3D打印与消失模铸造

引言：目前3D打印因其无需模具且能直接增材制造复杂造型而备受推崇，但是制约其的最 大因素在于材料。而消失模铸造为铸件结构设计提供了充分的自由度，可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的铸件,但如何用塑料膜片制作出高度复杂的零件模型则因为其难度大而成为其局限性之一。因此，不如尝试利用3D打印制作消失模铸造所需要的复杂塑料模型，然后利用后者生产出3D打印所无法加工的金属铸件。

一. 3D打印的局限  目前3D打印所最常使用的材料是ABS塑料，这是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，类似于金属材料中的合金，具有“硬、韧、刚”的特性，易于成型，耐热性较好，有良好的尺寸稳定性。此外，ABS塑料还可以根据使用要求，通过改变单体的含量来调整其性能；如增加丙烯腈的比例，可提高耐热、耐蚀性和表面硬度；增加丁二烯的比例可提高弹性和韧性；增加苯乙烯的比例可改善电性能和成形能力。是一种原料易得、综合性能良好、价格便宜的工程塑料。但是这种综合性能良好只是相对性的，在纺织业、电信器材行业有大量应用，但是其性能依然无法达到金属的程度，在材料强度需求较高的领域3D打印依然无法应用。以个人经历为例，目前由于车队需要设计全新的进气管（如图），因为在市面上无法买到所需要的部件，因此决定采用3D打印的形式先试做一个。但是打印结果却是相当不尽 如人意。一是时间过长，我们是在学校打印的，用时八个多小时；二是由于是PLA材料，强度不能满足要求（其实ABS也同样无法满足要求）；三是进气道还是有一定的温度的，温度过高怎会造成连接件融   化，不符合使用要求。最终我们不得不无奈的放弃了用3D打印来制作进气管的打算。于是我们决定尝试着联系金工实习的师傅看能否用消失模铸造来制作进气管。

二．消失模的局限性  目前消失模工艺使用的发泡模材料是可发性聚苯乙烯(EPS)珠粒，是聚苯乙烯珠粒浸含发泡剂后得到的材料。聚苯乙烯有聚乙烯单体聚合而成，其分子结构式为： 由于侧基上有苯环，分子间移动的阻力增大，结晶度降低，因而具有较大的刚度，可以用来制作模型。但也正是分子结构中有结构稳定的苯环，是造成用聚苯乙烯发泡模时，铸件上产生光亮碳缺陷或其他增碳缺陷的主要原因 。而就铸件材质而言，其适用性好与差的顺序大致是：灰铸铁--非铁合金--普通碳素钢--球墨铸铁--低碳钢和合金钢。灰铸铁之所以有良好的铸造性能，是因为由于灰铸铁内部石墨的存在，使得铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。而且灰铸铁中石墨对于震动的传递起削弱作用，是铸铁具有良好的抗振性能，这也是我们所需要的。但是和3D打印不一样，泡塑材料不是主要问题，问题是如何用泡塑材料制作出所需要的复杂模型。目前国内大多以加工木模方式进行车、铣、刨等分割，或用电热丝切割，再用白乳胶进行粘结造型。这种工艺看似简单，但缺点是模样材料选用的比重不符合铸造工艺要求，切割分型粗糙，造成模样表面质量差，涂料的配制和涂刷工艺也有随意性。同时也限制的了造型的精确性与复杂性。这也是我们最后也没有采用消失模铸造的原因，因为我们的零件对于尺寸及曲率的要求是消失模无法完成的。

三．3D打印与消失模相结合  其实将3D打印与消失模铸造结合的生产方式是已经存在的，世界上最大的FDM(熔融成型)生厂商美国Stratasys公司就推出过适用于消失模铸造的3D打印材料——ICW06 Wax（见下页表中红圈部分）。只是在国内推广程度较弱。在淘宝等几个网上市场查了一下，目前3D打印耗材只有ABS和PLA材料出售，ICW06 Wax材料则没有找到购买途径。而且也不确定是否是所有FDM的3D打印机都可以打印此种材料,目前我们车队还在探讨能否购买一些ICW06 Wax材料用于3D打印和消失模铸造。

四．总结  本文以个人经历介绍了3D打印及消失模铸造的应用、使用材料及其各自的局限性，笔者认为3D打印与消失模铸造工艺的结合可以很好解决前者无法打印金属材料而后者无法精确制造模型的问题。如果开发出更多符合这种要求的材料，也许这种结合的工艺可以得到更进一步的发展。

四．总结  本文以个人经历介绍了3D打印及消失模铸造的应用、使用材料及其各自的局限性，笔者认为3D打印与消失模铸造工艺的结合可以很好解决前者无法打印金属材料而后者无法精确制造模型的问题。如果开发出更多符合这种要求的材料，也许这种结合的工艺可以得到更进一步的发展。