激光选区烧结快速成型在熔模铸造中的应用

激光选区烧结快速成型在熔模铸造中的应用

采用激光选区烧结(SLS)技术烧结耐碱腐蚀阀门PS基粉料原型件，并结合熔模铸造技术生产出铸件。研究了SLS快速成型和熔模铸造一体化技术，从而实现了从计算机三维模型到金属零件的快速铸造工艺。

激光选区烧结(SLS)快速成型技术采用离散／堆积成型的原理，就是将在计算机上建模的CAD三维立体造型零件，转换成STL文件格式，再用一离散软件从STL文件离散出一系列给定厚度的有序片层，然后，将上述的离散数据传递到成型机中去。成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。通过层层堆积生成实物样件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列简单的二维制造的叠加.因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零件，极大地提高了生产效率和制造的灵活性。它与多领域制造工艺相结合，可实现快速模具、快速铸造、快速产品制造。

1 基于SLS原型件的熔模铸造工艺

快速成型技术与铸造工艺相结合的产物是快速铸造技术(Quick Casting，简称QC)，与传统熔模铸造相比，直接由快速成型系统制造出铸造熔模，省去了蜡模压型设计、压型制造等环节，大大地提高了企业的竞争力。下面介绍利用SLS 快速成型技术提供的PS原型件为“蜡模”，进行熔模铸造工艺研究。基于SLS 的熔模铸造工艺流程如图l所示。

图1 基于SLS的熔模铸造工艺流程

1.1 “蜡模”的制作

采用SLS专用聚苯乙烯（PS）粉末材料，在AFS快速成型机上烧结出阀体和阀芯的PS原型件。经过蜡化、精整处理后，称为“蜡模”，如图2所示。

1.2 浇注系统的确定

图2 阀体和阀芯的蜡模

浇注系统是铸型中引导液态金属进入型腔的通道，合理的浇注系统设计。应该根据铸件的结构特点、技术条件、合金种类.选择浇注系统的结构类型、确定浇口位置。浇注系统设计是否合理.直接影响着铸件的质量。采用韩国出品的铸造模拟分析软件Anycasting对铸造充型和凝同过程进行数值模拟，对铸件可能产生的缺陷进行事前预测，通过模拟结果判断浇注系统是否合理，是否需要进行调整。

1.3 浇注系统的焊接

根据模拟中确定的浇注系统的尺寸，选择蜡质浇注系统标准件进行焊接。由于蜡模表面进行了渗蜡处理，因此焊接性好，结合力强。图3为焊接好浇注系统的阀体、阀芯熔模。

图3 阀体、阀芯熔模

1.4 制壳

型壳是由粘结剂、耐火材料和撒砂材料等组成，经配涂料、浸涂料、撒砂、干燥硬化、脱蜡和焙烧等工序制成。

(1)水玻璃制壳工艺本实验中采用水玻璃制壳工艺，根据制件尺寸大小确定涂挂7层半型壳。每一层要经过上涂料、撒砂、空于、硬化和晾干五个步骤。

(2)脱蜡熔失熔模的过程通称为脱蜡。而在这里指的是脱去浇注系统蜡料.而PS原型件“蜡模”熔失在焙烧阶段进行。采用热水法脱蜡时，应尽量减少水煮时间，脱出棒芯即可。

(3)焙烧通常来说，焙烧的目的是去除型壳中的挥发物，如水分、残余蜡料等，使型壳在浇注时有低的发气性和良好的透气性，防止出现气孔等缺陷。焙烧

可以使粘结剂、耐火材料等物质之间进行热物理化学反应，改变型壳的物相组成和显微组织，改善型壳的高温力学性能。焙烧还可以使型壳在要求的温度下浇注。以减少金属液与型壳的温度差，提高金属液的充型能力。在本工艺中，脱蜡阶段只是把蜡质的浇冒El系统熔失。而快速成型制成的PS粉原型件则在焙烧过程中高温分解、气化。这也是本工艺的难点所在。焙烧时杯口朝下，即模壳倒立放置并架空；进炉后，由室温焙烧至950℃以上；小件焙烧2炉(约1.5h)，大件焙烧3炉或以上(约3.0h或以上)，以便型腔(包括浇注系统和零件型腔)内残留物充分熔化流出。余量分解、消失。提高型腔清洁度。

1.5 浇注

经过以上工序后，即可浇注成型。由于试制依据工厂实际条件进行，所以本次试验中实际浇注了ZG25MnCrNiMo合金熔液。浇注后，要经过一定的时间冷却，冷却时间和铸件合金有关。冷却后落砂并对铸件进行清理，阀体、阀芯铸件如图4所示。

图4 阀体、阀芯铸件

2 结束语

(1)本文将SLS快速成型原型件作为“蜡模”直接用于熔模铸造得到金属铸件，完整实现了从SLS原型件到金属铸件的工艺路线。由于这种快速成型工艺无需制造蜡模压型，大大缩短了铸造用熔模的准备时间。

(2)实践证明，SLS技术完全支持熔模铸造工艺，成为快速制模的一种有效手段。它承接了熔模铸造精度高、浪费少、不受材料限制等优点。而且能快速制造出形状复杂的“蜡模”，弥补了传统的模具设计制造周期长、费用高的不足。同时本工艺还结合了先进的铸造数值模拟技术，有利于提升铸造技术水平。因此，SLS技术与熔模铸造工艺结合是一种有发展前景的先进制造技术。