基于FDM 技术的锡制品熔模铸造

2019-12-06徐攀，李涛，徐刚

铸造设备与工艺 2019年5期

徐攀，李涛，徐刚

（湖北工程学院机械工程学院，湖北孝感 432100）

传统熔模铸造中，由于蜡模的制作工艺存在周期长、改型困难等缺点，已跟不上市场飞速变化的脚步。快速成型（RP，也称3D 打印）是20 世纪80 年代末发展起来的一个全新的制造技术，其最大特点是无需任何刀具、夹具等专用工具，在计算机的控制下，由零件的CAD 模型直接离散堆积出RP 原型。由于无需模具，快速成型技术为现代社会中小批量生产问题提供了条件，很大程度地缩短产品的开发周期，为熔模铸造的发展注入了新的活力[1]。

熔融沉积（简称FDM）成型技术是快速成型技术中成本较低，较大众化的一种，已经成为快速成型技术中的重要研究内容之一。熔融沉积成型过程是在计算机的控制下，将丝状材料送进打印喷头并加热至熔融状态，按照已扫描的CAD 实体截面轮廓信息，在工作台上挤出并迅速冷却固化，一层截面完成后工作台下降，继续进行下一层的熔融沉积，由于熔融状态的丝状材料具有粘结性，可以和上一层粘结固定，同时上一层对当前层又起到定位和支撑作用，逐层挤压堆积成三维实体原型。FDM技术的优势有成型材料广泛、不使用激光维护方便、成本低、后处理简单；缺点是成型速度较慢，只适用于中小型模型制作，表面质量一般，水平方向的强度较好，竖直方向的强度较弱。

本论文将FDM 成型技术与熔模铸造工艺相结合，将FDM 原型替代传统的蜡模作为熔模，制作铸型，再高温焙烧去除FDM 原型得到型壳，进行金属液浇注得到铸件，该工艺大大缩短了产品的开发周期、降低生产成本，适用于单件、小批量、形状复杂的零件的制造或新产品试制，应用前景广阔。

1 工艺方案的拟定

1.1 铸型材料的选择

熔模铸造中的型壳类型一般分为实体型壳和多层型壳两种。多层型壳的工艺复杂，成本较高，工业上常用于高端、精密、复杂零件的制造，其耐火度高，适用于高熔点金属铸造；实体型壳一般为石膏型，石膏型具有复制性和流动性好的特点，适合薄壁、曲面零件的成型，其耐火度低，只适用于低熔点金属铸造，但其工艺简单、成本较低易于推广。在现有基于FDM 技术的熔模铸造工艺中，选择的基本都是硅溶胶加耐火材料的多层型壳[2-4]，选用石膏实体型壳的研究较少，而且锡属于低熔点金属，故选择石膏型。

1.2 熔模材料的选择

FDM 成型工艺的材料一般为热塑性材料，如蜡、ABS、PLA，或其他复合材料。在现有基于FDM 技术的熔模铸造工艺中，大都选择传统蜡料或ABS[2-3]作为熔模，或者选择PLA 结合多层型壳[4]，选择PLA为熔模结合石膏型的铸造工艺几乎没有，并且PLA是一种可生物降解的材料，环境友好，无污染，流动性好，成本低，因此选择PLA 为熔模材料。

1.3 浇冒系统的制作

浇冒系统制作有两种方案。第一种是浇冒系统同样使用PLA 材料，即FDM 成型机成型。第二种是使用石蜡制作浇冒系统。工业上批量生产时，为了提高生产效率，一般使用石蜡来制作浇冒系统[2-4]，然而本课题为单件产品的试制，并且为了使浇注时低熔点的液体金属快速充型，设计了特殊的浇冒结构，若使用注蜡机和蜡模制作起来周期较长，成本较高，故选用FDM 成型机直接制作出浇冒系统。

本文选取锡制的三脚鼎为例，采用FDM 技术开展快速熔模制造技术的应用研究，实现曲面、薄壁金属制品的快速熔模铸造，对成型工艺进行实践和探索，最终拟定的工艺流程如图1 所示。

图1 FDM 快速熔模铸造工艺流程

2 三脚鼎的PLA 原型制作

2.1 三维建模

使用ProE 三维建模软件设计一个古代三脚鼎，再依据结构设计浇冒系统。

由于三脚鼎是薄壁结构，为了防止浇注时低温金属凝固过快，导致浇不足或冷隔等缺陷，需要提高浇注速度，缩短充型时间，所以选用一种异形的浇注系统，即取消横浇道，将外浇道与三个倾斜45°的内浇道直接连通，内浇道直径4 mm，此外，为了排气和补缩，设计了两个竖直的直径4 mm 的冒口。

图2 为设计完成的三脚鼎的模型及浇冒系统。

2.2 FDM 成型前处理

ProE 设计完成的三维模型，自下而上的悬空结构较多，若直接导入FDM 成型机，成型时会生成大量的支撑结构[5]，既降低了效率也造成了材料浪费。因此，将模型进行适当的拆解，分别成型后再进行组装。根据结构上的特点，依据减少产生支撑的原则，在ProE 中将其拆分成两个模型：三脚鼎母模与冒口作为模型1，浇注系统作为模型2。将模型1 和模型2分别输出为STL 格式的3D 打印数据文件。

图2 ProE 三维建模

将产品的STL 格式文件导入Cura 3D 打印前处理软件，进行工艺参数和成型方向的设置。模型1 的精度直接影响铸件的质量，故层厚选择0.1 mm，模型2 的层厚则可以略大，设置为0.2 mm，填充率为20%，成型温度为200 ℃，打印平台温度设置为40 ℃，其他设置为默认；成型方向遵循重要表面水平，支撑结构少的原则。设置完毕后，分别生成两个X3G 格式文件，先后导入FDM 快速成型机开始打印成型。

2.3 FDM 成型及后处理

打开FDM 成型机，装载1.75 mm 的PLA 料丝，调整好打印平台的高度，即可开始打印成型。打印完成后的模型1 和模型2 分别如图3a）、3b）所示，将零件小心取下，分层次去掉支撑材料，防止细小结构被破坏，再进行打磨，得到表面质量较好的PLA 模型。用热熔胶将模型1 与模型2 组合，形成含有浇冒系统的模型组，如图3c）所示。

3 三脚鼎的熔模铸造

3.1 石膏型制作

按前期实验得到的配比，将水、半水石膏、石英粉等混合搅拌配制石膏浆料，控制水固比在40 ml：100 g 左右，保证其具有合适的流动性和较好的定型能力。石膏浆料搅拌过程中添加消泡剂，防止大量空气混入，造成铸件表面出现气孔等缺陷。

用自制的塑料盒当作容器，用来制作石膏铸型，将FDM 模型组竖直放入小盒中，底部用热熔胶粘连固定在底板上，防止灌浆时模型移动或倾倒，倒入石膏砂浆时，使石膏砂浆覆盖全部组件，但要露出浇道和冒口的最顶层，防止石膏堵住浇口和冒口。

3.2 干燥和焙烧脱除PLA

图3 PLA 模型

石膏型置于干燥通风处慢慢晾干，防止开裂。2 h 后，放入箱式电炉中进行焙烧处理，将石膏型开口朝下并垫高，加热到185 ℃左右，PLA 开始熔化流出，约650 ℃左右就会被烧掉，剩余少点残灰在石膏铸型下方开口处。焙烧完成炉温降到200 ℃左右，将模具从炉子中小心取出。电炉升温过程按图4 的曲线图设置，让初始升温速度放慢，是因为石膏未完全干燥，防止其开裂，后续每次升温速度设置为10 ℃/min.

图4 焙烧升温曲线图

3.3 金属的熔炼及浇注

浇注之前对石膏型壳进行检查，用压缩空气清理型腔内部灰烬及残留物。为了提高浇注速度和缩短充型时间，在浇口处安装了一个胶木材质的浇口杯，用来扩大口径，如图5 所示。采用普通电炉熔炼金属锡液，在温度300 ℃左右时，小心往焙烧过的石膏铸型中浇注金属液，锡液的浇注非常顺利，直径4 mm 的内浇道并没有出现堵塞。当浇注完成时，两个冒口有部分金属液溢出，如图6 所示。

3.4 开模及后期处理

浇注完成的铸件冷却后，利用金属工具轻轻敲碎石膏，再使用水冲和浸泡的方法去掉剩余石膏，切掉浇注系统和冒口。经检查，铸件未出现浇不足等明显缺陷，尺寸与设计基本一致，但是由于FDM原型的表面存在层痕的缘故，导致铸件表面精度不高，经过打磨、抛光等处理，可获得表面质量较好的零件。图7 为处理完成后得到的三脚鼎成品。