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快速制造和工具技术：对快速熔模铸造应用的回顾
Received: 1 April 2003 / Accepted: 20 June 2003 / Published online: 11 August 2004 Springer-Verlag London Limited 2004
摘要：熔模铸造(IC)作为一种具有较高几何复杂度和可接受公差的精准化的金属零件的批量生产质量的经济手段，已使众多行业受益。熔模铸造的经济效益仅限于大规模生产。随着硬模具的蜡模式成型的发展，也导致了高成本和长交货期，这使集成熔模铸造不再适用于小批量生产。而快速成型(RP)和快速工具(RT)技术(RPamp;T)的出色的制造能力为小批量的IC运行提供了更经济的解决方案。RP零件可以替代传统的IC蜡模，也可以作为注塑蜡模的生产模具。本文综述了最新的RPamp;T技术在IC中的应用及其潜在的应用前景。通过介绍它们的概念、优点和缺点来调查这些技术。讨论了世界各地不同组织和学术机构开展的相关研究。
Keywords Investment casting · Low-volume production ·
Moulding · Rapid Prototyping · Rapid Tooling
List of Abbreviations
ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene
ACES Accurate clear epoxy solid
AIM ACES injection moulding
CAM-LEM Computer-aided manufacturing of laminated engineering
materials
CMB Controlled metal build-up
C.M. Cheah · C.K. Chua (✉) · C.W. Lee · C. Feng
Systems and Engineering Management Division,
School of Mechanical and Production Engineering,
Nanyang Technological University,
50 Nanyang Avenue, Singapore 639798
E-mail: mckchua@ntu.edu.sg
Tel.: 65-67904897
Fax: 65-67911859
K. Totong
Mechanical Engineering Division,
Ngee Ann Polytechnic,
Singapore
CTE Coefficients of thermal expansion
DMD Direct metal deposition
DMLS Direct metal laser sintering
DSPC Direct shell production casting
FDM Fused deposition modelling
IC Investment casting
LENS Laser engineered net shaping
LG Laser generating
LOM Laminated object manufacturing
LS Laser sintering
MJS Multiphase jet solidification
MMA Methyl methacrylate
MM II Model Maker II
PC Polycarbonate
POM Precision optical manufacturing
PS Polystyrene
RIC Rapid investment casting
RP Rapid prototyping
RPamp;T Rapid prototyping and tooling
RT Rapid tooling
RSP Rapid solidification process
SDM Shape deposition modelling
SGC Solid ground curing
SL Stereolithography
SLS Selective laser sintering
3D-P 3D printing
1、熔模铸造(IC)和快速成型(RP)的背景
凭借蜡模经多道工序转化为固体金属零件的熔模铸造(IC)，或称“失蜡”铸造，是一种精密铸造工艺，IC能够经济地批量生产包含多种金属(包括难加工或不可加工合金)复杂几何形状和特征的精准化的金属部件。为了生产精密零件，准精化铸件可以减少零件的加工时间和成本。尽管传统的熔模铸造很受欢迎，但它在生产蜡型模具上的投资很高。因此，IC对于低批量生产(标准件、预制系列、定制或专用组件生产)来说是非常昂贵的。快速成型(RP)技术正迅速成为产品设计和制造领域的标准工具。RP具有革命性的快速制造三维零件进行设计验证或作为功能原型和生产工具的能力，是缩短产品设计和开发时间周期不可缺少的工具。RP是连接设计、营销、过程规划和制造的强大的沟通工具，可以促进并行工程的实现。RP在熔模铸造中的应用是基于降低模具成本和生产交货期的前景。本文就快速成型与加工技术在熔模铸造中的应用及潜在应用作一综述。本文最后对RPamp;T技术的应用所面临的问题进行了一般性的讨论。
2、熔模铸造工艺
传统的熔模铸造由块状模具和较为常见的陶瓷外壳工艺组成。陶瓷壳体工艺的工艺链(图1)包括模具、壳体制造和铸造阶段。在模具制作阶段，以铝坯为原料，设计加工出蜡模。对于复杂的模式，多个分型线和松散的插入被纳入模具。模具完成后涂上脱模剂，组装后注入熔蜡。冷却后，模具被剥离以提取图案。在制壳阶段，单个图案附着在蜡道系统上形成一个簇(图2)。该簇在含有耐火颗粒分级悬浮液的熔浆中反复浸涂，然后施灰泥以建立壳体厚度和强度。干燥后，蜡模通过高压熔融出来，露出陶瓷外壳的内部空腔。外壳被点燃以增强强度并去除残留的挥发物。在铸造阶段，将熔化的金属倒入受热的壳体中形成铸件，铸件在敲除过程中通过壳体的开裂进行冷却后提取。单个铸件被分离、清洗并经过精加工。
Fig. 2. Wax cluster arrangement of dolphin patterns produced from silicone rubber tooling (left); Stainless steel casting of horse figurines (right)
2.1低容量熔模铸造生产的限制。
在熔模铸造领域，大量投资致力于原型或生产工具开发。模具复杂性或低批量生产都会使所需的资源大幅增加。蜡注射成型的模具成本根据尺寸和复杂性从几千美元到几万美元不等，而交货时间根据机加工车间的计划和能力从几周到几个月不等。因此，工具制造商在投入生产之前必须对不同的模具设计进行评估，因为修改或适应设计错误或迭代通常是昂贵和耗时的。尽管熔模铸造中的大多数RPamp;T应用仅限于设计、原型制作和工具生产，但这些初级阶段在决定营销策略时是至关重要的。RPamp;T应用的显著好处体现在模具设计的改进和在开发用于大批量生产的生产工具、快速改变大批量生产以及针对小批量生产的经济的解决方案方面节省了时间。最近的技术进步提高了RPamp;T最终产品的准确性、性能和耐久性，使一些产品可以作为小批量生产的工具，在某些情况下，也可以作为大批量生产的工具。
3 RP和RT技术
RP最早出现在20世纪80年代中期，当时3D 系统 Inc.rsquo;s (Valencia, CA) SLA-1刚刚出现。目前，全球共有28家制造商提供超过56种不同的RP系统，以满足终端用户的不同需求。与传统制造技术,包括材料从股票的减法,铸造或造型,所有RP技术层添加剂过程[15],即层材料代表形成的横截面上的部分处理固体薄片、液体或粉末饲料股票,融合在一起形成零件。RP过程链如图3所示。RP技术的详细描述可以在文献[4]中找到。
RT技术是在RP零件的基础上创造原型或生产工具的一种技术，是RP技术的补充，当大量相似的零件具有复杂的特性时，需要使用接近或相同于最终生产材料的经济实用的材料，并且需要正常的生产过程[16]。这在并行工程环境中很常见，在这种环境中，不同的跨功能设计团队同时需要原型部件，或者必须对使用最终生产材料和流程生成的原型进行性能测试。因此，RT不仅可以进行产品的原型设计，而且可以进行生产工艺设计。
Fig. 3. Typical RP process chain
4 使用RPamp;T技术的新技术
自RP诞生以来，由RP系统制造的零件一直被用作IC模式，以降低模具成本和交货时间[17]。RP在IC中的应用是其相关应用[18]中受欢迎的工具之一。然而，由于RP材料成本较高，RP模式带来的经济效益仅限于小批量生产[19,20]。目前的研究重点已经从RP制模转向了RT制模。对于大批量的铸件，RT可以经济有效的生产出数千万的蜡模。RT有利于传统的铸造厂，因为它们产生蜡的模式，不像为了成功运行[21]需要在IC过程中改变的非蜡RP模式。其他切实的好处还包括：
bull;快速生产:RP系统不受部件复杂性的限制。高制造灵活性使得以前很难或不可能通过机加工制造的零部件，现在只需花费一小部分成本和交运时间就可以制造出来。此外，RP不需要工装或夹具，从而简化了安装和降低了管理费用。
bull;原型设计:RPamp; T技术为工具设计和设计迭代提供可负担得起的快速评估。RP零件的功能是作为设计原型，以消除铸造或模具设计中的缺陷，并作为功能原型，以解决闸门、通风口和流道的定位问题。在制造生产工具之前，蜡收缩或进料引起的问题可以纠正。有了原型，优化的设计可以快速实现，从而在生产过程中消除纠正返工的风险。利用RPamp;T，可以生产经济的预系列铸件，并推迟对生产工具的高投资。
bull;工艺优化:采用预系列铸件，可完善分型线、引射销和镶件的定位。可以有效地进行模具参数的优化和模具花纹的评价。这在生产工具制造之前就有了信心。
快速铸造(RIC)一词代表了集成电路中RPamp;T技术的应用。图4展示了为缩短熔模铸造的生产周期而引入的策略和技术。下面的章节将介绍每种技术。
4.1 熔模铸造模式的直接制造
RP 熔模铸造模式的应用源于任何材料的花纹都可以在不破坏陶瓷外壳的情况下被熔化或烧毁，这种花纹可以应用在IC中。首次报道使用RP IC模式出现在1989年[22]。如今，几乎所有商业化的RP工艺(系统)、选择性激光烧结(SLS)[23]、立体石版(SL)、熔融沉积模型(FDM)、喷墨绘图(MM II)、3D打印(3D- p)、固体地面固化(SGC)、多喷墨模型(Actua)[24]和层压板对象制造(LOM)都已被用于制作IC图案，并取得了不同程度的成功。RPamp;T技术有许多可以实现的好处，因此在传统铸造厂中获得广泛接受也就不足为奇了[19,25]。一些例子包括蒙特利尔的壳模铸造公司，该公司开发了实体模型铸造(SMC)工艺，无需使用硬工具[26]，就可以直接将RP模型转换成铸件。Cercast小组已经确定了设计RP模式的关键参数，以及各种RP模式[27]的优点和局限性。核金属公司已经评估了铸造Beralcast合金[20]的不同RP技术。表1列出了RP技术、使用的建筑材料和最终部件的特点。
FDM和MM II系统生产的蜡模很容易被铸造厂接受。对于非蜡RP模式，有两个明显的优势。首先，非蜡模的耐久性和强度将允许薄壁结构的铸造，这是以前由于蜡结构的脆弱性而难以做到的。其次，相对较硬的非蜡模允许精加工操作，以提高表面质量，然后转移到铸件上。为了防止铸件在冷却过程中收缩，RP图形可以相应地放大。然而，随着非蜡纹的出现，许多与陶瓷壳体开裂、花纹不完全烧损和残余灰分有关的新问题浮出水面。尽管早期遇到了这些挫折，但RP模式的好处非常显著，不容忽视。从那时起，广泛的全球性研究构思了各种策略、专门的材料和新工艺来应对或消除这些挫折。
4.1.1陶瓷壳体开裂
蜡模采用高压脱模，熔融除去蜡模和浇道系统。剩余的蜡迹在燃烧阶段汽化。对于无蜡RP型，脱蜡和烧蚀过程中由于型膨胀引起的应力是导致壳体开裂的主要原因。RP与壳体材料之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的壳体开裂得到了很好的研究和记录[28,29]。大多数针对壳层开裂的研究都是基于SL制备的环氧树脂模板。到目前为止，最成功的解决方案是使用QuickCast构建风格制作准空心结构。QuickCast的概念是基于这样一个事实，即在形成临界应力水平[30]之前，空心结构会在较低的温度下软化并向内坍塌。增加的优势将是降低材料成本和提前时间，以建立空心结构。QuickCast利用大的孵化空间来创建内部骨骼，其中包含大型的相互连接的正方形或三角形细胞，支持一个致密薄的外部外壳[12]。在外部表面形成的小洞允许在部分建筑完成后将内部困住的树脂排干。据报道，早期的QuickCast模式在抵抗炮弹破裂方面只取得了部分成功
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