用FDM的ABS快速原型件进行熔模铸造

用FDM的ABS快速原型件进行熔模铸造

1、介绍

熔模铸造是一种经济的制造金属件方法，在某些情况下甚至是唯一的方法，比如：内凹，薄壁或其他难以制造的复杂结构。小批量生产时熔模铸造不利的一点是很长的准备时间和高昂的蜡模制造费用。做为蜡件的代替品，快速成型件可以为您节省大量的时间和费用。

一共6个铸造厂家参与了这项旨在评定由Stratasys 公司制作的ABS快速成型样件进行熔模铸造的测试。ABS样件是用来替代通过模具生产出来的蜡模。这些工厂都有使用不同工艺快速成型件的经验。此项实验的可行性报告是9个月前完成的，我们将测试3种样件。

2、目的

我们希望通过这个报告为FDM用户和铸造厂提供用不同材料熔模铸造的基本资料。

对于希望使用FDM样件熔模铸造的用户，这份报告提供了一些基本原理说明。

对于有经验的铸造厂来说，这个报告可以让他们了解到ABS与其他的快速成型件如环氧树脂，纸或其他材料相比的优越性。

最后，对于有一点或者完全没有经验的铸造厂，这个报告将揭示熔模铸造的过程以及使用ABS熔模铸造需要注意的方面。

3、ABS同蜡件的比较

传统的熔模铸造使用的蜡件是通过蜡模制作的，这个过程与注塑相似，而通常使

用的模具为铝模。今天，这种工艺已经被广泛的理解和接受。

Stratsys提供了另一种模式，这种模式不需要使用铝模。

我们提供两种适合这项工艺的材料，蜡和ABS。蜡材可以用于FDM1600，FDM1650，FDM2000；ABS可用于FDM1600，1650，2000，8000和FDM QUANTUM。

4、先进性和不足点：

使用这几种材料的优缺点请参考表1。几种材料分别是FDM ABS，FDM 蜡，铝模制作的蜡。

表1. 原型用FDM 的ABS，FDM 的蜡和传统蜡模优缺点对比

5、快速成型件的熔模铸造

一、普通熔模铸造过程

在熔模铸造件的传统生产过程中，每个蜡模都有用蜡焊接的浇口和出气口附着在其上，一个或更多的这些子装配件被称为树并且用几个陶瓷层成壳，开始用硅胶固定。

二、快速成型件用于熔模铸造

如果使用快速原形样件，首先安上蜡制的浇冒口和排气管，然后涂覆陶瓷浆，这些过程与普通熔模铸造是相同的。之后我们要把ABS件放到能够升温到1093度以上的热炉中脱蜡。脱蜡完成后清理残余灰烬并且检查模壳是否有裂缝。

之后的过程与普通熔模铸造完全相同。

材料特性

以下报告描述了ABS的材料特性，图表2是普通ABS得到的结果，图表3是Stratasys ABS的结果。

7、实验室测试

这些测试的主要目的是得到并确定ABS件关于熔模铸造方面的典型参数，实验在3个不同实验室进行，这些测试包括：热膨胀测试，热分解测试，灰烬分析。

8、热膨胀测试

热膨胀测试报告是Ransom and Randolph实验室提供的。这些数据让我们了解ABS膨胀同温度的关系。测试时我们使用了Orton温度计，测试温度达到了2912华氏度（1600摄氏度）。

这些装备为我们提供了线性热膨胀率。

ABS件是由FDM2000制造的，样件的几何形状为0.7和0.5英寸直径，长度2英寸的圆柱体。不同成型方向各制造一件（水平/垂直）。

第1部分：0.75英寸直径，2英寸长度，垂直加工方向。

第2部分：0.5英寸直径，2英寸长度，垂直加工方向。

第3部分：0.5英寸直径，2英寸长度，水平加工方向。

测试结果如表4所示：

附件A详细介绍了这些测试得到的数据,根据这些资料,我们得到以下结论:

1、平均线形热膨胀率是0.24%或者0.0024英寸/英寸

2、第2种样件热膨胀率是0.24%

3、第3种样件在类似温度下热膨胀率为0.19%

4、我们比较第2种和第3种样件时（尺寸完全一样，成型方向不同），结果略有不同

资料同时显示，在105到178度之间，ABS零件开始软化，并且开始稳定，不再膨胀。这也证明了ABS材料有着很低的热膨胀率。

9、同环氧基树脂（SLS所用材料）的比较

固体ABS材料的热膨胀率远小于环氧基树脂，这些测试显示平均热膨胀率为0.24%，在最高温度时为0.35%。而环氧基树脂的热膨胀率是直线上升的，在250度左右达到3.5%。这就是为什么用环氧基树脂熔模铸造时必须挖空并且一定要完全脱蜡后才能焙烧。

10、热分解实验

以下报告是由Schenectady Materials and Processes实验室提供的，目的是测试并确定合适ABS的焙烧温度。同时测试吹氧和吹惰性气体时的区别。

我们使用TGA方式来测量温度升高时质量的减少，TGA测试质量减少的重要性在于可以准确确认完全分解所需要的温度。测试温度范围为0-1000摄氏度。TGA 测量的结果参见附件B，向我们揭示以下几点：

1、空气环境相比惰性气体环境能够或获得更好的效果。

2、空气环境相比惰性气体环境能够在较低的温度下被热分解。

3、在1000度时，两种不同环境产生的灰烬质量基本相同。

图表5总结了TGA测试的结果，研究表明，在有氧环境，95%的部分在300度到400度之间就烧掉了，剩余的材料在575度的时候被熔失。在惰性气体环境下，87%的部分在450度时被熔失，2%在575度被熔失，在1000度时，全部被熔失，没有任何可见残余物，仪器显示还有1%剩余物质。样件的体积是4盎司，所以剩余物质的读数接近于0。

11、残留灰烬

我们还做了一个灰烬残余量的测试，以下数据是由Howmet Research Company 提供的：

一个标准尺寸重量4盎司的ABS样件在800度焙烧1个小时后，残余物为

0.021%，这个数据低于熔模铸造所要求的0.05%标准。