【解析】3D打印技术及其在快速铸造成形中的应用

自2012年以来，“3D打印”作为一个科技产业热点，在各类媒体上获得了极高的曝光率，引起世界范围学界及社会大众的广泛关注。3D打印技术，也称增材制造技术，被认为是推动“第三次工业革命”的重要技术变革。 3D打印是一种基于数字模型文件，运用金属粉 末或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，其实质也是一种材料成形技术。

这项技术早期被用于模具制造、工业设计等领域，并被首先应用初始模型的制作，后来才逐渐被应用于一些产品的直接制造。目前，这项技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、抢支等领域都有应用。作为一项具有前沿性、先导性的新兴技术， 3D打印技术正在引发传统生产方式和生产工艺的 深刻变革。

3D打印技术的发展对于铸造行业的发展同样 具有重要意义，其在铸造行业中的引入推动了传统 铸造成形技术的发展和革新，并迅速改变着铸造行业的面貌。目前3D打印技术在铸造工艺流程中的应用包括两个不同的层次：通过3D打印获得铸造模样或铸型从而缩短、加速铸造工艺流程；采用3D打印方式修复铸件缺陷或组合制造金属构件，提高铸件成品率。接下来我们简要介绍3D打印技术的发展历史，在此基础上就3D打印技术在铸造模样或铸型中的应用现状进行评述。

13D打印技术的原理及其发展历史
3D打印技术萌芽于19世纪的分层制造技术及 光固化技术。早在1890年，J.E.Blanther等就提出了通过分层制造来获得立体地图的方法，并申请了专利，该专利于1890年得到美国专利局授权；1902年，CarloBaese申请的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这项专利于1904年得到美国专利局授权。这提示人们，三维形状的获取不仅可以通过传统的切削减材方式来实现，也可以通过逐渐累加材料的方式来达成。 自3D打印技术被提出以来，人们发展了多种成形的技术途径，根据这些技术的实现原理，可大致划分为分层实体制造(,LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔丝沉积制造(FDM)、立体印刷(SLA) 四个类别，其实现原理如图1所示。

从图中可以看出，这些方法虽然实现原理各有不同，但都是通过逐渐增加材料的方式来获得零件外形，因此也被称为増材制造技术(AdditiveManufacture)。 第一台商业化运作的3D打印设备于1988年由美国3DSystems公司推出，该立体光刻快速成型机代号为SLA-1，它通过使激光按照预先设计的路径逐层扫描光敏树脂，并使之固化，从而获得立体的构件。此后商业化的3D打印设备不断被推出。

1991年Stratasys的FDM设备、Cubital的实体平面 固化(SolidGroundCuring,SGC)设备和Helisys的 LOM设备都实现了商业化。1992年DTM(现在属于3DSystems公司)SLS技术研发成功。1994年德国 公司EOS推出了EOSINT选择性激光烧结设备。 3D打印技术的发展与计算机技术的进步密不 可分。受限于早期计算机的处理能力，复杂构件3D打印的扫描路径设计和控制均存在较大难度，因而 3D打印在很大程度上还处于概念设计阶段。随着计 算机技术的不断进步，三维造型软硬件设计体系、二维剖层及扫描路径设计方法、成形路径实时控制的方法和技术不断进步和完善，将3D打印推向了新的发展阶段。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世；2013年11月， 美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念” (SolidConcepts)设计制造出3D打印金属gun，所依 照的模板是美军经典装备布郎宁1911式gun，其外观上与原装gun没有差别，这一事件因其在科学伦理上存在的争议及可能带来的社会风险，进一步将 3D打印概念深入到民众当中。

作为一种传统的材料成形技术，铸造拥有悠久的发展历史；同时铸造也是现代制造业的重要组成部分，几乎所有的金属材料在成形过程中都需要经历铸造这道工序。为了实现金属零件生产，传统的铸造成形过程需要首先制备铸造模样，然后利用模样及砂箱来翻制铸型，再利用铸型来约束液态金属并导出凝固潜热，使金属完成凝固过程从而得到固态的铸件。模样制作是铸造的第一步工序，传统的模样制作通常通过木材、塑料或金属加工来实现，受到加工方法的限制，难于形成复杂的模样结构，导致铸件复杂性受到一定的限制。此外，传统模样加工耗时，无法兼顾小批量铸件生产时的灵活性及精确性方面的要求。

在这种情况下，有研究者将3D打印技术应用于模样和铸型的成形，取得了良好的效果。随着3D打印技术的不断发展和介入，传统铸造工艺流程也开始发生转变，3D打印技术的应用使得铸造生产的灵活性得到显著提升，铸造生产周期得到大幅度缩减

23D打印的铸造应用

2.13D打印技术在精铸模样制作中的应用
3D打印技术首先被应用于铸造模样的制作，尤 其是熔模精铸中的模样制作。SLS、FDM、SLA技术均可用于蜡模的成形，但是由于获得的蜡模强度较低，在后续处理工序中易于破损，并不适合于薄壁件的铸造生产。为解决模样强度不足的问题，人们将成形所用的蜡料替换为其它类型材料，这样制备出的模样可以进行一定程度的加工以改善其表面光洁度，提高铸件的表面质量；但是此后又暴露出了新的问题，如基于非蜡模样制备的型壳容易开裂、模样难于完全去除，脱模后残余灰分高等。

美国Stratasys公司采用了一种FDM増材制造解决方案（图2），利用ABS塑料或蜡料直接获取模样，通过工艺调整均可以获得良好的脱模特性；由于ABS塑料制成的模样可以进行后续加工，可以获得较蜡质模样更为优异的表面质量。相比于其它模样制备方法，FDM解决方案的显著优势还体现在其更短的成形时间上。 美国Solidscape公司的MMII系统采用了熔滴沉积的方案来制备模样，该系统采用两个独立喷头来沉积原料，其中一个喷头用于沉积热塑性原料，另一喷头用于沉积支撑的蜡料，沉积完毕后，支撑的蜡料部分可以去除，以获得精细的模样形态。采用MMII系统既可以直接获得模样，也可用于制作获取蜡模的压型，所打印出的结构致密度较FDM方案的更高，模样易于在脱模时去除，可以有效地避免灰分残留。相比于传统的熔模精铸，这种方案可以大幅度缩短生产周期，但是其模样的3D打印时间较FDM方案更长，耗时可达到FDM方案的 3~5倍。 在早期采用3D打印技术获得模样的尝试中，型壳开裂在使用非蜡基模料的情况下非常常见，其原因是在去除模样的过程中，模样因受热膨胀而导 致了型壳的开裂。

为解决这一问题，3Dsystem公司采用了被称为QuickCast的成形方案，通过在制备模样时采用六角形、四方形或三角形的非实体打印模式，将模样内部材料重量减小95%，形成为内部疏松的树脂模样，这种结构可以在较低的温度下就软化并向模样内部溃缩，避免对型壳造成过大的应力，因而可降低型壳的开裂风险。需要注意的是，由于模样内部结构较为疏松，在涂挂工艺之前有必要在模样表面浸蜡并进行表面修整，以便获得平整的型壳内腔，进而浇注出较高质量的铸件。ZCorp公司则采用一种胶质淀粉原料Zp14进行3D打印，所获得的制件经浸蜡后涂挂耐火材料，以制备型壳并最终浇注零件，其工艺流程如图3所示。ZCorp公司所采用的3DP方案具有成本低廉，成形速度快的优点，在薄壁铸件制造中显示出了较好的尺寸精确性，更适用于近净成形铸件的生产。

西安交通大学也开展了将3D打印技术应用于铸造领域的研究工作。李涤尘等提出的方法利用光固化快速成型技术实现了复杂内外结构成形，进而通过优化水基浆料的成分和特性，采用凝胶注模技术获得了可用于金属浇注的陶瓷铸型，实现了燃气轮机涡轮叶片的铸造，其技术路线如图4所示。

2.23D打印技术在精铸蜡模压型制作中的应用
受打印周期的限制，模样的直接3D打印一般适用于单件或数件铸件的铸造生产。为了适应于较大批量的铸件需求，有研究者开始将3D打印技术应用于蜡模压型的制作，而后在通过所制作的压型来批量压制蜡模，以提高铸件的生产效率。 压型的3D打印制备分为直接打印和间接获得两种方式。压型的直接获得意味着通过3D打印直接制备出压型，所制得的压型再用于压制一定批量的蜡模。直接金属激光烧结(DMLS)、激光净形制造(LENS)技术均被成功地应用于压型的3D 打印，以满足快速将中等或较大批量铸件快速推向市场的需求。

一些情况下，人们通过3D打印首先获得母模，然后使用母模翻制压型，即间接获得用于压制蜡模的压型。室温固化硅橡胶制模(RoomTemperature Vulcanizedsiliconrubbertooling-RTV)、环氧树脂制 模(Epoxyresintooling)、喷涂金属制模(Spraymetal tooling)等技术都被成功应用于压型的间接3D打印 制造。以采用室温固化硅橡胶制模工艺的精密铸造为例，其工艺实施过程如图5所示，蜡模的制备需要通过如下步骤来完成：

(a)建立铸件的CAD模型；
(b)采用SLA方法制备光固化模样；
(c)翻制RTV硅 橡胶压型；
(d)压制蜡模。

所压制的蜡模经修整、组合后，即可进行涂挂制备型壳，完成后续的精铸流程。工艺适用性评估表明，当铸件需求量在数十个的量级时，这一工艺具有较佳的适用性。

2.33D打印技术在铸型制作中的应用
3D打印技术也被应用于陶瓷型壳的直接成形。 1993年，位于美国加州的SoligenTechnology公司 在麻省理工学院发展的3DPAM技术基础上，搭建了直接型壳制作铸造系统(DSPC)，直接制备出包含内部芯子的陶瓷 型壳，减少了传统熔模精铸中蜡模压制组合、制壳脱蜡等繁琐工序。该DSPC系统通过多个喷头喷射硅溶胶的方式将刚玉粉末粘结起来，未被粘接的刚玉粉被移除，从而获得型壳，所制备的型壳在进行高温焙烧以建立足够的机械强度后，即可进行金属液的浇注。DSPC系统可以用于实现任意形状的零件生产，同时也可适用于包括铜、铝、不锈钢、工具钢、钴铬合金在内的多种不同金属材料的铸件获取，铸件的生产周期可由传统熔模精铸的数周缩减至2-3天，目前这一系统已经被用于制造铸件原型及小批量的全功能铸件生产。图6为采用DSPC系统生产的进气歧管铸件。

3D打印技术也正在改变砂型铸造工艺流程现状。在传统的砂型铸造生产过程中，需要熟练的技术工人依据图纸或模样来制作砂型，造型、制芯等工序往往耗费大量人力和时间。通过引入3D打印技术，这种局面也正在得到改变———人们已经可以通过3D打印技术快速制备所需的砂型结构，从而缩短造型工艺周期，减少对熟练技术工人的依赖。 砂型结构的快速制备也可划分为间接方式和直接方式两种。图7给出了以色列Objet公司发展的名为PolyJet的快速铸造解决方案，这是一种间接获取砂型的方案。这一方案首先通过多个喷头在平面上分区域喷布两种不同的光聚合树脂，其中一种树脂用于形成支撑结构，另一种用于形成模样实 体；然后通过紫外光曝光方式使树脂固化，如此逐层累积获得固结的实体结构；固化工艺完毕后使用溶剂将支撑部分树脂溶去，以获得带有浇注系统的树脂模样。使用模样翻制砂型、组合铸型后即可浇注铸件。

德国EOS公司则发展了直接3D打印砂型的技术方案。通过使用激光烧结的方式，使表面包覆聚合物的型砂粘接起来以形成铸型结构，砂型及砂芯 都可通过这一方式来获得，这一方案被EOS公司命名为DirectCastw，并于2000年在美国获得了专利授权。我国武汉滨湖机电技术产业有限公司及北京隆源自动成型系统有限公司，也开发了类似的获得砂型结构解决方案，自主研制了用于实现砂型快速成形的大尺寸SLS原型机，该方案及设备已在发动机缸体的砂型铸造中得到应用，（如图8）取得了良好的效果。

3展望与结论
3D打印技术正在改变铸造技术的面貌，并影响 着铸造行业的发展方向。本文仅就3D打印在铸造工艺流程中的应用进行了介绍，而实际上3D打印在包括铸件修复，以及铸/锻件+3D打印组合制造等多个方面都有研究和应用。尽管目前在一些实际的应用中3D打印仍然存在成形效率较低、尺寸精度较差等问题，但已经可以满足实际生产的部分需要，因而得到了快速的发展。相信随着3D打印技术自身的不断完善及其与铸造技术的进一步磨合，人们必将会迎来铸造行业3D打印技术应用的新一波热潮。


作者：张 渝 (上海中航商用航空发动机制造有限责任公司）
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