4、SLS 选择性激光烧结成型3D打印技术详细介绍

发表于 2016-11-14 11:01:29 显示全部楼层 6 5647

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SLS 选择性激光烧结成型技术概述:

选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering,SLS)最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard 于1989 年在其硕士论文中提出的,随后C. R. Dechard 创立了DTM 公司并于1992 年发布了基于SLS 技术的工业级商用3D 打印机Sinterstation。二十年多年来奥斯汀分校和DTM 公司在SLS 工艺领域投入了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上都取得了丰硕的成果。德国的EOS 公司针对SLS 工艺也进行了大量的研究工作并且已开发出一系列的工业级SLS 快速成型设备,在2012 年的欧洲模具展上EOS 公司研发的3D 打印设备大放异彩。在国内也有许多科研单位开展了对SLS 工艺的研究,如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等。

SLS 工艺使用的是粉末状材料,激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合,就这样材料层层堆积实现成型,图所示为SLS 的成型原理。
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目录
SLS 选择性激光烧结成型技术原理
SLS 选择性激光烧结成型技术特点
SLS 选择性激光烧结成型技术优缺点
SLS 选择性激光烧结成型材料
SLS选择性激光烧结成型知名3D打印机品牌
SLS 选择性激光烧结成型技术应用及经典案例分享
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 楼主| 发表于 2016-11-14 11:24:12 | 显示全部楼层
SLS 选择性激光烧结成型技术原理:

选择性激光烧结快速成型的原理:它是采用采用二氧化碳激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等)进行选择性烧结,是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。

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此种快速成型的加工流程:在开始加工之前,先将充有氮气的工作室升温,并保持在粉末的熔点一下。成型时,送料筒上升,铺粉滚筒移动,先在工作平台上铺一层粉末材料,然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结,使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后,工作台下降一截面层的高度,在铺上一层粉末,进行下一层烧结,如此循环,形成三维的原型零件。最后经过5-10小时冷却,即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件,当烧结工序完成后,取出零件。粉末材料选择性烧结工艺适合快速成型中小件,能直接的到塑料、陶瓷或金属零件,零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结,加上工作室需要升温和冷却,快速成型时间较长。此外,由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制,零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后,须将它置于加热炉中,烧掉其中的粘结剂,并在孔隙中渗入填充物,其后处理复杂。

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 楼主| 发表于 2016-11-14 11:37:28 | 显示全部楼层
SLS 选择性激光烧结成型技术特点:

①过程与零件复杂程度无关,是真正的自由制造,这是传统方法无法比拟的。SLS与其它RP不同,不需要预先制作支架,未烧结的松散粉末作了自然支架。SLS可以成型几乎任意几何形状的零件,对具有复杂内部结构的零件特别有效。

②产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发或单件、小批量零件的生产。

③生产周期短,从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时,整个生产过程数字化,可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新产品的开发。

④与传统工艺方法相结合,可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能,为传统制造方法注入新的活力。

⑤材料范围宽,任何受热粘结的粉末材料都有被用作SLS原材料的可能性。材料无浪费,未烧结的粉末可重复使用。

⑥应用面广。由于成型材料的多样化,使得SLS适合于多种应用领域,如原型设计验证、模具母模、精铸熔。
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 楼主| 发表于 2016-11-14 11:37:29 | 显示全部楼层
SLS 选择性激光烧结成型技术优缺点:

优点:

1、 与其他工艺相比,能生产较硬的模具。
2、 可以采用多种原料,包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。
3、 零件的构建时间较短,可达到1in/h高度。
4、 此种快速成型工艺无需设计和构造支撑。

缺点:

1、有激光损耗,并需要专门实验室环境,使用及维护费用高昂。
2、需要预热和冷却,后处理麻烦;
3、 快速成型表面粗糙多孔,并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。
4、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性,加工成本高。
5、 快速成型过程产生有毒气体和粉尘,污染环境。
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 楼主| 发表于 2016-11-14 12:13:24 | 显示全部楼层
SLS 选择性激光烧结成型材料:

目前,在SLS系统上已经成功的用石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料进行了烧结。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能广泛,适合多种用途,所以SLS的应用越来越广泛。以下是主要SLS成型材料:

1、工程塑料(ABS)

ABS与聚苯乙烯同属热塑性材料,其烧结成型性能与聚苯乙烯相近,只是烧结温度高20℃左右,但ABS成型件强度较高,所以在国内外被广泛用于快速制造原型及功能件。

2、聚苯乙烯(PS)

聚苯乙烯受热后可熔化、粘结,冷却后可以固化成璎,而且该材料吸湿率小,收缩率也较小,其成型件浸树脂后可进一步提高强度,主要性能指标可达拉伸强度≥15MPa、弯曲强度≥33MPa、冲击强度>3MPa,可作为原型件或功能件使用,也可用做消失模铸造用母模生产金属铸件,但其缺点是必须采用高温燃烧法(>300℃)进行脱模处理,造成环境污染,因此,对于PS粉原料,针对铸造消失模的使用要求一般加入助分解助剂。

如DTM公司的商业化产品TrueForm Polymer。其成型件可进行消失模制造,但其价格昂贵,达89.5$/kg。

3、聚碳酸酯(PC)

对聚碳酸酯烧结成型的研究比较成熟,其成型件强度高、表面质量好,且脱模容易,主要用于制造熔模铸造航空、医疗、汽车工业的金属零件用的消失模以及制作各行业通用的塑料模。如DTM公司的DTM Polycarbanate。但聚碳酸酯价格比聚苯乙烯昂贵。国内北航对聚碳酸酯(PC)进行了研究,探讨其烧结工艺过程以提高成型件精度。

4、蜡粉

传统的熔模精铸用蜡(烷烃蜡、脂肪酸蜡等),蜡模强度较低,难以满足精细、复杂结构铸件的要求,且成型精度差,所以DTM研制了低熔点高分子蜡的复合材料;

5、尼龙(PA)

尼龙材料用SLS方法可被制成功能零件,目前商业化广泛使用的有4种成分的材料。

1)标准的DTM尼龙(Standard Nylon),能被用来制作具有良好耐热性能和耐蚀性的模型;

2)DTM精细尼龙(DuraForm GF),不仅具有与DTM尼龙相同的性能,还提高了制件的尺寸精度、降低表面粗糙度,能制造微小特征,适合概念型和测试型制造,但价格高达188$/kg(人民币约1500元/kg);

3)DTM医用级的精细尼龙(Fine Nylon Medi—cal Grade),能通过高温蒸压被蒸汽消毒5个循环;

4)原型复合材料(ProtoFormTM Composite)是DuraForm GF经玻璃强化的一种改性材料,与未被强化的DTM尼龙相比,它具有更好的加工性能,表面粗糙度Ra=4~51“m,尺寸公差O.25 mm,同时提高了耐热性和耐腐蚀性。

同时,EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料(PA3200GF,有点类似于DTM的DuraForm GF),这种材料可以产生高精度和很好的表面光洁度。

6、金属粉末

采用金属粉末进行快速成型是激光快速成型由原型制造到快速直接制造的趋势,它叮以大大加快新产品的开发速度,具有广阔的应用前景。金属粉末的选区烧结方法中,常用的金属粉末有3种:

1)金属粉末和有机粘结剂的混合体,按一定比例将2种粉末混合均匀,然后用激光束对混合粉末进行选择烧结,其混合方法包括2种:

a.利用有机树脂包覆金属材料制得的覆膜金属粉末,这种粉末的制备工艺复杂,但烧结性能好,且所含有的树脂比例较小,更有利于后处理;

b.金属与有机树脂的混合粉末,制备较简单,但烧结性能较差。

在包衣粉末或混合粉末中,粘结剂受激光作用迅速变为熔融状态,冷却后将金属基体粉末粘结在一起,烧结时通常需要保护气,其成型件的密度和强度较低,如作为功能件使用,需进行后续处理,包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗(如渗铜)等工序,即可制得用于塑料零件生产的金属模具或放电加工用电极。

美国Harrisl、Marcus等人对60Cu40PMMA混合粉末进行了烧结,经后处理工艺,相对密度在84%~96%之间。

美国DTM公司已经商业化的金属粉末产品有:

a.ORapidSteel1.0,其材料成分为1080碳钢金属粉末+聚合物材料,平均粒度为55弘m,聚合物均匀覆在粉粒的表面,厚度为5肚m,激光功率30 W,成型坯件的密度是钢密度的55%,强度可达2.8MPa,所渗金属可以是纯铜,也可以是青铜,这种材料主要用来制造注塑模.

b.在RapidSteel1.O基础上发展RapidSteel 2.O,其烧结成型件完全密实,达到铝合金的强度和硬度,能进行机加工、焊接、表面处理及热处理,可作为塑料件的注塑成型模具,注塑模的寿命已达10万件/副,也可以用来制造用于Al、Mg、Zn等有色金属零件压铸模,压铸模的寿命只有200~500件/副;

c.copper Polyamide基体材料为铜粉,粘结剂为聚酰胺(polyamide),其特点是成型后不需二次烧结,只需渗入低粘度耐高温的高分子材料(如环氧树脂等),成型件可用于常用塑料的注塑成型,但模具的寿命只有100~400件/副。

这些产品价格较昂贵,南京航空航天大学在RPMII设备上对粉末材料:铁粉(79%或钨粉)、聚酯粘结剂(21%)进行烧结,经渗铜处理得到EDM电极,并进行了EDM放电试验,试验表明,当采用的放电加工参数合理时,电极的体积损耗可降到4%或更低,接近于纯铜。华北工学院开发的覆膜金属粉(CMPl),成分为覆膜1Cr18Ni9粉末,烧结成型温度140℃,烧结件变形很小,成型尺寸精度土0.15 mm。吉林工业大学用有机树脂包覆的铁基合金98Fe2Ni也进行了烧结研究。

2)两种金属粉末的混合体,其中一种熔点较低,起粘结剂的作用,GScherer研究了Cu-Ni,wC、Co-Ni等复合材料的SLS直接成型,结果发现,高熔点材料的烧结成型类似于液相烧结,激光能量将复合组分中低熔点的成分熔化,形成的液相将固相浸润,冷却后低熔点液相凝固将高熔点组分粘结起来。

所以,多元金属粉末中的粘结相大多采用的是金属Sn等低熔点材料,所选低熔点金属的熔点较低,而低熔点金属材料的强度一般也较低,使得制成的烧结件强度也低,性能很差。为了提高烧结件的性能,必须提高多元金属粉末中低熔点金属的熔点,最好用熔点接近或超过1000℃的金属材料作为粘接剂,用更高熔点金属作为合金的基体,高熔点金属原子间结合力强,高温下不易产生塑性变形,即抗蠕变能力强,才能得到力学性能、尺寸精度、表面质量、金属密度等可以满足使用要求的金属零件及模具,因此高熔点金属粉末激光直接烧结成形的研究倍受人们的关注。

美国Austin大学的Agarwda等人选用Cu-Sn,Ni-Sn或青铜锡粉复合粉末进行SLS成型研究,并成功地制造出金属零件。比利时的Schueren等人选用Fe-Sn、Fe-Cu混合粉末,Bourell等人选用Cu(70Pb30Sn)粉末材料进行了烧结试验,均取得了满意的结果。Kruth等也进行了Fe-Cu合金粉末的成功烧结。

南航用Ni基合金16CR4B4SI(粒度150目)混铜粉(FTD4,粒度200目)进行烧结成型的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。中国科学院金属所和西北工业大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成型。

3)单一的金属粉末,对单元系烧结,特别是高熔点的金属,在较短的时间内需要达到熔融温度,需要很大功率的激光器,直接金属烧结成形存在的最大问题是因组织结构多孔导致制件密度低、力学性能差。

G.Zong等研究了带气体保护装置的铁粉直接烧结成形,成型后的密度可达到48%,要进一步提高其性能,还需进行致密化等其它处理。Hmse于1989年对铁粉进行了研究,烧结的零件经热等静压处理后,相对密度达90%以上。近年来,Austin大学也对单一金属粉末激光烧结成型进行了研究,成功地制造了用于Fl战斗机和AIM9导弹的INCONEL625超合金和Ti6A14合金的金属零件。美国航空材料公司采用脉冲Nd:YAG激光器已研究成功并用于开发先进钛合金构件的激光快速成型。

7、覆膜陶瓷粉末

选择性激光烧结陶瓷粉末是在陶瓷粉末中加入粘结剂,其覆膜粉末制备工艺与覆膜金属粉末类似,被包覆的陶瓷可以是Al2O3,ZrO2和SiC等,粘结剂的种类很多,有金属粘结剂和塑料粘结剂(包括树脂、聚乙烯蜡、有机玻璃等),也可以使用无机粘结剂。如邓琦林等用Al2O3(熔点为2 050℃)为结构材料,分别以PMMA、NH4H2PO4(熔点为190℃)和Al作为粘结剂,按一定的比例混合均匀烧结,经二次烧结处理工艺后获得铸造用陶瓷型壳,用该陶瓷型壳进行浇注即获得制作的金属零件。

8、覆膜砂

覆膜砂采用热固性树脂如酚醛树脂加入锆砂、石英砂的方法制得,利用激光烧结方法,制得原型可直接用做铸造用砂型(芯)来制造金属零件,其中锆砂具有更好的铸造性能,尤其适用于具有复杂形状的有色合金铸造如镁、铝等合金的铸造。美国DTM公司的覆膜锆砂(SandForm Zr)其冷壳拉伸强度达3.3 MPa,用于汽车制造业及航空工业等砂型铸造模型及型芯的制作。型砂与低熔点的高分子材料有两种混料方法,一种是机械混合,另一种是将高分子材料加热熔化,把型砂倒入,搅拌均匀,使型砂表面覆盖一层高分子材料。覆膜砂的烧结性能好,故较常用。

9、纳米材料

对于纳米材料,由于其颗粒直径极其微小,比表面积很大。在不是很大的激光能量冲击作用下,纳米粉末就会发生飞溅,因而利用SLS方法对于单项纳米粉体材料的烧结成型比较困难。对于纳米材料激光烧结温度的控制,一般是对于聚合物纳米材料采用固相烧结的方法;对于陶瓷纳米材料的烧结采用液相烧结的方法;对于金属纳米材料由于其具有易燃、高爆炸,目前直接成型烧结研究的不是太多。Zhigang Fang在研究纳米WC-Co在烧结过程中晶粒长大时发现在烧结的最初5min内WC晶粒已经发生了充分的长大,超越100 nm达到亚微米级尺度。因此,如何通过控制烧结工艺来控制纳米晶粒在烧结过程中的晶粒长大,已经成为能否获得纳米材料的一个关键问题。南航赵剑锋等将Al2O3纳米粉体与其他大颗粒粉末按一定比例混合进行烧结(一般为纳米粉体材料总量的3%~5%,根据具体情况可达15%),由于大颗粒粉末的存在,使混合粉末的松散密度增大,可以有效地抑制烧结过程中粉末材料的飞溅,有利于烧结。同时,他们正在开展激光与金属超微粒子相互作用机理的研究工作。
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 楼主| 发表于 2016-11-14 13:31:09 | 显示全部楼层
SLS选择性激光烧结成型知名3D打印机品牌:

国内知名SLS技术装备公司:

华中科技大学武汉滨湖机电技术产业有限公司 、北京隆源自动成形系统有限公司、湖南华曙高科技有限公司等等。

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国外知名SLS技术装备公司:

德国EOS公司、美国DTM公司、3D Systems公司等等。

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 楼主| 发表于 2016-11-17 11:16:56 | 显示全部楼层
SLS 选择性激光烧结成型技术应用及经典案例分享:

选择性激光烧结快速成型(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping) 技术(简称SLS技术)由于具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点,得到了迅速的发展,正受到越来越多的重视。它的应用已从单一的模型制作向快速模具制造(Rapid Tooling, 简称 RT)及快速铸造(Quick Casting, 简称QC)等多用途方向发展。其应用领域涉及航空、航天、机械、汽车、电子、建筑、医疗及美术等行业。目前,SLS技术的应用主要包括以下几个方面。

1、快速原型制造
利用快速成型方法可以方便、快捷地制造出所需要的原型,主要是塑料(PS、PA、ABS等)原型。它在新产品的开发中具有十分重要的作用。通过原型,设计者可以很快地评估设计的合理性、可行性,并充分表达其构想,使设计的评估及修改在极短的时间内完成。因此,可以显著缩短产品开发周期,降低开发成本。具体地讲,它主要有以下三个方面的用途。

(1)外形设计考查
很多产品特别是家用电器、移动通讯工具及汽车等对外形的美观和新颖性要求极高。传统检验外形的方法是用 CAD 将产品图形显示于计算机屏幕,但这种方法实际直观性太差。采用快速原型制造方法可以在极短的时间内,用低廉的造价直接做出设计模型,供设计人员及用户审查,修改设计后再进行检验,直到满意为止。

(2)功能检测
设计者使用 RP原型可以迅速进行功能检测,如流动分析、应力分析、空气动力学分析等,确定是否最好地满足设计的要求,从而优化产品设计。如风扇、风鼓等的设计,可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。

(3)装配干涉检验
对新产品的开发,尤其是在有限空间内的复杂系统,其装配干涉检验是十分必要的。SLS原型可以用来制作装配模拟件,观察各零部件之间是否协调配合,如何相互影响。通过上述检验可以在最短时间内成功地完成设计。

2、快速模具制造
利用SLS技术制造模具有直接法和间接法两种。直接制模是用SLS工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具;间接制模则是用快速成形件做母模或过渡模具,再通过传统的模具制造方法来制造模具。

(1)直接制模
① 直接制造树脂模
使用 SLS 方法利用尼龙等成型材料可直接制作树脂模。上述材料经快速成型机制作出模具,然后将制作完成的模具,组合在注射模的模座上,用于实际的注射成型。也可制作出中空模具,以金属树脂灌注之,以强化内部结构,并且在模具表面,渗上一层树脂进行表面结构强化,即可承受注射成型的压力、温度,从模具烧结成型至注射塑料产品只需花费5~6天的时间。上述树脂模也可以作为吸塑模和型腔模使用。

②直接制造金属模具
利用SLS工艺直接制造金属模具是目前世界发达工业国家都在研究的领域,主要有以下三种途径:

第一,金属粉末大功率激光烧结成型技术
利用高功率激光(1000 W以上)对金属粉末进行扫描烧结,逐层叠加成型,成型件经表面后处理(打磨、精加工)即完成模具制作,制作的模具可作为压铸模、锻模使用。该方法与激光熔敷的工艺原理是一致的。

第二,混合金属粉末激光烧结成型技术
成型粉末为两种金属粉末的混合体,其中的一种熔点较低,起粘结剂的作用,利用低功率激光快速成型机对混合粉末进行激光烧结即可直接制作金属模具,用于批量较大的塑料零件和蜡模的生产。

第三,金属—树脂粉末激光烧结成型法
使用 SLS 方法,以覆膜金属粉末或金属与树脂的机械混合粉末为成形原料,通过选区烧结得到金属粘结实体,再经后处理(脱脂、高温烧结、渗金属等),直接形成金属模具。

(2)间接制模
间接制模的方法较多, 比较常用的有以下三种。

① 金属喷涂制模法
采用喷枪将金属喷涂到快速成形的原型上形成一个金属硬壳层,将其分离下来,用填充铝粉的环氧树脂或硅橡胶支撑,即可制成注塑模具的型腔。这一方法省略了传统加工工艺中的详细画图、数控加工和热处理等三个耗时费钱的过程,因而成本只有传统方法的几分之一。

②硅橡胶模法
硅胶模的制备方法是将液体硅胶按照快速成形母模的分型线依次浇铸,待硅胶固化后, 再将母模脱去,形成一副橡胶模具。硅胶模的特点是制模过程简单,不需专门设备,脱模容易。硅胶模适宜于蜡、树脂、石膏等浇铸成型方法。广泛应用于精铸蜡模的制作、艺术品的仿制和生产样件的制备。

③振动研磨法
振动研磨法是一种利用快速成形原型母模直接加工石墨电极(电火花加工用)的方法。首先利用原型制作一个 Sin 环氧树脂的负型做为研磨头,将研磨头和石墨块安放在专用的石墨电极研磨机上,研磨头产生微小旋振, 不断研磨石墨本体,在石墨块上研磨出与研具形状相反, 而与零件形状相同的石墨电极。

用振动研磨法加工石墨电极,使电极的加工自动化。一个研磨头可以反复用来研磨电极。一个损耗了的电极经过研磨头的修复即可复原。用快速成型制作电极的母模具有快速、精度高、尺寸易修改的特点。

3、快速铸造

铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中,模板、芯盒、蜡模压模等一般都是机加工和手工完成的,不仅加工周期长、费用高,而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件,模具的制造一直是个老大难问题,快速成型技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。可以通过以下三种方法实现快速铸造。

(1)用快速成形技术直接制造精铸用蜡模和树脂消失模。

SLS 方法可以用蜡或可消失性树脂为原料,直接制造精铸用的蜡模和树脂消失模,再用传统的精铸工艺,进行涂壳、脱蜡、焙烧等,得到铸造型壳。对于树脂消失模,采用高温闪烧法,迅速将树脂分解脱去。残留灰分少,不涨壳、精度高,非常适宜于薄壁的复杂结构铸件生产。

采用快速成型技术, 可以对收缩造成的尺寸误差进行校正,如果铸出成品的尺寸超差,可以立即对 CAD 模型进行修改,再做出第二件蜡模与树脂模。这种方法尤其适用于形状复杂的单件或小批量的铸件生产,如飞机叶片、叶轮等等特殊件。国外公司已用此方法制造了飞机叶轮、摩托车汽缸头、无链条自动车中轴等铸件。

(2)用快速成形原型代替铸造中的木模或制造铸造模具。

用SLS技术制作的树脂原型或陶瓷原型代替木模,不仅大大缩短了制模时间,而且激光成型的原型水平远比木模要高, 强度和尺寸稳定性优于木模。特别是对于难以加工、需要多种组合的木模用快速成型模的优点就更为突出。
快速成形原型还可用于制造硅胶模或石膏模、陶瓷模的母模,翻制成模具再制作蜡型芯壳或直接浇铸,这种方法适合于小批量铸件的生产, 用翻硅胶模的方法,借助快速成形原型生产出了人造骨、人体头像、涡轮等零件的蜡模和铸件。

(3)用快速成形技术直接成型铸造型壳、型芯和蜡模的压型。

用铸造用覆膜陶瓷为原料, 可以一步制成铸造用的型壳,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。烧结过程中,非零件部分进行烧结,零件部分仍是粉末。烧结完成后,将粉末倒出再经过固化处理就或为铸造用的型壳。此方法省去了传统精铸过程中蜡型制作、涂壳、脱蜡等多道工艺过程,是对传统铸造过程的重大变革。
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