本文探討了用FDM的ABS快速原型件熔模鑄造相關(guān)內(nèi)容。

　　1、介紹

　　熔模鑄造是一種經(jīng)濟(jì)的制造金屬件方法，在某些情況下甚至是唯一的方法，比如：內(nèi)凹，薄壁或其他難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。小批量生產(chǎn)時(shí)熔模鑄造不利的一點(diǎn)是很長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間和高昂的蠟?zāi)Ｖ圃熨M(fèi)用。做為蠟件的代替品，快速成型件可以為您節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用。

　　一共6個(gè)鑄造廠家參與了這項(xiàng)旨在評(píng)定由Stratasys 公司制作的ABS快速成型樣件進(jìn)行熔模鑄造的測(cè)試。ABS樣件是用來(lái)替代通過(guò)模具生產(chǎn)出來(lái)的蠟?zāi)！＿@些工廠都有使用不同工藝快速成型件的經(jīng)驗(yàn)。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的可行性報(bào)告是9個(gè)月前完成的，我們將測(cè)試3種樣件。

　　2、目的

　　我們希望通過(guò)這個(gè)報(bào)告為FDM用戶和鑄造廠提供用不同材料熔模鑄造的基本資料。

　　對(duì)于希望使用FDM樣件熔模鑄造的用戶，這份報(bào)告提供了一些基本原理說(shuō)明。

　　對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的鑄造廠來(lái)說(shuō)，這個(gè)報(bào)告可以讓他們了解到ABS與其他的快速成型件如環(huán)氧樹(shù)脂，紙或其他材料相比的優(yōu)越性。

　　最后，對(duì)于有一點(diǎn)或者完全沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的鑄造廠，這個(gè)報(bào)告將揭示熔模鑄造的過(guò)程以及使用ABS熔模鑄造需要注意的方面。

　　3、ABS同蠟件的比較

　　傳統(tǒng)的熔模鑄造使用的蠟件是通過(guò)蠟?zāi)Ｖ谱鞯模@個(gè)過(guò)程與注塑相似，而通常使用的模具為鋁模。今天，這種工藝已經(jīng)被廣泛的理解和接受。

　　Stratsys提供了另一種模式，這種模式不需要使用鋁模。

　　我們提供兩種適合這項(xiàng)工藝的材料，蠟和ABS。ABS可用于FDM Prodigy Plus, FDM Vantage, FDM Titan和FDM MAXUM。

　　4、先進(jìn)性和不足點(diǎn)：

　　使用這幾種材料的優(yōu)缺點(diǎn)請(qǐng)參考表1。幾種材料分別是FDM ABS，F(xiàn)DM 蠟，鋁模制作的蠟。

表1. 原型用FDM 的ABS，F(xiàn)DM 的蠟和傳統(tǒng)蠟?zāi)?yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

　　5、快速成型件的熔模鑄造

　　一、普通熔模鑄造過(guò)程

　　在熔模鑄造件的傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)蠟?zāi)６加杏孟灪附拥臐部诤统鰵饪诟街谄渖希粋€(gè)或更多的這些子裝配件被稱為樹(shù)并且用幾個(gè)陶瓷層成殼，開(kāi)始用硅膠固定。

　　二、快速成型件用于熔模鑄造

　　如果使用快速原形樣件，首先安上蠟制的澆冒口和排氣管，然后涂覆陶瓷漿，這些過(guò)程與普通熔模鑄造是相同的。之后我們要把ABS件放到能夠升溫到1093度以上的熱爐中脫蠟。脫蠟完成后清理殘余灰燼并且檢查模殼是否有裂縫。

　　之后的過(guò)程與普通熔模鑄造完全相同。

　　材料特性

　　以下報(bào)告描述了ABS的材料特性，圖表2是普通ABS得到的結(jié)果，圖表3是Stratasys ABS的結(jié)果。

　　7、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

　　這些測(cè)試的主要目的是得到并確定ABS件關(guān)于熔模鑄造方面的典型參數(shù)，實(shí)驗(yàn)在3個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，這些測(cè)試包括：熱膨脹測(cè)試，熱分解測(cè)試，灰燼分析。

　　8、熱膨脹測(cè)試

　　熱膨脹測(cè)試報(bào)告是Ransom and Randolph實(shí)驗(yàn)室提供的。這些數(shù)據(jù)讓我們了解ABS膨脹同溫度的關(guān)系。測(cè)試時(shí)我們使用了Orton溫度計(jì)，測(cè)試溫度達(dá)到了2912華氏度(1600攝氏度)。

　　這些裝備為我們提供了線性熱膨脹率。

　　ABS件是由FDM2000制造的，樣件的幾何形狀為0.7和0.5英寸直徑，長(zhǎng)度2英寸的圓柱體。不同成型方向各制造一件(水平/垂直)

　　第1部分：0.75英寸直徑, 2英寸長(zhǎng)度, 垂直加工方向.

　　第2部分：0.5英寸直徑, 2英寸長(zhǎng)度, 垂直加工方向.

　　第3部分：0.5英寸直徑, 2英寸長(zhǎng)度, 水平加工方向.

　　測(cè)試結(jié)果如表4所示.

　　附件A詳細(xì)介紹了這些測(cè)試得到的數(shù)據(jù),根據(jù)這些資料,我們得到以下結(jié)論:

　　1、平均線形熱膨脹率是0.24%或者0.0024英寸/英寸

　　2、第2種樣件熱膨脹率是0.24%

　　3、第3種樣件在類似溫度下熱膨脹率為0.19%

　　4、我們比較第2種和第3種樣件時(shí)(尺寸完全一樣，成型方向不同)，結(jié)果略有不同

　　資料同時(shí)顯示，在105到178度之間，ABS零件開(kāi)始軟化，并且開(kāi)始穩(wěn)定，不再膨脹。這也證明了ABS材料有著很低的熱膨脹率。

　　9、同環(huán)氧基樹(shù)脂(SLS所用材料)的比較

　　固體ABS材料的熱膨脹率遠(yuǎn)小于環(huán)氧基樹(shù)脂，這些測(cè)試顯示平均熱膨脹率為0.24%，在最高溫度時(shí)為0.35%。而環(huán)氧基樹(shù)脂的熱膨脹率是直線上升的，在250度左右達(dá)到3.5%。這就是為什么用環(huán)氧基樹(shù)脂熔模鑄造時(shí)必須挖空并且一定要完全脫蠟后才能焙燒。

　　10、熱分解實(shí)驗(yàn)

　　以下報(bào)告是由Schenectady Materials and Processes實(shí)驗(yàn)室提供的，目的是測(cè)試并確定合適ABS的焙燒溫度。同時(shí)測(cè)試吹氧和吹惰性氣體時(shí)的區(qū)別。

　　我們使用TGA方式來(lái)測(cè)量溫度升高時(shí)質(zhì)量的減少，TGA測(cè)試質(zhì)量減少的重要性在于可以準(zhǔn)確確認(rèn)完全分解所需要的溫度。測(cè)試溫度范圍為0-1000攝氏度。TGA測(cè)量的結(jié)果參見(jiàn)附件B，向我們揭示以下幾點(diǎn)：

　　1、 空氣環(huán)境相比惰性氣體環(huán)境能夠或獲得更好的效果。

　　2、 空氣環(huán)境相比惰性氣體環(huán)境能夠在較低的溫度下被熱分解。

　　3、 在1000度時(shí)，兩種不同環(huán)境產(chǎn)生的灰燼質(zhì)量基本相同。

　　圖表5總結(jié)了TGA測(cè)試的結(jié)果，研究表明，在有氧環(huán)境，95%的部分在300度到400度之間就燒掉了，剩余的材料在575度的時(shí)候被熔失。在惰性氣體環(huán)境下，87%的部分在450度時(shí)被熔失，2%在575度被熔失，在1000度時(shí)，全部被熔失，沒(méi)有任何可見(jiàn)殘余物，儀器顯示還有1%剩余物質(zhì)。樣件的體積是4盎司，所以剩余物質(zhì)的讀數(shù)接近于0。

　　11、殘留灰燼

　　我們還做了一個(gè)灰燼殘余量的測(cè)試，以下數(shù)據(jù)是由Howmet Research Company 提供的：

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸重量4盎司的ABS樣件在800度焙燒1個(gè)小時(shí)后，殘余物為0.021%，這個(gè)數(shù)據(jù)低于熔模鑄造所要求的0.05%標(biāo)準(zhǔn)。

　　12、灰燼形態(tài)

　　我們同時(shí)請(qǐng)Schenectady Materials and Processes Laboratory Incorporated對(duì)灰燼形態(tài)做了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)使用40克重的ABS樣件，在陶瓷坩堝里加熱一晚(550度)。所得到的灰燼有部分粘在了坩堝壁上，不過(guò)很容易去除。顯微鏡顯示灰燼為褐紅色及黑色，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，顆粒微細(xì)，測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參考附件C。

　　13、鑄造項(xiàng)目

　　此部分涉及到的少數(shù)鑄造廠家都是實(shí)際使用ABS做熔模鑄造的成功應(yīng)用者

　　14、參與者

　　以下是這次參與實(shí)驗(yàn)的鑄造廠家，很感謝他們提供了大量寶貴資料和建議，從而確保了這個(gè)項(xiàng)目的成功。他們之中的任何一家都具有用ABS件進(jìn)行熔模鑄造的設(shè)備和實(shí)力。各鑄造廠的詳細(xì)資料請(qǐng)參考附件D。

　　Aurora Casting and Engineering，加里福尼亞州，美國(guó)

　　BarroncCast，Inc 密歇根州，美國(guó)

　　High Tech Castings，Inc 俄亥俄州，美國(guó)

　　Nu-Cast，Inc漢普郡，英國(guó)

　　Shellcast Foudries，Inc魁北克，加拿大

　　Solidform，Inc 德克薩斯，美國(guó)

　　15、鑄造計(jì)劃

　　此部分包括兩個(gè)階段。

　　階段一

　　階段一最主要的任務(wù)是尋求并挑選合適的鑄造廠參與這次的測(cè)試計(jì)劃。主要根據(jù)以下幾個(gè)要求進(jìn)行選擇：

　　一、 此次實(shí)驗(yàn)之前對(duì)快速成型件的經(jīng)驗(yàn)

　　二、 是否有興趣在研究開(kāi)發(fā)方面投資

　　三、 地理位置

　　根據(jù)這些條件，我們選擇了兩組廠家，分別使用含鐵材料和非鐵金屬材料。為了方便同其他快速成型技術(shù)相比較，我們采用一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型作為鑄造對(duì)象。第一階段的測(cè)試我們主要解答以下問(wèn)題：

　　一、 這種工藝是否可行?

　　二、 是否能夠得到可用零件?

　　三、 有什么需要改進(jìn)?

　　由于大多數(shù)參與實(shí)驗(yàn)的廠家都有過(guò)使用快速成型件熔模鑄造的經(jīng)驗(yàn)，而且都做過(guò)名為波音飛機(jī)用門托架的樣件。所以我們決定從制造門托架開(kāi)始。

　　每個(gè)工廠計(jì)劃做五件鑄造件，實(shí)際生產(chǎn)了總共27件。參見(jiàn)附圖1。

　　樣件測(cè)試結(jié)果

　　下排從左至右：

　　Sloidform-鋁，High Tech Castings-鋁，High Tech Castings-銅，Aurora Cast-不銹鋼

　　上排從左至右

　　Nu-Cast-鋁，ABS件，Barroncast-碳鋼

　　階段二

　　階段二最主要的任務(wù)是設(shè)計(jì)并制造2個(gè)鑄造件，這2個(gè)樣件要最大限度體現(xiàn)客戶的真實(shí)需求。通過(guò)制作樣件，統(tǒng)一并協(xié)調(diào)鑄造廠的工藝以使得他們對(duì)ABS熔模鑄造有更深理解。

　　薄壁測(cè)試件：

　　第一個(gè)測(cè)試件同樣也是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件，名為“薄壁件(THINWALL PART)”。這個(gè)樣件可以測(cè)試FDM制作薄壁件的壁厚一致性，同時(shí)也測(cè)試鑄造廠是否有鑄造薄壁件的能力。我們分別設(shè)計(jì)了壁厚為0.025, 0.035, 0.045, 0.05, 0.07 和0.1 英寸的不同尺寸樣件。由于ABS樣件不需要挖空，所以，壁厚方面沒(méi)有任何限制。每一個(gè)零件上都浮雕了廠家的名字，這樣我們得到的樣件就可以做為展示件。

　　5個(gè)工廠一共做了19件產(chǎn)品。在這個(gè)階段，有一家工廠不想再制作任何測(cè)試件而希望能夠直接進(jìn)行最終零件的鑄造，所以6家工廠中只5家參與此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

　　圖片2展示了工廠做出的金屬件，這些樣件證明了制作薄壁件是完全可行的。值得一提的是，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用測(cè)試的薄壁件厚度為0.06英寸。

　　楔形測(cè)試件

　　第二個(gè)測(cè)試件是參與這次測(cè)試的其中一家鑄造廠提出的，(注：此鑄造廠是上市公司)特征包括：鍵槽，測(cè)試收縮率的孔，錐形角。這個(gè)樣件也可以同時(shí)測(cè)試各個(gè)廠家的收縮率。參見(jiàn)圖片3。

　　在測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)錐形角在最后去殼時(shí)只有幾個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的廠家制作成功，而其他特征每個(gè)工廠都可以成功鑄造。我們認(rèn)為錐形角在熔模鑄造中是一個(gè)很有挑戰(zhàn)的題目，但并不是一個(gè)很好的測(cè)試設(shè)計(jì)，在今后的實(shí)際使用過(guò)程中，我們應(yīng)該盡量避免錐形角設(shè)計(jì)。參見(jiàn)圖4。

　　這次測(cè)試我們還得到了收縮率的結(jié)果，相似材料的平均收縮率各個(gè)廠家均有不同，從1.10%，0.63%，0.76%到0.71%。這一點(diǎn)在鑄造前我們就已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到，主要是以下因素造成：脫蠟系統(tǒng)，焙燒周期，澆冒口設(shè)計(jì)。鑄造廠家們統(tǒng)計(jì)了詳細(xì)的收縮率信息，請(qǐng)參考附件E。

　　鑄造廠反饋

　　以下章節(jié)引用了Solidform公司填寫的問(wèn)卷調(diào)查表中的內(nèi)容。

　　“ABS在熔模鑄造應(yīng)用方面是一種最清潔的材料，沒(méi)有在型殼上留下一點(diǎn)灰燼或殘?jiān)Ｈ紵蟮幕覡a可以很輕易的吹出。”

　　“ABS相比其他快速成型工藝得到的樣件來(lái)講，從鑄造廠的角度，有很多優(yōu)點(diǎn)，包括：

　　1、 在不同濕度的環(huán)境下空間尺寸很穩(wěn)定

　　2、 在不同濕度環(huán)境下薄壁不會(huì)變形

　　3、 在鑄造前不需要特別的表面增強(qiáng)處

　　4、 可以縮短鑄造周期，主要是指在脫蠟過(guò)程中不會(huì)在型殼表面留下灰燼、殘?jiān)＿@一點(diǎn)優(yōu)于大多數(shù)快速成型的樣件”

　　盡管如此，用ABS件熔模鑄造還是有一個(gè)缺點(diǎn)，得到的制件表面有很多成型時(shí)留下的紋路。但這種紋路用砂紙?jiān)贏BS原形件上去除

　　客戶結(jié)果

　　以下是兩個(gè)成共應(yīng)用ABS鑄造的案例：

　　Biomet Inc

　　Biomet inc是一家位于印地安那州的醫(yī)藥公司，設(shè)計(jì)及制造人體膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)等等。他們從1997年2季度起開(kāi)始用ABS件做熔模鑄造制作金屬件，到今天平均每月制作50件鑄造件，包括鈷鉻合金，17-4不銹鋼。這些都是在其公司下屬的一家鑄造廠完成的。

　　應(yīng)用這項(xiàng)工藝，使得試制鑄造件的生產(chǎn)周期縮短了兩周，年平均節(jié)省資金120000美圓。圖5、6是其中部分樣件。

　　Hydro Quebec是一家位于加拿大魁北克的電力公司，他們從1997年3季度開(kāi)始運(yùn)用熔模鑄造工藝制造部件。以下兩個(gè)例子(照片7，8)是用ABS樣件進(jìn)行熔模鑄造得到的鋁合金件，一套共6件。

照片8.用ABS熔模鑄造得到的鋁合金件

　　此部分介紹了鑄造廠家的實(shí)際加工過(guò)程。實(shí)際上，每一個(gè)鑄造廠家實(shí)際應(yīng)用的工藝都是不同的，這主要由以下因素決定：設(shè)備，能力，經(jīng)驗(yàn)，需求條件和人員。

　　樣件準(zhǔn)備

　　用90%或更高含量的異丙基酒精擦拭ABS樣件可以去除污漬及油漬。烴類溶解劑通常用于蠟件清潔，但是可能使ABS軟化，所以不推薦使用。

　　設(shè)置澆冒口及排氣管

　　盡管ABS是熱塑性塑料，如何設(shè)置澆冒口及排氣管也是非常重要的，需要正確設(shè)置才能保證有足夠的空氣支持完全燃燒。同時(shí)澆冒口及排氣管也起到清理灰燼的作用。

　　型殼

　　熱膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：ABS的熱膨脹率在100攝氏度時(shí)為0.35%，此后保持穩(wěn)定，125度時(shí)開(kāi)始液化，所以，型殼耐火材料一定要高于此要求。

　　焙燒

　　焙燒的程序各個(gè)廠家并不相同，通常情況下先將熱爐預(yù)熱到871攝氏度，然后放入型殼焙燒。然后升溫到1066-1120度保溫50分鐘到2小時(shí)。

　　表6是三家不同鑄造廠焙燒的數(shù)據(jù)：

　　以下資料是用于以ABS件做熔模鑄造的公司。

　　成型技術(shù)：

　　此部分將說(shuō)明如何用ABS件進(jìn)行失蠟鑄造，通常我們也使用中空件，由于減少了發(fā)氣量，所以這種方法可以更快的拿到鑄件。

　　零件設(shè)計(jì)：

　　所有的零件都需要良好的制造設(shè)計(jì)，包括同鑄造廠家協(xié)商零件的尺寸，壁厚，最小特征尺寸，附加筋等等。

　　收縮率：

　　在制作ABS樣件時(shí)我們必須考慮金屬材料的收縮率然后適當(dāng)放大尺寸制造。請(qǐng)鑄造廠提供詳細(xì)的收縮率數(shù)值。收縮率是影響最終結(jié)果的重要因素。

　　熔模鑄造要求高質(zhì)量的表面光潔度，細(xì)節(jié)復(fù)制能力，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)損傷及設(shè)計(jì)失誤。我們要求理想的樣件表面，因?yàn)橥ǔ５谝淮瓮繉訉?duì)最終產(chǎn)品影響最大。

　　顯而易見(jiàn)，任何快速成型件的表面光潔度都低于用模具制造的蠟件，所以，人為干涉是必不可少的。我們可以通過(guò)填充及打磨的方法提高表面質(zhì)量，關(guān)于此點(diǎn)，Stratasys公司已經(jīng)出版了名為模型打磨技術(shù)的資料。你可以用任何方式，包括噴蠟。但是油基的材料最好不要使用，以免除去殼時(shí)的不便。

　　下面的圖片是我們用ABS樣件用幾種不同的辦法處理后進(jìn)行熔模鑄造后的結(jié)果。我們應(yīng)用的方法有：打蠟，蠟填充，及噴砂。

　　照片9：表面處理

　　左邊Aurora Cast公司不銹鋼板 右邊Solidform公司鋁件

　　熔模鑄造工藝需要考慮的其它因素：

　　此部分是提供給鑄造行業(yè)用戶及初次使用熔模鑄造的廠家。

　　第一步工作是選擇好需要做的模型然后同鑄造廠家討論并表明你的想法，通常鑄造廠家會(huì)詢問(wèn)樣件的詳細(xì)資料。如果工廠有可以打開(kāi)STL檔案的軟件比如：SOLID VIEW， MAGICS，IMAGEWARE。那么你可以直接把STL文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給工廠。否則你可以傳真2維圖紙給他們， 你的傳真要包括以下內(nèi)容：截面圖，尺寸，精度要求，表面光潔度要求。

　　不是所有的樣件都能夠被成功鑄造的。通常來(lái)講，設(shè)計(jì)是影響鑄造成功率的重要因素。鑄造廠提供報(bào)價(jià)，模具設(shè)計(jì)和制作蠟?zāi)＃?而這些是保證鑄造可行性的基本要素。 快速成型工藝能使這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單化，從而節(jié)省了時(shí)間和成本。但對(duì)于鑄造廠家來(lái)說(shuō)，問(wèn)題在于設(shè)計(jì)師們不了解鑄造行業(yè)的需求，所以，只有一致性的工藝標(biāo)準(zhǔn)加上鑄造廠的管理才能解決我們的問(wèn)題。

　　目前只有清單(附件D)上列出的廠家向我們證明了實(shí)力，而其他很多廠家只是可能有這個(gè)能力。所以，請(qǐng)根據(jù)以下原則慎重選擇鑄造工廠：金屬材料，地理位置，還有你同鑄造廠的關(guān)系。

　　當(dāng)你開(kāi)始準(zhǔn)備協(xié)議的時(shí)候，鑄造廠將會(huì)向你提供收縮率。我們?cè)谥谱鰽BS樣件的時(shí)一定要包括收縮率，另外一個(gè)需要注意的問(wèn)題是同鑄造廠討論小孔加工的問(wèn)題，鑄造廠會(huì)告訴你他們能做到的最小直徑，如果達(dá)不到你的要求，你可以選擇填充這些小孔或者留下一個(gè)凹點(diǎn)作為今后鉆孔的依據(jù)。

　　最后你需要提供ABS樣件給鑄造廠，去測(cè)試收縮率是否正確。以及累積設(shè)置導(dǎo)流管及排氣口的經(jīng)驗(yàn)。

　　結(jié)論：

　　ABS是最適合熔模鑄造的材料之一，此次參與實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)翻砂工人用ABS件進(jìn)行熔模鑄造都拿到滿意的鑄件。

　　而使用ABS件熔模鑄造相比其他快速成型工藝還具有以下優(yōu)點(diǎn)：完全脫蠟，尺寸精度保持性高，模型準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)易。

　　模型的表面處理工作的好壞是影響最后鑄件的品質(zhì)的重要因素。

　　此次測(cè)試使用的金屬材料有：不銹鋼，鋁，鈷鉻合金，黃銅，鈹銅。

　　Stratasys 公司在此感謝所有參與測(cè)試的鑄造廠家，測(cè)試結(jié)果、圖片是本報(bào)告最重要的部分。