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3D打印與消失模鑄造

 一兵個(gè)人圖書館 2019-04-23


引言:目前3D打印因其無需模具且能直接增材制造復(fù)雜造型而備受推崇,但是制約其的最 大因素在于材料。而消失模鑄造為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度,可以通過泡沫塑料模片組合鑄造出高度復(fù)雜的鑄件,但如何用塑料膜片制作出高度復(fù)雜的零件模型則因?yàn)槠潆y度大而成為其局限性之一。因此,不如嘗試?yán)?D打印制作消失模鑄造所需要的復(fù)雜塑料模型,然后利用后者生產(chǎn)出3D打印所無法加工的金屬鑄件。
一. 3D打印的局限  目前3D打印所最常使用的材料是ABS塑料,這是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物,類似于金屬材料中的合金,具有“硬、韌、剛”的特性,易于成型,耐熱性較好,有良好的尺寸穩(wěn)定性。此外,ABS塑料還可以根據(jù)使用要求,通過改變單體的含量來調(diào)整其性能;如增加丙烯腈的比例,可提高耐熱、耐蝕性和表面硬度;增加丁二烯的比例可提高彈性和韌性;增加苯乙烯的比例可改善電性能和成形能力。是一種原料易得、綜合性能良好、價(jià)格便宜的工程塑料。但是這種綜合性能良好只是相對性的,在紡織業(yè)、電信器材行業(yè)有大量應(yīng)用,但是其性能依然無法達(dá)到金屬的程度,在材料強(qiáng)度需求較高的領(lǐng)域3D打印依然無法應(yīng)用。以個(gè)人經(jīng)歷為例,目前由于車隊(duì)需要設(shè)計(jì)全新的進(jìn)氣管(如圖),因?yàn)樵谑忻嫔蠠o法買到所需要的部件,因此決定采用3D打印的形式先試做一個(gè)。但是打印結(jié)果卻是相當(dāng)不盡 如人意。一是時(shí)間過長,我們是在學(xué)校打印的,用時(shí)八個(gè)多小時(shí);二是由于是PLA材料,強(qiáng)度不能滿足要求(其實(shí)ABS也同樣無法滿足要求);三是進(jìn)氣道還是有一定的溫度的,溫度過高怎會(huì)造成連接件融   化,不符合使用要求。最終我們不得不無奈的放棄了用3D打印來制作進(jìn)氣管的打算。于是我們決定嘗試著聯(lián)系金工實(shí)習(xí)的師傅看能否用消失模鑄造來制作進(jìn)氣管。

二.消失模的局限性  目前消失模工藝使用的發(fā)泡模材料是可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)珠粒,是聚苯乙烯珠粒浸含發(fā)泡劑后得到的材料。聚苯乙烯有聚乙烯單體聚合而成,其分子結(jié)構(gòu)式為: 由于側(cè)基上有苯環(huán),分子間移動(dòng)的阻力增大,結(jié)晶度降低,因而具有較大的剛度,可以用來制作模型。但也正是分子結(jié)構(gòu)中有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的苯環(huán),是造成用聚苯乙烯發(fā)泡模時(shí),鑄件上產(chǎn)生光亮碳缺陷或其他增碳缺陷的主要原因 。而就鑄件材質(zhì)而言,其適用性好與差的順序大致是:灰鑄鐵--非鐵合金--普通碳素鋼--球墨鑄鐵--低碳鋼和合金鋼。灰鑄鐵之所以有良好的鑄造性能,是因?yàn)橛捎诨诣T鐵內(nèi)部石墨的存在,使得鑄件凝固時(shí)形成石墨產(chǎn)生的膨脹,減少了鑄件體積的收縮,降低了鑄件中的內(nèi)應(yīng)力。而且灰鑄鐵中石墨對于震動(dòng)的傳遞起削弱作用,是鑄鐵具有良好的抗振性能,這也是我們所需要的。但是和3D打印不一樣,泡塑材料不是主要問題,問題是如何用泡塑材料制作出所需要的復(fù)雜模型。目前國內(nèi)大多以加工木模方式進(jìn)行車、銑、刨等分割,或用電熱絲切割,再用白乳膠進(jìn)行粘結(jié)造型。這種工藝看似簡單,但缺點(diǎn)是模樣材料選用的比重不符合鑄造工藝要求,切割分型粗糙,造成模樣表面質(zhì)量差,涂料的配制和涂刷工藝也有隨意性。同時(shí)也限制的了造型的精確性與復(fù)雜性。這也是我們最后也沒有采用消失模鑄造的原因,因?yàn)槲覀兊牧慵τ诔叽缂扒实囊笫窍o法完成的。

三.3D打印與消失模相結(jié)合  其實(shí)將3D打印與消失模鑄造結(jié)合的生產(chǎn)方式是已經(jīng)存在的,世界上最大的FDM(熔融成型)生廠商美國Stratasys公司就推出過適用于消失模鑄造的3D打印材料——ICW06 Wax(見下頁表中紅圈部分)。只是在國內(nèi)推廣程度較弱。在淘寶等幾個(gè)網(wǎng)上市場查了一下,目前3D打印耗材只有ABS和PLA材料出售,ICW06 Wax材料則沒有找到購買途徑。而且也不確定是否是所有FDM的3D打印機(jī)都可以打印此種材料,目前我們車隊(duì)還在探討能否購買一些ICW06 Wax材料用于3D打印和消失模鑄造。

四.總結(jié)  本文以個(gè)人經(jīng)歷介紹了3D打印及消失模鑄造的應(yīng)用、使用材料及其各自的局限性,筆者認(rèn)為3D打印與消失模鑄造工藝的結(jié)合可以很好解決前者無法打印金屬材料而后者無法精確制造模型的問題。如果開發(fā)出更多符合這種要求的材料,也許這種結(jié)合的工藝可以得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

四.總結(jié)  本文以個(gè)人經(jīng)歷介紹了3D打印及消失模鑄造的應(yīng)用、使用材料及其各自的局限性,筆者認(rèn)為3D打印與消失模鑄造工藝的結(jié)合可以很好解決前者無法打印金屬材料而后者無法精確制造模型的問題。如果開發(fā)出更多符合這種要求的材料,也許這種結(jié)合的工藝可以得到更進(jìn)一步的發(fā)展。


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