表面的粗糙度。

2.1.2 直接制模鑄造

直接制模技術操作中，無需采取激光處理，只需要借助黏結劑落實選擇性黏結操作即可，能確保CAD模型直接轉變為對應的模殼結構，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，能建構更加合理且有效的技術流程。

另外，直接制模鑄造技術工藝的環保性較高，且本身是柔性技術，能結合技術方案完成復雜外形和復雜內部結構的處理。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，維持技術操作的規范性，并且減少轉制操作產生的成本，為綜合制模處理工序效果的優化提供保障。

2.2 一次轉制技術

將RP技術作為基礎，基于分層實體制造LOM工藝建立技術應用模式。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束后帶狀片材能實現有效分離。目前，較為常見的一次轉制技術分為普通砂型技術、實型鑄造消失模技術和精密型鑄造熔模技術。

圖2 LOM設備

2.2.1 普通砂型技術方案

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LOM法原型處理，就能將模樣直接安裝在模板結構和芯盒結構上，從而維持良好的應用狀態。

1）制作砂型鑄造模樣時，要利用專用軟件和快速成型技術匹配模式，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范性，整合相關技術體系和應用流程。

2）要將對應的數據信息內容直接輸送到快速成型機中，保證能實現零件模樣的自動制作處理，維持綜合應用的規范性。

3）要將制成的模樣應用在拼裝模板中，替代傳統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。要結合模型的承壓能力實際參數，對蜂窩狀態結構部分予以合規設計，若是要提升模型的耐磨性，可以采取電鍍處理的方式[3]。

在普通砂型技術處理工序中，為了能最大程度地節省樹脂材料和上機操作時間，要結合蜂窩狀結構予以全面處理，而實際的表面厚度以及蜂窩狀結構尺寸與模樣承受的壓力參數相關，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方案

采取的是立體印刷SLA技術方案。SLA技術是以液態光敏樹脂光聚合原理作為基礎，液態材料能在指定波長和強度環境紫外光照射下完成光聚合處理，材料能從液態轉變為固態。在液槽內盛放液態光固化樹脂，匹配對應的激光束，就能實現偏轉鏡作用下的表面掃描處理，獲取的掃描軌跡數值以及光線參數，都能依據計算機控制方案，滿足液體固化需求。技術工作原理圖如圖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，優化生產鑄件的控制效果。

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

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

3）要將熔化的金屬液直接裝進砂型結構中，主要是利用特殊的澆冒口，維持砂型應用的規范性，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范性和質量水平，也要利用激光燒結的方式匹配聚苯乙烯、PMMA粉末等，從而在降低燒結溫度的同時提升燒結處理工序的強度，保證實型鑄造應用工序的規范性。

2.2.3 精密型鑄造熔模技術方案

在應用快速成型技術方案的過程中，將技術制作的原型作為熔模鑄造處理工序的熔失模較為常見，能結合對應的技術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方案工藝本質上存在一定的差異，匹配計算機輔助設計就能獲取對應的數據信息，整個處理過程無需匹配模具或者壓型結構，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，縮短生產周期，提高成本的控制效率。

2）應用規范的處理模式和應用技術方案，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處理：①計算機處理；②啟動控制軟件，實現對應技術流程并獲取CLI文件開啟指令；③利用初始化系統啟動凈形零件控制系統，確保成型原型件應用規范；④原型件后處理[4]。

3）在精密型鑄造熔模技術操作方案中，配合使用3DP工藝，在零件的截面位置印刷對應的材料粉末，使用黏結劑黏結的零件整體強度較低，要完成后處理工序，在燒掉黏結劑的同時，保證高溫環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的強度優化提供了保障。

2.3 二次轉制技術

在機械制造生產中應用快速成型技術，二次轉制處理也較為常見，主要是將RP技術提供的原型作為后續技術處理和操作的母模，維持流程應用的規范性，能配合澆注蠟、硅橡膠以及環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范性。與此同時，在技術應用過程中，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。因為從原型結構到金屬零件結構要利用二次或者二次以上的工藝轉化處理，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，發揮關鍵技術原型尺寸精度分析和表面粗糙度控制的優勢，確保時效性定位管理的最優化。

3 結束語

綜上所述，將快速成型技術應用在機械鑄造生產流程中，能在提升經濟效益的同時，建構更加多元的制造模式，確保元件精密度得以提升，并且能優化制造成本和工藝靈活性，為新產品試制工作提供保障，促進機械制造產業健康可持續發展。