快速成形技术(Rapid Prototyping,简称 RP)是 20 世纪 90 年代发展起来的高新技术。它能使 人们头脑中的设计概念迅速变成实物。特别值得一提的是，整个产品开发过程不需要任何模 具和工艺装备，大大缩短样件和新产品试制周期，迅速成为增强企业竞争力的重要手段和工 具。INCAST 2004(11)发表的互联网问卷调查表明，全欧 400 多家精铸厂家中，有 93%以上都 曾使用过快速成形模样，所有受访者都认同，采用此项新技术对于加速新产品开发和增强企 业对市场的快速反应能力至关重要.

一．常用快速成形方法在熔模铸造中的应用

快速成形技术在熔模铸造中的应用主要有以下几方面： 1．制作熔模 制作模样时，快速成形机不仅可以输入由其它 CAD 软件建立的三维几何模型，也可以接 收由工业 CT(计算机层析射线摄影技术)扫描所得的数据文件。例如，首先通过 CT 对零件(螺 旋推进器，图 12-1a)扫描，获得其断面的二维图象(图 12-1b)。随后，图象处理软件再将各断 面的二维图象组合起来(图 12-1c)，构成三维几何模型(图 12-1d)。再将它传送给快速成形机制 成模样(图 12-1e) [2]。这种复原（逆向）工程方法不但可以将机器零件复原，而且还可以仿制某 些人体器官。

 

2．制作模具（压型）和其它工艺装备[2] [3] 用快速成形方法制作精铸模具有两种方法：一种是先制成母模，再翻制环氧树脂或硅橡胶 压型；另一种方法是将 CAD 系统中生成的压型型块的三维几何模型直接输入快速成形机制成 树脂压型。这类压型主要适合小批量生产（几十件）。如果在母模表面喷涂约 2mm 厚的金属 层，并在其后充填环氧树脂制成金属－环氧树脂复合压型，可以满足生产数百件精铸件的要 求。采用 SLS 法时如将加工对象由树脂粉末换成表面带一薄层热固性树脂的钢粉，用激光烧 结成压型，再焙烧以除掉树脂，然后将铜液渗入压型的孔隙中。由此所得的压型在强度、导 热等方面的性能与金属相似。除此之外，快速成形技术还可用于制作某些形状不规则的胎具。

3．直接制作铸型浇铸铸件 52 20 世纪 90 年代初美国 Sandiana 国家实验室开展了一项名为快速铸造(FastCAST)的专门 研究，被命名为直接型壳铸造法( DSPC)。遗憾的是，后来很少再见报道。 1994 年美国 Z Corporation 开发成功三维打印技术 3D Printing。该项技术初由麻省理工 学院 Ely Sachs 教授发明并拥有专利权。其基本原理与 SLS 法相似，先用滚筒喷铺一层耐火材 料或塑料粉末。跟 SLS 不同的是，它不是驱动激光发射头，而是驱动喷墨打印头，按照制品 的截面形状喷射胶水‘打印’。重复以上动作，直至零件制作完成，故被命名为‘三维打印技 术’。其优点是，运行费用和材料成本低，速度快。如果喷铺的粉末是石膏和陶瓷的混合粉末, 即可直接快速制成铸型（石膏型），用于浇铸铝、镁、锌等有色合金铸件，称之为 ZCast（图 12-2）。

 

 

二．常用快速成形方法应用效果比较 目前实际生产中较流行的快速成形方法有立体平板印刷法(SLA)、选区激光烧结法(SLS)、 熔融堆积法(FDM)、层合物制造法（LOM）和直接型壳铸造法( DSPC)等。近年来，国外不少 研究机构从制作模样的质量和在熔模铸造中的表现等方面，对上述方法进行了比较，结果如 下:

1) 制成模样的尺寸精度 SLA 法很高，SLS 和 FDM 次之，LOM 法很低[4]。

2) 模样表面粗糙度 模样表面经打磨精整后用表面粗糙度仪测量，结果见表 12-1 [4]。可 见表面粗糙度以 SLA 和 LOM 法较细，FDM 法很粗。

3) 再现精细部位的能力 以齿间距约 3mm 的齿条为对象考察这四种方法复制精细部位 的能力。结果以 SLA 很佳，FDM 很差[4]。

4) 在熔模铸造中的表现 上述四种方法中，制品本身就是蜡模的方法(如 FDM 或 SLS)， 很容易适应熔模铸造工艺的要求，无疑表现较好。而树脂或纸制模样尽管也可燃烧掉， 但毕竟不象蜡模那样容易适应熔模铸造的要求，需要不断改进，以趋利避害。  
 

 

 

从总体看，SLA 法尽管与熔模铸造工艺也还有某些不适应之处，但由于制成的模样尺寸 精度和表面质量好而倍受青睐，在国外，特别是航空航天和军工部门的熔模铸造企业应用相 当广泛。SLS 法模样质量虽较 SLA 略逊一筹，但容易适应熔模铸造的工艺要求，所以，国内 熔模铸造中应用越来越多。FDM 法尽管很容易适应熔模铸造的工艺要求，但制成蜡模的尺寸 精度和表面质量尚不尽如人意；而 LOM 法虽模样质量尚可，但难以适应熔模铸造，因此，目 前后二种方法在熔模铸造中推广应用均受到一定限制。

三．熔模铸造中应用 SLA 和 SLS 的新进展

1．新型光固化树脂[5][6] SLA 法早在 1987 年就已商业化了，它开始是被用来制作实体模型和具有一定功能的样件。 20 世纪 90 年代初期，美国 3D System Inc 的 QuickCast 软件开发成功，使 SLA 快速成型机能 够制作出内部呈蜂窝形结构(图 12-3a)而外表仍保持光滑致密的准确模样(图 12-3b)，不仅节省 了 90%的制模材料，而且在焙烧型壳的时候，模样首先向内瘫塌而不致将型壳胀裂。除此之 外，人们逐步发现，对于制模用光固化树脂来说，还需要满足以下一些特殊要求: 

 

 

粘度—— 如果树脂粘度太大，模样制成后内腔中剩余的树脂很难排尽，残存树脂过多， 仍有可能在焙烧时将型壳胀裂，因而往往不得不采用离心分离等措施。另外，制成的模 样表面也很难擦净。

残留灰分——这也许是很重要的要求，如果型壳焙烧后残留灰分多，将导致铸件表面产 生非金属夹杂及其它缺陷。

重金属元素含量——这对于铸造高温合金特别重要。例如锑在 SLA 光固化树脂中就是一 种较为常见的元素，如果它出现在型壳焙烧后的残灰中，就可能污染合金，甚至使铸件 报废。

尺寸稳定性——在整个操作过程中模样尺寸都应保持稳定，为此，树脂的吸湿性低也是 非常重要的。 近年来，美国 DSM Somos 公司研制成功一种新型的光固化树脂 Somos 10120，满足了上 述主要要求，颇受精铸生产厂家青睐。这种新产品已在三个不同精铸厂铸造了三种合金(铝、 钛和钴钼合金)，取得了满意的效果[6]。 

2．采用 SLA 模样进行小批量生产

采用 SLA 模样小批量生产精铸件需要考虑 2 个主要问题: 一是模样和铸件所能达到的尺 54 寸精度，二是生产成本和交货期是否具有优势。美国 Solidiform、Nu-Cast、PCC、Uni-Cast 等 多家精铸厂，采用 SLA 模样铸造了数百个铸件，实际测量铸件尺寸后，统计分析表明，采用 DSM Somos 公司新开发的 11120 光固化树脂和 QuickCast 技术，制成的 SLA 模样，尺寸偏差 不超过铸件公差值的 50％。绝大多数铸件尺寸符合公差要求，合格率达 95％以上（图 12-4） [7]。 尽管制作一个 SLA 模样的成本要比制作相同蜡模高得多，耗费时间也要长一些，但不需 要设计制造压型，所以，在单件小批量生产时，在成本和交货期方面仍具有优势。铸件越复 杂，这种优势越明显。以 Nu-Cast 公司生产的形状复杂的航空精铸件为例（图 12-5）[7]，其模 具制作费用约 85000 美元，每天生产 4 个蜡模，每个蜡模成本费（含材料和人工）150 美元。 如果采用 SLA 法，每个 SLA 模样成本 2846 美元，但不需要设计制造模具。由此算出，如果 产量小于 32 件，采用 SLA 模成本低于蜡模; 超过 32 件，则成本高于蜡模（图 12-6）；使用蜡 模，设计制造模具需耗时 14～16 周，而 SLA 模不需要模具。因此，如果产量少于 87 件，采 用 SLA 模，交付铸件比蜡模快（图 12-7）。但超过 87 件，则采用蜡模更快[7]。另一个需要考 虑的因素是，如果采用蜡模，当产品更新换代时，模具需要重新制作，付出代价大；而采用 SLA 模样，需要做的只是更改 CAD 几何模型，比重新制作模具简便快捷得多。

 

 

3．SLS 烧结聚苯乙烯粉末浸蜡模样

SLS 开始是用激光将特制的蜡粉烧结成蜡模，很适合熔模铸造的工艺特点，早在 1990 年 底，美国已有超过 50 家铸造厂，生产多达约 3000 个蜡模，并成功铸出多种金属铸件。然而， 蜡粉并不是理想的制模材料，由它制成蜡模的强度不足，气温高时易软化变形，气温低时 又容易碎断。因此，1990 年代初期，美国一些 SLA 用户就尝试采用聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯 (PC)等热塑性塑料粉末代替蜡粉。此类材料制成模样疏松多孔(孔隙率达 25%以上)，减轻了脱 55 模时胀裂型壳的危险，型壳焙烧后灰分少，但模样表面粗糙。因此，模样制成后需要浸蜡和 手工打磨精整，使其表面光滑致密。目前这种方法已在国内外普遍应用。图 12-8 所示为北京 隆源自动成型系统有限公司用 SLS 法烧制成的聚苯乙烯粉末浸蜡模的部分典型实例。