臧加倫，孫玉成，李 闖，黎智勇

（1. 濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；2. 佛山峰華卓立制造技術(shù)有限公司,　廣東佛山 528225）

國內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)與應用

臧加倫1，孫玉成1，李 闖1，黎智勇2

（1. 濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；2. 佛山峰華卓立制造技術(shù)有限公司,廣東佛山 528225）

論述了目前國內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)，對增材/減材快速成型制造工藝做了探討。經(jīng)過多年的發(fā)展，快速成型技術(shù)從設(shè)備功能到材料應用已具備產(chǎn)品樣件的制造能力；國家機械科學研究總院、北京隆源、佛山峰華卓立等公司，均已面向市場提供快速成型服務，并在企業(yè)、科研院所推廣應用。

快速成型，增材制造，減材制造，工藝

1　鑄造快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)工藝的比較

復雜鑄件的鑄造采用傳統(tǒng)有模鑄造的方式。首先根據(jù)鑄件的CAD模型設(shè)計砂芯和外模模具，通過手工、機械加工等方式制造木模、塑料模和金屬模等模具。使用芯盒模具制作砂芯，使用外模制作砂型；組合砂芯、下芯后合箱澆注鑄件。工藝設(shè)計需預留工藝補正量，組裝砂芯的方式造成鑄件存在人為影響的尺寸偏差。多環(huán)節(jié)的開發(fā)過程周期長，模具投入成本高。

快速成型是數(shù)字化無模鑄造技術(shù)，使用精密成型設(shè)備和計算機軟件控制，實現(xiàn)增材/減材成型，是一種全新的鑄件快速制造方法?？焖俪尚筒恍枰灸＜澳＞?，縮短了鑄造毛坯開發(fā)流程和周期，特別適合于復雜鑄件的少量的快速制造，實現(xiàn)了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的數(shù)字化制造。

2　鑄造快速成型技術(shù)

2.1增材制造

增材制造即3D打?。?D?Printing），是通過數(shù)字化增加材料的方式實現(xiàn)零件的制造。

2.1.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種將粉末材料通過激光直接燒結(jié)成各種實體形狀的增材成型技術(shù)。該技術(shù)普遍用于燒結(jié)蠟粉、PS、尼龍粉、金屬粉、覆膜砂等。成型時先在工作臺上鋪上一層粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對零件實心部分所在的粉末進行燒結(jié)。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進行下一層的鋪粉燒結(jié)。不斷循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。

選擇性激光燒結(jié)使用覆膜砂可以快速制作鑄造用的砂型/芯。覆膜砂表面被酚醛樹脂等添加材料包覆著，在激光燒結(jié)快速成型時，通過激光加熱酚醛樹脂使其受熱熔化后冷卻固化，使覆膜砂粘接形成砂型/芯。用激光燒結(jié)覆膜砂制作砂型/芯的工藝過程如下：零件三維造型及數(shù)據(jù)輸入設(shè)備—篩砂—鋪砂—燒結(jié)成型—取件—清砂—預固化—固化處理—砂型/芯修整。

選擇性激光燒結(jié)普遍用于有色合金等精密鑄造。用蠟粉為原料，直接制造精鑄用的蠟模，再用傳統(tǒng)的精鑄工藝，進行涂殼、脫蠟、焙燒等，得到鑄造型殼。

選擇性激光燒結(jié)制作的樹脂模型可以代替木模及金屬模，縮短制模時間，成本低于金屬模，強度和尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于木模；特別是難以加工、需要多種組合的木模用快速成型的優(yōu)點就更為突出。對內(nèi)燃機開發(fā)典型的例子是可以直接制作氣道吹風用的樹脂芯盒，制作周期短、修整方便。

國內(nèi)能夠擁有該項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化的公司主要有北京隆源自動化成型系統(tǒng)有限公司、武漢濱湖機電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司、北京北方恒利科技發(fā)展有限公司等。北京隆源成立于1994年，國內(nèi)最早的SLS成型機開發(fā)企業(yè)，2008年開始開發(fā)樹脂砂燒結(jié)。該公司擁有120多家設(shè)備用戶，主要用戶是大學、科研院所、航空航天和儀器儀表等精密制造企業(yè)，內(nèi)燃機企業(yè)包括玉柴和一汽。北京北方恒利科技發(fā)展有限公司是由中國兵器科學研究院、中國兵器新技術(shù)推廣所共同投資創(chuàng)辦的高新技術(shù)企業(yè)，從20世紀90年代中期開始對?SLS技術(shù)進行研究，2000年開發(fā)了第一臺國產(chǎn)化的?SLS快速成型設(shè)備并進行了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，擁有40多家設(shè)備用戶。圖1是北京隆源的設(shè)備圖示。國內(nèi)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備廠家與規(guī)格見表1。

圖1　北京隆源的SLS快速成型設(shè)備

表1　國內(nèi)選擇性激光燒結(jié)設(shè)備廠家與規(guī)格

2.1.2PCM無模鑄型快速制造

PCM（Patternless?Casting?Manufacturing）無模鑄型快速制造技術(shù)是一種針對砂型/芯的快速成型技術(shù)，所使用的材料為符合要求的鑄造普通硅砂、冷芯盒樹脂和固化劑。該技術(shù)將CAD計算機三維設(shè)計、快速成形技術(shù)的離散/堆積成形原理與樹脂砂造型工藝有機結(jié)合，根據(jù)三維模型直接制造出結(jié)構(gòu)或表面復雜的鑄型，特別適合單件或少量的形狀復雜的大中型鑄件毛坯的開發(fā)。目前，擁有該技術(shù)的公司為佛山市峰華卓立制造技術(shù)有限公司。2002年佛山市引入清華大學快速成型項目，2004年P(guān)CM技術(shù)逐漸成熟并向周邊企業(yè)提供快速成型服務，2007年P(guān)CM技術(shù)進入對外服務的量多化時期，2010年開始對外推廣其PCM設(shè)備與技術(shù)。

PCM無模鑄型快速制造技術(shù)制作砂型/芯的成型過程與選擇性激光燒結(jié)（SLS）類似，不同的是PCM設(shè)備使用噴樹脂的方式使混有固化劑的型砂固化。設(shè)備鋪砂機構(gòu)鋪砂后，樹脂噴嘴根據(jù)三維切片軟件輸出的路徑噴灑樹脂。一個截面噴灑完成后，鋪砂機構(gòu)運動過程中用紅外加熱方式加速樹脂固化，回程過程中完成再次鋪砂。不斷循環(huán)，最終形成三維砂型/芯。圖2是峰華卓立的設(shè)備圖示。

目前，峰華卓立公司與濰柴、濟柴、玉柴、楊柴、一汽、東風汽車、廣汽、華晨汽車等企業(yè)有合作關(guān)系，該公司為上述企業(yè)提供快速成型技術(shù)服務，提供研發(fā)階段功能樣件的開發(fā)，包括機體、缸蓋、進排氣歧管、連接彎管、飛輪殼、氣缸蓋罩、節(jié)溫器等。峰華卓立公司PCM設(shè)備規(guī)格見表2。

圖2　峰華卓立的PCM快速成型設(shè)備

表2　峰華卓立公司PCM設(shè)備規(guī)格

2.1.3選擇性激光燒結(jié)（SLS）與PCM無模鑄型快速制造的比較

選擇性激光燒結(jié)（SLS）與PCM無模鑄型快速制造在工作原理、成型材料、成型速度等方面存在不同。兩種成型工藝的比較見表3。

表3　PCM與SLS成型工藝的比較

2.2減材制造

減材制造技術(shù)類似于加工中心對金屬件的加工原理，不同的是在數(shù)字化成形材料、刀具、軟件、工藝和設(shè)備等方面有所創(chuàng)新。減材制造在鑄造應用方面使用的材料是鑄造用硅砂，使用樹脂固化成砂塊后用于加工成砂型/芯；設(shè)備三軸聯(lián)動，使用專用刀具在干式條件下實現(xiàn)長時間的對砂型的加工；設(shè)備能夠接受由CAM軟件（Powermill，?Pro/E，Ug等）生成的標準G代碼驅(qū)動設(shè)備進行加工，實現(xiàn)零件的快速制造。國內(nèi)擁有減材制造快速成型技術(shù)的公司是國家機械科學研究總院。

機械科學研究總院在中國航天三院、中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機、一汽鑄造、中國一拖、廣西玉柴等80多家單位進行減材制造快速成型技術(shù)推廣應用，在北京、吉林、江蘇、河南、山東等地建立8個應用示范基地，被廣泛應用到發(fā)動機缸體缸蓋、液壓泵閥等復雜零部件的開發(fā)。玉柴在快速成型技術(shù)方面投入較大的人力和資本，使用了多臺機械科學研究總院的設(shè)備，其大型的快速成型設(shè)備用于中大型船機機體的鑄件開發(fā)。圖3是機械科學研究總院的設(shè)備圖示。機械科學研究總院的設(shè)備規(guī)格見表4。

圖3　機械科學研究總院的減材制造快速成型設(shè)備

表4　機械科學研究總院的設(shè)備規(guī)格

3　快速成型技術(shù)的應用

國外FORD、GM和BMW等公司已普遍使用快速成型技術(shù)用于新產(chǎn)品的開發(fā)。近年來，國內(nèi)快速成型技術(shù)也逐步投入應用。國家機械科學研究總院、北京隆源、佛山峰華卓立、武漢濱湖、北京北方恒利等公司，均已面向企業(yè)、科研院所等提供快速成型服務，并向社會推廣快速成型成套設(shè)備與技術(shù)。

內(nèi)燃機行業(yè)如濰柴、玉柴、一汽、洛拖等企業(yè)，率先采用快速成型技術(shù)應用于新產(chǎn)品和個性化產(chǎn)品的開發(fā)。

3.1設(shè)備的選用

機械科學研究總院江蘇分院（常州）、佛山市峰華卓立公司、北京隆源等公司對外快速成型的制造工藝，都是采用增材制造和減材制造相結(jié)合的快速成型工藝。增材制造用于復雜、薄弱砂芯的制作，減材制造用于表面規(guī)則、形狀強壯的砂芯和厚大外模的制作。佛山市峰華卓立公司使用自制的增材（PCM）和減材設(shè)備，機械科學研究總院江蘇分院（常州）使用自制的CAMTC-SMM減材設(shè)備和北京隆源公司的Laser?Core-?5300激光燒結(jié)設(shè)備，北京隆源公司使用自制的AFS激光燒結(jié)設(shè)備和機械科學研究總院的CAMTC-SMM減材設(shè)備。

玉柴采用多臺機械科學研究總院的CAMTCSMM設(shè)備、及北京隆源公司的AFS激光燒結(jié)設(shè)備和武漢濱湖的HRPS-V型激光燒結(jié)設(shè)備，用于快速成型鑄件的開發(fā)。

3.2 快速成型工藝

3.2.1減材制造

使用普通的冷芯盒用擦洗砂和樹脂砂工藝可以制作減材制造需要的砂塊，砂子粒度140/70目。

使用減材加工設(shè)備對這些砂塊加工制作砂型/芯；設(shè)備使用專用的刀具，使用壽命超過2?000?h以上。需要操作人員對加工的砂型/芯進行編程、選擇刀具規(guī)格、設(shè)置進刀量刀具路徑等。加工過程中設(shè)備的除塵單元收集浮塵，廢砂收集機構(gòu)收集廢砂。

人工或使用叉車將加工完成的砂型/芯移出加工設(shè)備工作臺。使用減材制造獲得的砂型/芯如圖4所示。

圖4　使用減材制造獲得的砂型/芯

3.2.2增材制造

（1）選擇性激光燒結(jié)（SLS）

三維設(shè)計模型需要設(shè)計砂芯輔助支撐，方便砂芯清理和防止二次固化砂芯的變形；砂芯厚大位置需要設(shè)計成減重結(jié)構(gòu)來減少燒結(jié)時間，使用加強筋加強砂芯的強度并防止變形。

使用粒度140/70目覆膜砂，需要從專業(yè)覆膜砂生產(chǎn)廠采購，使用該覆膜砂快速成型的砂芯應具備普通熱芯盒砂芯的抗拉和抗彎強度，同時發(fā)氣量不大于15?mL/g。

操作人員依據(jù)使用的覆膜砂的性能、砂芯的結(jié)構(gòu)設(shè)置預熱溫度、切片厚度、掃描線寬、掃描速度、激光功率等參數(shù)，以最終控制砂芯的初強度和精度。設(shè)備工作期間可以無人職守。

激光燒結(jié)砂芯完成后，需要進行砂芯的后處理：①取件清砂；②表面預固化：用噴燈噴燒砂型表面；③烘烤固化：需要使用直徑1～2?mm的玻璃珠填埋砂芯后烘烤固化，溫度180～200?℃，時間5～16?h；④修整：用工具將輔助結(jié)構(gòu)去除并將斷面修整好。

使用激光燒結(jié)（SLS）制造獲得的砂型/芯如圖5所示。

圖5　使用激光燒結(jié)（SLS）制造獲得的砂型/芯

（2）PCM快速成型

使用冷芯盒用擦洗砂，砂子粒度140/70目。需要使用峰華卓立公司訂制的固化劑和樹脂，使用該粘結(jié)材料快速成型的砂芯應具備普通冷芯盒砂芯的抗拉和抗彎強度，同時發(fā)氣量不大于15～20?mL/g。

操作人員進行三維模型切片，噴頭掃描路徑自動生成。設(shè)備工作期間可以無人職守。

砂芯成型后，手工清理砂芯周圍散砂，人工或使用叉車將砂芯取出工作臺。散落砂人工收集后集中處理。

人工使用刮板和毛刷對砂型/芯表面散砂進行清理。清理后的砂芯待用，不需要SLS增材制造獲得砂芯的復雜的后處理工藝。使用PCM制造獲得的缸蓋水套砂芯如圖6所示。

圖6　使用PCM制造獲得的缸蓋水套砂芯

3.2.3砂芯檢查及組芯

（1）砂芯檢查

通過減材制造和增材制造獲得的砂型/芯，使用前或必要時，需要使用便攜式三維光學測量系統(tǒng)進行現(xiàn)場的非接觸快速檢查。檢查項目包括：砂型/芯內(nèi)腔或表面制造精度、SLS增材制造獲得的砂芯的變形量。通過快速檢查比對砂型/芯數(shù)據(jù)和三維模型的差異，以確認砂型/芯是否符合產(chǎn)品和工藝的要求。

（2）組芯

砂型/芯使用前，預組檢查尺寸是否合適，不合適的表面進行人工修復。檢查好的砂芯手工上涂料，進烘干窯烘干。

中小型鑄件的芯組可以在檢查或組芯平臺上對砂型/芯進行組裝，組裝完成后人工轉(zhuǎn)運至車間澆注區(qū)；大型鑄件的芯組可以直接在車間澆注區(qū)的地面上組裝。圖7是正在組裝的芯組；圖8是使用快速成型技術(shù)制造的鑄件。

圖7　組裝中的芯組

圖8　使用快速成型技術(shù)制造的鑄件

4　結(jié)語

國內(nèi)鑄造快速成型技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，從設(shè)備功能到材料應用已具備產(chǎn)品樣件的制造能力，近年來逐漸投入市場應用并得到認可，加快了國內(nèi)柴油機、汽車行業(yè)新產(chǎn)品推向市場的周期。

（1）增材制造，特別是SLS激光燒結(jié)技術(shù)，適應于復雜砂芯的制作；使用寶珠砂類的造型材料可以制造航空航天用內(nèi)腔復雜的液壓件。

（2）減材制造，類似于數(shù)控加工中心切削工件，使用普通的樹脂砂砂塊，適合于表面規(guī)則、結(jié)構(gòu)強壯的砂芯和厚大外模的制作。

（3）增材制造和減材制造結(jié)合應用，可以相對滿足砂型/芯的快速成型工藝，制造結(jié)構(gòu)復雜的大中型鑄件。

（4）與國外技術(shù)相比，如德國Voxeljet大型砂型3D打印機，國內(nèi)快速成型技術(shù)在制造效率和設(shè)備功能等方面仍有很大差距。

[1] 李瑞霞,熊曉紅.激光選區(qū)粉末燒結(jié)快速成形技術(shù)在精密鑄造中的應用[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2005(2)：46-48.

[2] 董選普,黃乃瑜,樊自田,等.快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應用[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2002(5):25-27.

The foundry rapid prototyping technology and its application in China

ZANG?JiaLun1，?SUN?YuCheng1，?LI?Chuang1，?LI?ZhiYong2
（1.?Weichai?Power?Co.，?Ltd.，?Weifang?261061，?Shandong，China；?2.?Foshan?Fenghua?Zhuoli?manufacturing?technology?Co.，?Ltd.，?Foshan?528225，Guangdong，China）

The?foundry?rapid?prototyping?（RP）?technology?in?China?is?introduced?and?the?RP?manufacturing?processing?of?additive/subtractive?manufacturing?is?studied.?After?years?of?development，?the?RP?technology?has?the?ability?of?manufacturing?sample?piece?from?device?function?to?material?application.Some?companies，?such?as?China?Academy?of?Machinery?Science?and?Technology，?Beijing?Longyuan?AFS?Co.，?Ltd.，?Foshan?Fenghua?Zhuoli?Co.，?Ltd.，?are?the?suppliers?of?RP?technology?for?the?market?and?promote?the?RP?technology?in?companies?and?research?institutes.

Rapid?prototyping；Additive?manufacturing；Subtractive?manufacturing；?Processing

TG249；

A；

1006-9658（2015）04-0001-05

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.001

2015-03-01

稿件編號:1503-828

臧加倫（1965—），男，高工，從事柴油機機體缸蓋的鑄造工藝開發(fā)工作.