快速原型技术(RP&M)是一种基于离散堆积思想，采用“分层制造，逐层叠加”原理，在计算机控制下，根据零件CAD模型，进行材料三维精确堆积的零件或原型快速制造技术。快速原型技术发展至今，出现了20多种新工艺，其中较成熟的主要有光固化立体造型技术SLA(Stereolithography Apparatus)、熔融沉积造型技术FDM(Fused Deposition Modeling)、选择性激光烧结SLS(Selected Laser Sintering)、分层实体制造LOM(Laminate Objected Manufacturing)、气相沉积成型技术LVD(Laser Vapor Deposition)、三维打印成型技术3DP(Three Dimension Printer)等。本课题使用的快速原型工艺是3DP，其成型过程原理见图1。

 

图1 3DP成型过程原理图

    直接金属铸造技术是在快速成型技术的基础上发展的一种新工艺过程，是由麻省理工学院发明申请的专利，由美国Z Corp公司商业化实施的一种新工艺。在快速原型机上使用陶瓷粉末打印出快速模具零件，模具零件经过烘干、固化等处理后，直接对模具浇注金属液的一个新工艺过程。直接金属铸造工艺和砂型铸造工艺基本一样，但是生产一个零件仅需要几天而不是几周。用户使用三维CAD软件直接做出上下模具以及型心和壳子，再把模具零件的文件格式转化为快速原型机接受的STL文件格式，然后用Z Corp公司生产的快速成型机打印出模具。模具一旦做好就可以装配和浇注金属液。从制作零件图、打印模具和浇注金属到铸造出零件的生产周期可以少到2天。

1 基于快速原型技术的齿枪模具制造
    根据美国的ZCAST专利技术描述，ZCAST粉末是一种成形材料，既能用来制作快速原型件，也可以用来进行ZCAST铸造。其成分主要是石膏粉、陶瓷材料和砂子，由于ZCAST粉末受美国专利保护，销售价格很高，见表1。

表l 材料列表

1.1 自配制成型材料的选用
    在ZCAST专利的基础上，通过试验自配置成型材料。试验先选用400目的石膏粉ZP102、200目的陶瓷材料Al2O3粉和100目的砂子，按质量比6：3：1配料。按照上述配比打印快速成型件后，成型件坍塌，成型失败，观察成形件并分析原因，认为是砂子颗粒太大造成的，由于砂子和A1203粉价格相差不大，故在后续试验中去掉砂子，只使用400目的石膏粉ZP102和200目的Al2O3粉。经过多次试验最终按石膏粉ZP102和AI203粉的质量比4：6配制混合粉末。
1.2 齿轮建模及模具设计
    使用三维造型软件Pro/Engineer，按照建模步骤模拟出直齿轮，见图2。建模完毕后，对齿轮进行模具设计。

图2  齿轮零件

    齿轮的结构设计好后，使用Pro/Engineer模具设计模块设计出齿轮的模具，由于使用的成型材料的透气性差，需多开气孔，保证浇注时排气的顺畅，见图3，并进行模拟开模，见图4。

1.3 STL文件转化并打印模具
    在打印前，对模具文件进行STL格式转化，转化后的STL模具见图5。在快速原型机上打印齿轮的模具，打印出的原型件见图6。

图5 齿轮模具STL转化

图6  打印的模具

2 在直接金属铸造技术中的应用
2.1 浇注铝合金
    将打印好的模具经过烘干处理并装配起来，放置在砂子上面，周围用砂子填好，同时用细线把排气孔引到外面，由于浇注口太小，另设计一个漏斗形浇口。浇注铝合金后，打开模具，即可得铸件。
2.2 齿轮零件的特点
    齿轮零件的建模比一般零件复杂，同时模具设计的过程也较困难，打印出的齿轮模具各个部件装配过程中容易碰坏轮齿。在试验过程中，所打印的齿轮模具件烘干后强度较好，排气孔设置合理，成功铸造出齿轮。
3 结语
    通过试验得出质量比为4：6的400目的石膏粉ZP102和200目的Al2O3粉的混合粉末可以使用在ZCAST直接金属铸造技术中，这种混合材料不但满足要求，而且大大降低了制作成本。