3D打印增材制造蜡模技术在石膏型真空增压生产中的应用

　　3D打印增材制造蜡模技术和石膏型真空增压技术相融合是“3D打印”+“传统制造”解决高端复杂薄壁构件的一种新生产手段。采用蜡粉3D打印的蜡模具有熔点低、收缩小、表面光洁、变形量小等特点，解决了长期以来3D打印的PS粉模熔点高、收缩大、发气量大等造成的脱模不完全、模壳开裂和环保问题。石膏型真空增压技术具有复模性优异、热导率低、型腔表面光洁、构件尺寸精确、表面质量好、压力补缩。利用3D打印蜡模强的脱模性、石膏型真空增压技术的优异复模性和成形的优点，特别适合于尺寸精确、表面光洁、内部质量要求高的中小薄壁复杂轻合金构件的精密成型。本文通过介绍一些典型复杂薄壁构件案例，进一步展示3D打印增材制造蜡模技术和石膏型真空增压技术相融合的优势。

一、意义

　　迄今为止，复杂薄壁构件大多采用诸如车削、铸造、锻造和焊接等方法制造。近年来高速切削及电解加工技术在复杂薄壁零件加工中也取得了很大的进展。然而复杂薄壁构件由于结构复杂，零件刚性较差，强度弱，在车削或锻造、焊接加工过程中容易发生加工变形，使零件的形位误差增大，加工质量难以符合要求。尤其是铝合金复杂薄壁构件的加工一直是个难点。

　　采用传统铸造工艺来制造复杂薄壁零件困难很多，目前国内外普遍采用金属模具压型获得零件的蜡模，然后通过精密铸造生产复杂薄壁零件，这种方法存在制模周期长、成本昂贵等问题。美国太克公司生产的波音767飞机上的燃油增压泵壳体。其外形和结构都非常复杂，用A356铝合金浇注成形，重6.3kg。该铸件模组由22个蜡模分别压制后再组合成四个组合蜡模，然后把这四个组合蜡模组装成增压泵壳体整体蜡模，用石膏混合浆料灌注成石膏型，在真空下浇成铸件。又如航空电子仪器设备的壳体和机架，为保证电路系统工作稳定，希望将屏蔽室、印刷电路导板、散热系统一次铸出，形成整体的机壳铝铸件。同时为了提高散热效率和加强结构刚度，在铸件表面上铸出大量扁薄的散热片和凸块等，还可铸成夹层结构。美国波音公司研制生产的空射巡航导弹AGM-89B，该导弹弹体80%使用了铸件，整个弹体用9个大型整体铸件代替44个铝精密模锻——机加工——焊接而成的组合件。我国目前生产复杂薄壁铸件的主要方法是先生产金属型模具再结合低压铸造、差压铸造、真空吸铸及调压铸造等工艺制造出复杂薄壁金属件，这种方式工艺开发周期长、出品率和成本率很低，费用高。采作快速熔模技术(3D打印增材制造蜡模和石膏型真空增压相融合的技术)可以从根本上解决我国在复杂薄壁铸件生产中存在的问题，提高复杂薄壁铸件的质量，缩短开发制造周期，降低其生产和研制成本。

　　相对于PS粉模铸造，蜡粉模铸造更加环保，基本不产生有害气体，蜡料可以回收利用，并且对于有复杂内腔的铸件熔模铸造更有优势。国外有关用于选择性激光烧结成形(SLS)用的蜡粉材料的研究很少有文献报道。

　　目前，国内SLS 制作熔模铸造“蜡模”的材料主要是聚苯乙烯(PS)粉，该粉末烧结变形小、成型性能优良、成型精度高且尺寸稳定性强。但PS基“蜡模”脱除困难且易产生胀壳现象，在一般的蒸汽脱蜡过程中只能脱去很少一部分，其它部分只有在高温焙烧过程才能完全脱除，而这部分将全部转化为气体排放到空气中，对环境造成很大的污染，以后必然会被环保材料所代替。如采用蜡粉作为SLS 材料，具有灰分少、易脱蜡、铸造工艺与传统工艺更为接近且无污染等特点。

　　石膏型真空增压精铸技术复模性优异、热导率低、型腔表面光洁、构件尺寸精确、表面质量好。利用了石膏型的优异复模性和真空增压成形的优点，特别适合于尺寸精确、表面光洁、内部质量要求高的中小薄壁复杂轻合金构件的精密成型，其最小壁厚可达0.8～1.5mm(局部0.5mm)，尺寸精度能达CT4～5级，薄壁件X光透视达到1级。石膏型真空增压精铸技术不仅可以大幅提高薄壁复杂轻合金构件生产的成品率、内部质量及外部质量。

　　3D打印增材制造蜡模技术和石膏型真空增压技术相融合，采用蜡粉进行3D打印制作蜡模再通过石膏型真空增压进行复杂薄壁构件快速制造意义十分重大。

二、重要技术

(1)3D打印增材制造蜡模技术

　　设备选择：采用选择性激光烧结SLS设备HLP-800(由北京北方恒利科技发展有限公司开发)，如图1所示，最大成型尺寸(800mm*600mm*500mm)，选用蜡粉成型工艺模块。其原理是将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面并刮平，高强度的CO2激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行下一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。

　　材料选择：3D打印专用蜡粉(由北京北方恒利科技发展有限公司开发)，熔点71℃，平均粒径：56.3μm。

　　3D打印工艺：扫描速度1600/mm·s-1，激光功率9-16W，铺份厚度0.1mm。

(2)石膏型真空增压技术

　　设备选择：石膏型制壳和焙烧生产线和电磁真空增压浇注系统(由北京北方恒利科技发展有限公司开发) 如图2所示。

　　石膏型制壳和焙烧生产过程：将蜡粉3D打印蜡模进行组树后，在真空下进行石膏灌注制型，灌制石膏干燥后进行焙烧脱模，完全脱模和除水的石膏保温等待浇注。

　　电磁真空增压浇注系统：在电磁力作用下将金属液驱动进入型腔，充型平稳、压力执行准确、具有铸造工艺执行简单，工艺重复性好。该系统具有以下优点：①金属液传输平稳，避免由湍流而引起的氧化和吸气，同时金属液经过磁场作用细化晶粒，对改善铸件的组织、性能有积极的作用;②流量及加压规范可精确、连续控制，反应迅速准确，可严格执行铸造工艺;③炉体内不加压缩空气，并可在保护气氛下工作，从而减少了气体溶入，减少气孔的形成。保温炉容量350Kg;最大充型压力0.05Mpa;充型及保压时间范围300秒;电脑设定工艺曲线为“压力-时间”曲线;流量0-3.0Kg/s (单泵)，0-6.0Kg/s(双泵)连续可调;真空度10Pa;增压压力0.8Mpa。

(3)数字化铸造工艺设计及模拟技术

　　采用铸造工艺设计及模拟CASTsoft CAE/CAD技术,是集铸件重量、体积、模数、铸造过程仿真、铸造缺陷预测及结果显示为一体，实现对铸件中的充型流态、凝固过程、温度场模拟、缺陷预测、冷却速度分析、应力分析，从而对铸造过程中所涉及浇口、冒口、冷铁、铸型厚度、冒口套等工艺参数和工艺方案做出评价。 在模具制造和实际浇注前得到合理工艺，减少试浇注和修改模具次数，达到缩短开发周期和降低成本的作用。

　　通过工艺设计及模拟技术对石膏型真空平稳充型控制、石膏型增压凝固控制、石膏型真空增压精铸工艺设计与优化，解决产生充型平稳性、浇不足、冷隔、缩孔、缩松等缺陷，为分析研究电流与磁力匹配、构件变截面加压速度、浇注时间等关系提供数据支持，进一步优化浇冒系统、增压压力曲线、凝固顺序、初始温度等重要工艺参数。

三、生产流程图

　　铸件石膏型真空增压熔模精密铸造将以图3为技术路线进行铸造生产。

四、主要生产过程

1.结构分析

　　针对薄壁复杂某铝合金壳体研发需要，采用3D打印增材制造打印蜡模再进行石膏型真空增压熔模精密铸造实现快速无模具生产。

　　某铝合金壳体外形尺寸565×467×435(mm)，铸件壁厚不均匀，最大壁厚45mm,最小壁厚在2mm左右，铸件材料ZL101A合金，铸件中内孔需要安装轴承，铸件要承受一定的压力;因此对铸件的气密性有一定的要求，铸件结构符合铸造过程的顺序凝固原则。通过结构和质量要求分析，采用石膏型真空增压熔模精密铸造方法，底部开设内浇口使充型过程平稳，减少氧化夹渣，配合多浇口和冒口压力补缩工艺，通过浇注速度、模壳温度、下部冷铁来调整凝固顺序，点冒口和保温棉工艺，保证铸件质量。缸体外形和内部结构如图4。

2.3D蜡模打印和尺寸精密控制

　　将设计好的三维铸型，通过前处理软件和系统控制软件，对铸件进行分层切片、STL文件错误修复、比例缩放、实体分割/组合，支撑填加、尺寸测量; STL、SSL、CLI图形文件图形文件读入、STL图形显示、等间隔分层切片、自适应分层切片、扫描轨迹优化及控制代码生成，加工时间预测等;可与工业CT扫描设备接口，对扫描数据文件(CLI)加工成型。扫描控制代码读入、加工参数设置、加工过程预热温度曲线设置、加工过程激光功率曲线设置，免支撑预热等待温度/时间设定。

根据某铝合金壳体结构特点和蜡粉材料特性，3D打印成型主要参数设置如下：

a、打印分层厚度：0.12mm;

b、设置激光光束在工作平面的运动速度:1200mm/s;

c、设置铺粉直线单元的运动速度: 120mm/s;

d、激光器的实际输出功率:9W;

e、供料裕量:0.05mm;

f、转换因子:1.05。

　　经过23个小时的设备加工生产出主体材料为自制蜡粉铸件原型。这个原型还不能直接使用，需要做一下简单的后处理工作。第一步对成型完成蜡件进行未烧结粉清理，采用高压气枪对缸体蜡件进行余粉吹除。第二步是把铸件原型浸入到低温蜡液体(温度控制在55-60度之间)，是原型表面附着一次薄薄的石蜡，冷却后再次浸入。第三步把冷却后的原型表面打磨光滑，打磨的越光滑，实际生产出的铸件表面光洁度越高。最后模件效果如图5所示。

　　通过三座标进行尺寸测量，所有尺寸均在正常范围内，尺寸精密处于CT6- CT7，尺寸对比如图6所示。

3.铸造工艺设计和铸造过程模拟分析

　　根据产品实际应用要求，采用ZL101A材料进行生产，先将铸件毛坯输出，进行铸造工艺设计，确定工艺布置，冒口大小，浇注系统大小;再通过铸造工艺模拟软件进行铸造过程模拟，最后确定可行浇注工艺方案。具体方法分两步完成：

步骤1：采用数据化铸造工艺设计及模拟技术铸造工艺设计CAD模块进行工艺热节计算，确定冒口位置和冒口大小，确定铸件工艺布局，确定浇注系统。

步骤2：采用采用数据化铸造工艺设计及模拟技术铸造工艺模拟CAE模块进行铸造过程模拟，根据缺陷重新设计冒口、冷铁和出气孔，得到最终没有缩孔缩松缺陷的铸件(或者使缺陷维持在最小范围)。通过造型、涂料及浇注温度等方式保证表面质量，再通过铸造工艺模拟软件进行铸造过程模拟，最后确定可行浇注工艺方案。最后确定可行浇注工艺方案如图7所示，模拟结果如图8所示，铸造工艺蜡型组树如图9所示。

工艺优化过程说明：

a)接合模拟和某铝合金壳体结构，通过改变冒口和浇口棒尺寸，反复进模拟;最后消除了铸造缺陷，确定了浇注工艺参数，浇注温度在700+10度，模壳吃砂量12-15mm，焙烧温度720度，模壳浇注温度200度，浇注时间在15s左右，充型压力为0.014Mpa,保压压力为0.12Mpa,保压时间为10Min。质量最好，工艺成功率最高。

b)为进一步调整某铝合金壳体上部微小热节，在浇注前将焙烧完成铸型上方放厚度为20mm大铁板用于激冷。

c)为保证冒口和浇口棒充分补缩，在进行焙烧前将铸件热节处放置冷铁。

4. 某铝合金壳体石膏型真空增压熔模精密铸造过程

　　由于某铝合金壳体结构特点和3D打印蜡模特性，熔模铸造制壳，干燥，脱蜡方面与传统蜡模和3D打印PS蜡模工艺有很多不同。

熔模制壳和干燥：将组好工艺树的蜡型放在真空罐中，在真空条件下进行灌桨，放在温度为20度的室内静置15-20小时，待石膏型完全硬化。

　　脱蜡：3D打印缸体蜡模采用自制蜡粉，材料成份与传统中、低温蜡相似，由于3D打印工艺的需要进行组分调整，同时加入有利于蜡粉流动性的特殊组分，为了不对传统回收蜡成分污染，选用蜡不进行回收。蜡粉的熔点在80度以下，由于石膏对水的敏感性，不能采用水浴脱蜡(90-95℃)和高压水蒸气脱蜡(超过100℃)两种方式进行脱蜡。通过直接进行焙烧加热的方法进行脱蜡，可以顺利完成脱蜡工作。

　　本次采用焙烧脱蜡，具体参数为：a)脱蜡温度：90-140℃;b)脱蜡工具：焙烧炉;?c)脱蜡时间：1-3小时; d)脱蜡前模组存放时间>12h，但模组存放不得超过3天;e)脱蜡是否完成以浇口流蜡和冒烟颜色为判断;f)焙烧时间为2-3个工作日。

　　铸件材料?ZL101A，浇注温度在700+10度，模壳吃砂量12-15mm，焙烧温度720度，模壳浇注温度200度，浇注时间在15s左右，充型压力为0.014Mpa,保压压力为0.12Mpa,保压时间为10Min。

　　铸件精度及表面质量的控制，采用先进石膏型材料配方工艺技术、提高铸型表面质量及尺寸精度，提高铸件尺寸精度和表面质量。从材料(金属材料、铸型材料)和工艺(壳体铝合金熔炼工艺、精炼工艺;制壳、焙烧工艺;膏型材料配方工艺;充型工艺等)入手进行缸体成形过程的全程质量控制，形成规范的质量控制规范及体系。采用先进成份分析设备、机械性能检测设备和探伤设备进行材料成份、机械性能和铸件内部组织进行保证。相关过程如图10，如图11，如图12所示。

五、结论

　　通过薄壁复杂某铝合金壳体无模快速生产，很好的验证了3D打印增材制造蜡模技术和石膏型真空增压技术相融合是“3D打印”+“传统制造”解决高端复杂薄壁构件的一种新生产手段。这种生产手段能够解决制造周期长、加工量大、补焊、尺寸不稳定、内部缺陷多、反修次数多等现有制造问题，该技术在新产品开发，单件小批量/复杂零部件/金属模具制作方面优势明显，可以实现4-7个工作日内得到金属产品。

来源：中国3D打印机网