金属工艺快速成形技术：重要应用

快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）：利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。它能根据产品的三维模样数据，不借助其他工具设备，迅速而精确地制造出该产品，集中体现在计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、刨、磨等多种机加工设备和各种工装、模具，成本高又费时间。一个比较复杂的零件，其加工周期甚至以月计，很难适应低成本、高效率生产的要求。快速成形技术是现代制造技术的一次重大变革。被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。

1.快速成形技术系统的工作流程

快速成形技术系统的工作流程如图2-70所示。

图2-70 快速成形技术系统的工作流程

1）由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型。

2）将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层Slicing）。

3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码。

4）成形机制造一系列层片并自动将它们连接起来，得到三维物理实体。

2.快速成形工艺

快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。迄今为止，国内、外已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：(www.xing528.com)

（1）纸层叠法（Laminated Object Manufacturing）——薄形材料选择性切割（LOM法）计算机控制的CO₂激光束按三维实体模样的每个截面轮廓对薄形材料（如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等）进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结快速形成原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。

（2）激光立体制模法（Stereolithography Apparatus）——液态光敏树脂选择性固化（SLA法）液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕，即快速形成原型。激光立体制模法可以用来制作消失模，在熔模精密铸造中替代蜡模。

（3）烧结法（Selective Laser Sintering）——粉末材料选择性激光烧结（SLS法）粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO₂激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、消失模铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型以及铸造用母模等。

（4）熔化沉积法（Fused Deposition Modeling）——丝状材料选择性熔覆（FDM法）加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息作X-Y平面运动和高度Z方向的运动，塑料、石蜡质等丝材由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加最终成为快速原型。用此法可以制作精密铸造用蜡模、铸造用母模等。

3.快速成形技术特点

材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上；高度技术集成，可实现设计制造一体化。

4.快速成形技术在铸造上的应用

可以利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产铸造用的模具和各种铸型，如图2-71所示。

图2-71 快速成形技术在铸造中的应用