增材制造蠟模技術(shù)在復雜薄壁構(gòu)件石膏型真空增壓生產(chǎn)中的應用

3D打印增材制造蠟模技術(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合是“3D打印”+“傳統(tǒng)制造”解決高端復雜薄壁構(gòu)件的一種新生產(chǎn)手段,。采用蠟粉3D打印的蠟模具有熔點低,、收縮小,、表面光潔,、變形量小等特點,，解決了長期以來3D打印的PS粉模熔點高,、收縮大,、發(fā)氣量大等造成的脫模不完全、模殼開裂和環(huán)保問題,。石膏型真空增壓技術(shù)具有復模性優(yōu)異,、熱導率低、型腔表面光潔,、構(gòu)件尺寸精確,、表面質(zhì)量好、壓力補縮,。利用3D打印蠟模強的脫模性,、石膏型真空增壓技術(shù)的優(yōu)異復模性和成形的優(yōu)點，特別適合于尺寸精確,、表面光潔,、內(nèi)部質(zhì)量要求高的中小薄壁復雜輕合金構(gòu)件的精密成型。本文通過介紹一些典型復雜薄壁構(gòu)件案例,，進一步展示3D打印增材制造蠟模技術(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合的優(yōu)勢,。

一、意義
迄今為止,，復雜薄壁構(gòu)件大多采用諸如車削,、鑄造、鍛造和焊接等方法制造,。近年來高速切削及電解加工技術(shù)在復雜薄壁零件加工中也取得了很大的進展,。然而復雜薄壁構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)復雜，零件剛性較差,，強度弱,，在車削或鍛造、焊接加工過程中容易發(fā)生加工變形,，使零件的形位誤差增大,，加工質(zhì)量難以符合要求。尤其是鋁合金復雜薄壁構(gòu)件的加工一直是個難點,。

采用傳統(tǒng)鑄造工藝來制造復雜薄壁零件困難很多,，目前國內(nèi)外普遍采用金屬模具壓型獲得零件的蠟模，然后通過精密鑄造生產(chǎn)復雜薄壁零件,，這種方法存在制模周期長,、成本昂貴等問題。美國太克公司生產(chǎn)的波音767飛機上的燃油增壓泵殼體。其外形和結(jié)構(gòu)都非常復雜,，用A356鋁合金澆注成形,，重6.3kg,。該鑄件模組由22個蠟模分別壓制后再組合成四個組合蠟模,，然后把這四個組合蠟模組裝成增壓泵殼體整體蠟模，用石膏混合漿料灌注成石膏型,，在真空下澆成鑄件,。

又如航空電子儀器設備的殼體和機架，為保證電路系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，希望將屏蔽室,、印刷電路導板、散熱系統(tǒng)一次鑄出,，形成整體的機殼鋁鑄件,。同時為了提高散熱效率和加強結(jié)構(gòu)剛度，在鑄件表面上鑄出大量扁薄的散熱片和凸塊等,，還可鑄成夾層結(jié)構(gòu),。美國波音公司研制生產(chǎn)的空射巡航導彈AGM-89B，該導彈彈體80％使用了鑄件,，整個彈體用9個大型整體鑄件代替44個鋁精密模鍛——機加工——焊接而成的組合件,。我國目前生產(chǎn)復雜薄壁鑄件的主要方法是先生產(chǎn)金屬型模具再結(jié)合低壓鑄造、差壓鑄造,、真空吸鑄及調(diào)壓鑄造等工藝制造出復雜薄壁金屬件,，這種方式工藝開發(fā)周期長、出品率和成本率很低,，費用高,。采作快速熔模技術(shù)（3D打印增材制造蠟模和石膏型真空增壓相融合的技術(shù)）可以從根本上解決我國在復雜薄壁鑄件生產(chǎn)中存在的問題，提高復雜薄壁鑄件的質(zhì)量,，縮短開發(fā)制造周期,，降低其生產(chǎn)和研制成本。

相對于PS粉模鑄造,，蠟粉模鑄造更加環(huán)保,，基本不產(chǎn)生有害氣體，蠟料可以回收利用,，并且對于有復雜內(nèi)腔的鑄件熔模鑄造更有優(yōu)勢,。國外有關(guān)用于選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）用的蠟粉材料的研究很少有文獻報道。

目前,，國內(nèi)SLS 制作熔模鑄造“蠟�,！钡牟牧现饕�是聚苯乙烯（PS）粉，該粉末燒結(jié)變形小、成型性能優(yōu)良,、成型精度高且尺寸穩(wěn)定性強,。但PS基“蠟模”脫除困難且易產(chǎn)生脹殼現(xiàn)象,，在一般的蒸汽脫蠟過程中只能脫去很少一部分,，其它部分只有在高溫焙燒過程才能完全脫除，而這部分將全部轉(zhuǎn)化為氣體排放到空氣中,，對環(huán)境造成很大的污染,，以后必然會被環(huán)保材料所代替。如采用蠟粉作為SLS 材料,，具有灰分少,、易脫蠟、鑄造工藝與傳統(tǒng)工藝更為接近且無污染等特點,。

石膏型真空增壓精鑄技術(shù)復模性優(yōu)異,、熱導率低、型腔表面光潔,、構(gòu)件尺寸精確,、表面質(zhì)量好。利用了石膏型的優(yōu)異復模性和真空增壓成形的優(yōu)點,，特別適合于尺寸精確,、表面光潔、內(nèi)部質(zhì)量要求高的中小薄壁復雜輕合金構(gòu)件的精密成型,，其最小壁厚可達0.8～1.5mm（局部0.5mm）,，尺寸精度能達CT4～5級，薄壁件X光透視達到1級,。石膏型真空增壓精鑄技術(shù)不僅可以大幅提高薄壁復雜輕合金構(gòu)件生產(chǎn)的成品率,、內(nèi)部質(zhì)量及外部質(zhì)量。

3D打印增材制造蠟模技術(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合,，采用蠟粉進行3D打印制作蠟模再通過石膏型真空增壓進行復雜薄壁構(gòu)件快速制造意義十分重大,。

二、重要技術(shù)
（1）3D打印增材制造蠟模技術(shù)
設備選擇：采用選擇性激光燒結(jié)SLS設備HLP-800(由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)),，如圖1所示,，最大成型尺寸（800mm*600mm*500mm），選用蠟粉成型工藝模塊,。其原理是將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面并刮平,，高強度的CO2激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息,，對制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),。如此循環(huán),，最終形成三維產(chǎn)品。

材料選擇：3D打印專用蠟粉(由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)),，熔點71℃,，平均粒徑：56.3μm。3D打印工藝：掃描速度1600/mm·s-1,，激光功率9-16W,，鋪份厚度0.1mm,。

（2）石膏型真空增壓技術(shù)
設備選擇：石膏型制殼和焙燒生產(chǎn)線和電磁真空增壓澆注系統(tǒng)(由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)) 如圖2所示,。石膏型制殼和焙燒生產(chǎn)過程：將蠟粉3D打印蠟模進行組樹后，在真空下進行石膏灌注制型,，灌制石膏干燥后進行焙燒脫模,，完全脫模和除水的石膏保溫等待澆注。

電磁真空增壓澆注系統(tǒng)：在電磁力作用下將金屬液驅(qū)動進入型腔,，充型平穩(wěn),、壓力執(zhí)行準確、具有鑄造工藝執(zhí)行簡單,，工藝重復性好,。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①金屬液傳輸平穩(wěn)，避免由湍流而引起的氧化和吸氣,，同時金屬液經(jīng)過磁場作用細化晶粒,，對改善鑄件的組織、性能有積極的作用,；②流量及加壓規(guī)范可精確,、連續(xù)控制，反應迅速準確,，可嚴格執(zhí)行鑄造工藝,；③爐體內(nèi)不加壓縮空氣，并可在保護氣氛下工作,，從而減少了氣體溶入,，減少氣孔的形成。保溫爐容量350Kg,；最大充型壓力0.05Mpa,；充型及保壓時間范圍300秒；電腦設定工藝曲線為“壓力-時間”曲線,；流量0-3.0Kg/s (單泵),，0-6.0Kg/s（雙泵）連續(xù)可調(diào),；真空度10Pa；增壓壓力0.8Mpa,。

（3）數(shù)字化鑄造工藝設計及模擬技術(shù)
采用鑄造工藝設計及模擬CASTsoft CAE/CAD技術(shù),是集鑄件重量,、體積、模數(shù),、鑄造過程仿真,、鑄造缺陷預測及結(jié)果顯示為一體，實現(xiàn)對鑄件中的充型流態(tài),、凝固過程,、溫度場模擬、缺陷預測,、冷卻速度分析,、應力分析，從而對鑄造過程中所涉及澆口,、冒口,、冷鐵、鑄型厚度,、冒口套等工藝參數(shù)和工藝方案做出評價,。 在模具制造和實際澆注前得到合理工藝，減少試澆注和修改模具次數(shù),，達到縮短開發(fā)周期和降低成本的作用,。

通過工藝設計及模擬技術(shù)對石膏型真空平穩(wěn)充型控制、石膏型增壓凝固控制,、石膏型真空增壓精鑄工藝設計與優(yōu)化,，解決產(chǎn)生充型平穩(wěn)性、澆不足,、冷隔,、縮孔、縮松等缺陷,，為分析研究電流與磁力匹配,、構(gòu)件變截面加壓速度、澆注時間等關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持,，進一步優(yōu)化澆冒系統(tǒng),、增壓壓力曲線、凝固順序,、初始溫度等重要工藝參數(shù),。

三、生產(chǎn)流程圖
鑄件石膏型真空增壓熔模精密鑄造將以圖3為技術(shù)路線進行鑄造生產(chǎn),。

四,、主要生產(chǎn)過程
1．結(jié)構(gòu)分析
針對薄壁復雜某鋁合金殼體研發(fā)需要,，采用3D打印增材制造打印蠟模再進行石膏型真空增壓熔模精密鑄造實現(xiàn)快速無模具生產(chǎn)。某鋁合金殼體外形尺寸565×467×435（mm）,，鑄件壁厚不均勻,，最大壁厚45mm,最小壁厚在2mm左右，鑄件材料ZL101A合金,，鑄件中內(nèi)孔需要安裝軸承,，鑄件要承受一定的壓力；因此對鑄件的氣密性有一定的要求,，鑄件結(jié)構(gòu)符合鑄造過程的順序凝固原則,。通過結(jié)構(gòu)和質(zhì)量要求分析，采用石膏型真空增壓熔模精密鑄造方法,，底部開設內(nèi)澆口使充型過程平穩(wěn),，減少氧化夾渣，配合多澆口和冒口壓力補縮工藝,，通過澆注速度,、模殼溫度、下部冷鐵來調(diào)整凝固順序,，點冒口和保溫棉工藝，保證鑄件質(zhì)量,。缸體外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4,。

2．3D蠟模打印和尺寸精密控制
將設計好的三維鑄型，通過前處理軟件和系統(tǒng)控制軟件,，對鑄件進行分層切片,、STL文件錯誤修復、比例縮放,、實體分割/組合,，支撐填加、尺寸測量,；  STL,、SSL、CLI圖形文件圖形文件讀入,、STL圖形顯示,、等間隔分層切片、自適應分層切片,、掃描軌跡優(yōu)化及控制代碼生成,，加工時間預測等；可與工業(yè)CT掃描設備接口,，對掃描數(shù)據(jù)文件（CLI）加工成型,。掃描控制代碼讀入,、加工參數(shù)設置、加工過程預熱溫度曲線設置,、加工過程激光功率曲線設置,，免支撐預熱等待溫度/時間設定。

根據(jù)某鋁合金殼體結(jié)構(gòu)特點和蠟粉材料特性,，3D打印成型主要參數(shù)設置如下：
a,、打印分層厚度：0.12mm;
b、設置激光光束在工作平面的運動速度:1200mm/s,；
c,、設置鋪粉直線單元的運動速度: 120mm/s;
d、激光器的實際輸出功率:9W;
e,、供料裕量:0.05mm;
f,、轉(zhuǎn)換因子:1.05。

經(jīng)過23個小時的設備加工生產(chǎn)出主體材料為自制蠟粉鑄件原型,。這個原型還不能直接使用,，需要做一下簡單的后處理工作。第一步對成型完成蠟件進行未燒結(jié)粉清理,，采用高壓氣槍對缸體蠟件進行余粉吹除,。第二步是把鑄件原型浸入到低溫蠟液體（溫度控制在55-60度之間），是原型表面附著一次薄薄的石蠟,，冷卻后再次浸入,。第三步把冷卻后的原型表面打磨光滑，打磨的越光滑,，實際生產(chǎn)出的鑄件表面光潔度越高,。最后模件效果如圖5所示。通過三座標進行尺寸測量,，所有尺寸均在正常范圍內(nèi),，尺寸精密處于CT6- CT7，尺寸對比如圖6所示,。

3.鑄造工藝設計和鑄造過程模擬分析
根據(jù)產(chǎn)品實際應用要求,，采用ZL101A材料進行生產(chǎn)，先將鑄件毛坯輸出,，進行鑄造工藝設計,，確定工藝布置，冒口大小,，澆注系統(tǒng)大�,。辉偻ㄟ^鑄造工藝模擬軟件進行鑄造過程模擬,，最后確定可行澆注工藝方案,。具體方法分兩步完成：

步驟1：采用數(shù)據(jù)化鑄造工藝設計及模擬技術(shù)鑄造工藝設計CAD模塊進行工藝熱節(jié)計算,，確定冒口位置和冒口大小，確定鑄件工藝布局,，確定澆注系統(tǒng),。
步驟2：采用采用數(shù)據(jù)化鑄造工藝設計及模擬技術(shù)鑄造工藝模擬CAE模塊進行鑄造過程模擬，根據(jù)缺陷重新設計冒口,、冷鐵和出氣孔,，得到最終沒有縮孔縮松缺陷的鑄件(或者使缺陷維持在最小范圍)。通過造型,、涂料及澆注溫度等方式保證表面質(zhì)量,，再通過鑄造工藝模擬軟件進行鑄造過程模擬，最后確定可行澆注工藝方案,。最后確定可行澆注工藝方案如圖7所示,，模擬結(jié)果如圖8所示，鑄造工藝蠟型組樹如圖9所示,。

工藝優(yōu)化過程說明：
a)接合模擬和某鋁合金殼體結(jié)構(gòu),，通過改變冒口和澆口棒尺寸，反復進模擬,；最后消除了鑄造缺陷,，確定了澆注工藝參數(shù)，澆注溫度在700+10度,，模殼吃砂量12-15mm,，焙燒溫度720度，模殼澆注溫度200度,，澆注時間在15s左右，充型壓力為0.014Mpa,保壓壓力為0.12Mpa,保壓時間為10Min,。質(zhì)量最好,，工藝成功率最高。
b)為進一步調(diào)整某鋁合金殼體上部微小熱節(jié),，在澆注前將焙燒完成鑄型上方放厚度為20mm大鐵板用于激冷,。
c)為保證冒口和澆口棒充分補縮，在進行焙燒前將鑄件熱節(jié)處放置冷鐵,。

4. 某鋁合金殼體石膏型真空增壓熔模精密鑄造過程
由于某鋁合金殼體結(jié)構(gòu)特點和3D打印蠟模特性,，熔模鑄造制殼，干燥,，脫蠟方面與傳統(tǒng)蠟模和3D打印PS蠟模工藝有很多不同,。熔模制殼和干燥：將組好工藝樹的蠟型放在真空罐中，在真空條件下進行灌槳,，放在溫度為20度的室內(nèi)靜置15-20小時,，待石膏型完全硬化,。

脫蠟：3D打印缸體蠟模采用自制蠟粉，材料成份與傳統(tǒng)中,、低溫蠟相似,，由于3D打印工藝的需要進行組分調(diào)整，同時加入有利于蠟粉流動性的特殊組分,，為了不對傳統(tǒng)回收蠟成分污染,，選用蠟不進行回收。蠟粉的熔點在80度以下,，由于石膏對水的敏感性,，不能采用水浴脫蠟（90-95℃）和高壓水蒸氣脫蠟（超過100℃）兩種方式進行脫蠟。通過直接進行焙燒加熱的方法進行脫蠟,，可以順利完成脫蠟工作,。

本次采用焙燒脫蠟，具體參數(shù)為：a)脫蠟溫度：90-140℃,；b)脫蠟工具：焙燒爐,；?c)脫蠟時間：1-3小時； d)脫蠟前模組存放時間>12h,，但模組存放不得超過3天,；e)脫蠟是否完成以澆口流蠟和冒煙顏色為判斷；f)焙燒時間為2-3個工作日,。

鑄件材料ZL101A,，澆注溫度在700+10度，模殼吃砂量12-15mm,，焙燒溫度720度,，模殼澆注溫度200度，澆注時間在15s左右,，充型壓力為0.014Mpa,保壓壓力為0.12Mpa,保壓時間為10Min,。

鑄件精度及表面質(zhì)量的控制，采用先進石膏型材料配方工藝技術(shù),、提高鑄型表面質(zhì)量及尺寸精度,，提高鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量。從材料（金屬材料,、鑄型材料）和工藝（殼體鋁合金熔煉工藝,、精煉工藝；制殼,、焙燒工藝,；膏型材料配方工藝；充型工藝等）入手進行缸體成形過程的全程質(zhì)量控制，形成規(guī)范的質(zhì)量控制規(guī)范及體系,。采用先進成份分析設備,、機械性能檢測設備和探傷設備進行材料成份、機械性能和鑄件內(nèi)部組織進行保證,。相關(guān)過程如圖10,，如圖11，如圖12所示,。

五,、結(jié)論
通過薄壁復雜某鋁合金殼體無模快速生產(chǎn),，很好的驗證了3D打印增材制造蠟模技術(shù)和石膏型真空增壓技術(shù)相融合是“3D打印”+“傳統(tǒng)制造”解決高端復雜薄壁構(gòu)件的一種新生產(chǎn)手段,。這種生產(chǎn)手段能夠解決制造周期長、加工量大,、補焊,、尺寸不穩(wěn)定、內(nèi)部缺陷多,、反修次數(shù)多等現(xiàn)有制造問題,，該技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)，單件小批量/復雜零部件/金屬模具制作方面優(yōu)勢明顯,，可以實現(xiàn)4-7個工作日內(nèi)得到金屬產(chǎn)品,。

安徽恒利增材制造科技有限公司 徐宏
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