增材制造蠟模技術在復雜薄壁構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和石膏型真空增壓技術相融合是“3D打印”+“傳統(tǒng)制造”解決高端復雜薄壁構件的一種新生產(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具有復模性優(yōu)異、熱導率低、型腔表面光潔、構件尺寸精確、表面質量好、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)部質量要求高的中小薄壁復雜輕合金構件的精密成型。本文通過介紹一些典型復雜薄壁構件案例，進一步展示3D打印增材制造蠟模技術和石膏型真空增壓技術相融合的優(yōu)勢。

一、意義
迄今為止，復雜薄壁構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。然而復雜薄壁構件由于結構復雜，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，加工質量難以符合要求。尤其是鋁合金復雜薄壁構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。其外形和結構都非常復雜，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構剛度，在鑄件表面上鑄出大量扁薄的散熱片和凸塊等，還可鑄成夾層結構。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)金屬型模具再結合低壓鑄造、差壓鑄造、真空吸鑄及調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（3D打印增材制造蠟模和石膏型真空增壓相融合的技術）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。國外有關用于選擇性激光燒結成形（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�！泵摮�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復模性優(yōu)異、熱導率低、型腔表面光潔、構件尺寸精確、表面質量好。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)部質量要求高的中小薄壁復雜輕合金構件的精密成型，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不僅可以大幅提高薄壁復雜輕合金構件生產(chǎn)的成品率、內(nèi)部質量及外部質量。

3D打印增材制造蠟模技術和石膏型真空增壓技術相融合，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件快速制造意義十分重大。

二、重要技術
（1）3D打印增材制造蠟模技術
設備選擇：采用選擇性激光燒結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。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。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
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；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
采用鑄造工藝設計及模擬CASTsoft CAE/CAD技術,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、構件變截面加壓速度、澆注時間等關系提供數(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為技術路線進行鑄造生產(chǎn)。

四、主要生產(chǎn)過程
1．結構分析
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，鑄件結構符合鑄造過程的順序凝固原則。通過結構和質量要求分析，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、下部冷鐵來調整凝固順序，點冒口和保溫棉工藝，保證鑄件質量。缸體外形和內(nèi)部結構如圖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)某鋁合金殼體結構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��；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。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構，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。質量最好，工藝成功率最高。
b)為進一步調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構特點和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。

鑄件精度及表面質量的控制，采用先進石膏型材料配方工藝技術、提高鑄型表面質量及尺寸精度，提高鑄件尺寸精度和表面質量。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量控制，形成規(guī)范的質量控制規(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。相關過程如圖10，如圖11，如圖12所示。

五、結論
通過薄壁復雜某鋁合金殼體無�？焖偕�產(chǎn)，很好的驗證了3D打印增材制造蠟模技術和石膏型真空增壓技術相融合是“3D打印”+“傳統(tǒng)制造”解決高端復雜薄壁構件的一種新生產(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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