增材制造技术在铸造工艺中的应用

王思远

（河北工程大学，河北 邯郸 056004）

铸造作为一种传统的金属加工工艺，在人类生活生产中占据着举足轻重的地位，传统的铸造技术对模具有很高的依赖，但是传统的模具制造方式存在着加工精度低，工作量大,耗能高，污染大等缺点，当前我国复杂箱体类零件的研发和铸造仍在使用传统的木模或金属翻砂工艺[1]，无法满足当下日益增长的市场要求。由此，如何将传统的铸造行业与新兴技术加以结合成为了当下的研究重点。增材制造是近年来得到蓬勃发展的一项制造技术，该技术结合了计算机辅助设计，以三维模型作为基础，通过软件与控制系统将材料逐层堆积，实现复杂零件的制造[2]，具有制造快捷，适应任何复杂零件，原材料广泛的优点。由于其加工精度高，材料选择范围广，可以制造形状复杂的零部件等优势，在诸如铸造，航空，医疗，汽车，建筑，教育及军工等诸多行业中都得到了广发应用，尤其是在工业生产中的应用不仅逐年增长，而且在减少能源消耗方面有很大潜力[3]。

1 增材制造技术的原理

目前铸造业主要采用选取激光烧结、立体光固化技术及叠层实体制造等技术。

选区激光烧结技术（SLS）是目前铸造行业中经常采用的一项技术，该技术使用二氧化碳激光作为能源，使用的材料包括各种可被激光烧结的粉末材料如尼龙，蜡，聚苯乙烯，金属等。打印零件时，激光在电脑的控制下对原料进行扫描，被扫描之处即被烧结成有一定厚度的片层，然后机器按照片层厚度进行铺粉后继续烧结出下一层，如此层层烧结最后即可得到目标零件。

图1 选取激光烧结技术原理图

立体光固化技术（SLA）是最早出现的一种增材制造技术，打印出的零件具有很高的表面精度。该技术主要采用树脂为打印原料，使用特定波长的激光对光敏材料的表面进行照射使其按照切片要求的形状凝固，在打印完一层后升降台在垂直方向下降一个片层的厚度继续打印下一层，由此最终打印出目标零件。

图2 立体光固化技术原理图

叠层实体制造技术（LOM）采用纸，塑料薄膜等原料，在打印时，激光在电脑控制下对涂有热熔胶的薄膜材料按照切片形状进行切割，然后加热辊对片层进行加热使其与下层已切好的片层进行粘结，之后零件已打印好的部分与薄膜分离并下降一个片层的高度，薄膜材料移动使新层移动到零件上方，进行下一层的打印。

图3 叠层实体制造技术

2 传统铸造工艺的原理及其缺陷

传统铸造工艺主要包括砂型铸造，熔模铸造，消失模铸造，其原理如下：

（1）砂型铸造：砂型铸造是非常传统的铸造方法，在进行砂型铸造时首先要进行造型，造型方式包括手工造型和机器造型：手工造型时，采用木模样进行造型或使用刮板进行造型；在机器造型时，则主要使用振压造型机或射压造型机进行造型。造型完毕以后，选择合适的分型面，向型砂中倒入金属液进行铸造。

（2）熔模铸造：该方法铸造时，先制造压型，即制造蜡模的专用模具，待完成后将蜡液压入压模中，即可得到单个蜡模，当铸件结构复杂时，可将多个简单的蜡模按照铸件形状进行拼接。在蜡模制造完毕后，对其表面涂抹涂料并撒上石英砂，经硬化后得到型壳，对型壳进行加热使蜡液融化并倒出型壳，最后进行浇注，待冷却后打破型壳即可得到铸件。

（3）消失模铸造；在采用消失模铸造时，首先采用可挥发性材料制作模样，在模样制作完毕后向模样表面涂抹光洁涂料及耐火涂料以提高其表面强度，之后将其放入砂箱内填入石英砂进行造型。最后对砂箱进行浇注，砂箱内的模样会因高温而汽化消失，最终获得铸件。

传统铸造中，除去浇筑时产生的气孔，缩松和内应力等影响目标零件质量的因素，在制造精度方面主要存在以下问题：

（1）进行砂型铸造时要先用模样或使用刮板手工制造砂型，传统的手工造型很依赖工人的经验和水平，精度较低，而使用模样造型时，模样大多为木质，无法保证其制造精度且在制造复杂模样时会遇到很大的困难。

（2）在进行熔模铸造时，需要先制造压型，再进行注蜡以得到单个的蜡模，在遇到复杂模样时需要将许多单个蜡模按照铸件进行拼接，比较费力；制造压型时，通常采用金属材料经机加工制成，生产成本高，耗时长。

（3）在消失模铸造中，模样制造主要采用模具发泡成型和手工切割。前者制造成本昂贵,加工周期长;后者加工效率低、精度差, 加工范围有限[4]。

综上我们可以总结出，传统铸造方法遇到的问题主要为无法保证零件尺寸精度、复杂模样制造困难、生产成本高及生产时长。

3 增材制造在铸造中的应用

增材制造将目标零件逐层切片，逐层进行加工，不同于传统的减材制造，增材制造可以做出很复杂的零件，并且其加工精度很有保障，故可应用于模样的生产之中，我们可以从增材制造的优点入手，将增材制造应用于铸造技术中，从而解决传统铸造技术中的问题：

（1）增材制造在砂模铸造中的应用：

目前，在进行砂模铸造时，其所需要的模样可以采用叠层实体制造法（LOM）进行制造，使用叠层实体制造打造的纸模具有很高的强度，可以进行一些机械加工，在对其表面进行防潮等处理后，即可将其作为砂模铸造的模样使用，该方法使用的原料易得且廉价，可以有效地节约生产成本，另外叠层实体制造法具有很高的生产速度，很适合大批量生产。

在小批量生产模样且对其精密度要求高时，也可以使用立体光固化成型法（SLA），利用该技术可以快速的打印出树脂材料的模样，该技术打印的树脂模样具有很高的表面光洁度和很低的粗糙度，可以代替传统的木质模样。

（2）增材制造在熔模铸造中的应用：

由于增材制造的材料可选择范围广泛，可以被很好地应用于熔模铸造之中去。选取激光烧结技术（SLS）可直接打印蜡粉，且该技术成本较低，可以节约传统熔模铸造中压型工艺所消耗的成本，并且可制造很复杂的零件，增材制造和熔模铸造的结合形成了一项新的工艺--快速熔模铸造，利用该技术进行熔模铸造制成的产品拥有很高的精度和强度，并且大大缩短了制造时间，节约了生产成本，目前在该领域的研究已经取得了很多成果，如宗学文成功将该技术应用于新型燃气涡轮导向器的制造中[5]; 姜耀林等人采用立体光固化技术（SLA）打印离心泵叶轮树脂模型, 经后期处理后使用该模型进行熔模铸造, 最终得到的离心泵叶轮金属件具有很高的精度[6]。

（3）增材制造在消失模铸造中的应用：

在制造消失模时，传统工艺一般采用与熔模铸造铸造蜡模时相似的工艺即首先压型制造单个的消失模零件，最后再按要求将其组装。选取激光烧结技术（SLS）以及立体光固化技术（SLA）可以直接使用高分子材料进行打印，直接制造消失模，这样打印得出的消失模表面质量好，纯度高，且有良好的强度，另外, 在经过抛光技术处理之后, 可以有效地消除表面气孔, 很大程度上提高零件在尺寸和形状上的精度, 可以将不锈钢等材料的铸造质量提高[7]。由于省去了压型过程，可以节省生产成本。

除了上述的各种优势，在使用增材制造制造模样时，工人只需将处理好的零件文件导入加工设备中，按照规定确定好加工时的温度曲线等加工参数后，机器就可以开始自动加工，大大减少了工人的劳动强度，改善了工人的劳动环境。

由此可见，增材制造在模样的精密制造，复杂模样的加工，以及人力成本方面都有突出优势，是优良的问题解决方案。

4 增材制造应用时存在的一些问题

增材制造虽然在制造精度，复杂零件的生产，生产周期等方面相较传统的铸造方法有明显优势，但也存在着一些劣势，如下：

（1）增材制造生产的零件尺寸较小，相比之下传统模样制造在大尺寸模样的制造上有明显优势。

（2）增材制造技术使用高能激光束、成型过程处于高温环境的特点使其容易产生变形和内部缺陷。此外控制方法、内部缺陷对性能的作用机制及检测方法还尚未明确。

（3）一些增材制造设备的费用比较昂贵，还无法被普遍应用；一些打印所需的原料如光敏树脂，也是比较昂贵的。

（4）增材制造使用的一些材料如某些高分子材料在打印过程中会产生一些有害物质，对环境造成恶劣影响。

综上，目前增材制造主要的问题可以归结为技术尚未完全成熟，这不仅反应在打印设备的昂贵、无法大规模、普遍的用于生产上，也体现在人们对增材制造内部机理的研究尚未完善上。我认为，未来增材制造的研究重点应落足于廉价材料的开发、成型速度的提升、打印零件内部性能的提升以及缺陷的解决方法等研究上。

5 结语及展望

在国家大力推广“智能制造”的背景下，增材制造与传统铸造行业的结合是大势所趋，增材制造在制造精度，复杂零件生产，生产时间，操作难度等方面的巨大优势可以完美补足传统制造业的短板与缺点，这必将引起铸造业的一次产业变革，从而带给该行业更好的发展，而随着国家对增材制造技术的投入增大以及人们对该技术认知的不断深入，增材制造的现有短板也一定会逐渐补全。

目前在一些高科技产业，例如爬壁机器人的研发中，机器人足底结构以及足底吸盘等结构的制造依然要依靠铸造实现，比如刘彦伟等人制造的一种仿生爪刺式履带爬壁机器人[8]，其足部的爪刺吸附结构即采用选取激光烧结技术制作；王蕊等人对章鱼足部的吸附结构进行研究时[9]，使用树脂增材制造技术制作其吸盘的浇筑模具。这些例子说明了传统的铸造行业要在现代社会继续焕发生机，就一定要在类似机器人的制造等高新技术中有所应用，这就要求了铸造行业要充分吸收新技术，剔除自身短板。未来的铸造业不能再以低精度，大批量生产的印象示人，而是要充分与增材制造等新兴技术进行融合，使铸造技术成为一种既可以进行大规模生产，同时又可以保证零件精密度的生产技术。

作为目前潜力十足的一种新型加工技术，增材制造和传统铸造技术相辅相成，从而使二者的优点可以得到充分地发挥，在未来智能制造，绿色制造，高精度制造要求不断提高的背景下，一定会大有作为。