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无模铸型的数字化快速铸造技术新进展

单忠德李新亚战丽董晓丽
机械科学研究总院先进制造技术研究中心北京100083

摘要：为建设资源节约型、环境友好型社会，急需开发节能、节材、降耗的新工艺、新技术，无模铸型的快速铸
造技术是近来国内外在近净成形技术方面研究的新热点，它建立在材料、机电一体化、计算机技术、自动化技术
等多学科高新技术基础上，改造了传统的毛坯成形工艺，具有数字化、精密化、柔性化、绿色化等特点，为单件
小批量零件的快速制造提供解决方案。
关键词：铸造无模铸型数控加工快速成形
中图分类号：TG24

0前言

为建设资源节约型、环境友好型社会，要求铸造过程能源消耗低、污染少、成品率高，铸件性能好。
近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。无模铸型的数
字化快速制造技术是近来国内外在近净成形技术方面研究的新热点，它是建立在新材料、机电一体化、计
算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技术，
为单件小批量零件的快速制造提供解决方案。
数字化快速铸造技术将是装备行业快速铸件制造技术的发展方向。目前无模铸型的数字化快速制造主
要包括离散堆积成形技术和去除加工成形技术。

1基于离散堆积原理的无模铸型制造技术

基于离散堆积原理的无模铸型制造技术近年来取得一定进展，通过以铸造用的陶瓷粉末或型砂为原
料，在CAD模型驱动下通过快速成形机，可以直接制成铸造用的型壳。在CAD环境中，直接将零件模型
转换为壳型，再配以浇冒口系统。型壳的厚度可取5～10mm，烧结或粘接过程中，非零件部分进行烧结或
粘接，零件部分仍是粉末。造型完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳。用此方法，省去
传统精密铸造过程中蜡型、泡沫塑料模、木模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变革。一般
一个壳型只能使用一次。目前典型的CAD直接铸型工艺主要有PCM(PatternlessCastingModeling)无模铸型
制造工艺、SLS(SelectiveLaserSintering)选择性激光烧结工艺、3D-P(3-DimensionalPrinting)工艺和德国
GS(Generissand)工艺。主要情况如下：
1.1PCM(PatternlessCastingModeling)工艺
PCM工艺称为无模铸型制造，它是将快速成形理论引进到树脂砂造型工艺中，采用轮廓扫描喷射固化
工艺，实现了无模型铸型的快速制造。该工艺由清华大学研制成功，并推出商品化机型。该工艺采用传统
树脂砂工艺中的水洗砂、树脂和固化剂，原材料的准备过程与传统工艺相同，与以上工艺相比无需单独制
备原材料，且成本低廉，铸型强度高，无需特殊的后处理，尤其适合制造大中型铸件。但该工艺对树脂砂
的用量较大，粘结剂成份高，进而导致加工精度不高，且加工获得的铸型透气性差，不适于对透气性要求
高的大型铸件的制造。
1.2选择性激光烧结铸型制造工艺(SelectiveLaserSintering)
选择性激光烧结SelectiveLaserSintering，简称SLS工艺。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.
Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化，推出SLSModel125成形机。德国EOS
公司和我国的北京隆源自动成形系统有限公司也分别推出了各自的SLS工艺成形机：EOSINT和AFS。SLS
工艺用于制造铸型型壳，若选用粒度较细的陶瓷粉和覆膜砂，选择较小的分层厚度，可以得到表面质量较

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好的铸型。但受成形设备成形空间和成形速度的限制，只适合于制造中小件。图1为采用SLS工艺直接制
造的铸型，其中美国WoodwardGovernor公司采用该技术技术(使用DTM公司的设备)制造复杂的飞行器
燃烧系统(图1d)。传统的工艺至少需要245天制造模具，84天制造金属零件，采用RP技术仅仅60天就制
造出金属零件，费用仅仅是传统工艺的20％。

a.曲轴b.缸体c.轿车操纵器d.飞行器燃烧系统
图1基于SLS工艺的快速铸造

1.33DP(3-DimensionalPrinting)工艺
3DP(ThreeDimensionalPrinting)工艺称为三维印刷，它采用逐点喷洒粘接剂来粘接粉末材料的方法制
造原型。该工艺由美国MIT研究成功，Soligen、ZCorp.等公司将其商品化。3DP工艺与SLS工艺类似，
采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过多
通道喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，粘结时只进行一次扫描，由于用粘接
剂粘接的强度较低，还必须将其置于加热炉中，作进一步的固化或烧