1 前言
快速原型技術（RP&M）是一種基于離散堆積思想，采用“分層制造，逐層疊加”原理，在計算機控制下，根據(jù)零件CAD 模型，進行材料三維精確堆積的零件或原型快速制造技術[1]?？焖僭图夹g發(fā)展至今，出現(xiàn)了多種新工藝，其中較成熟的主要有[2，3]光固化立體造型技術SLA、熔融沉積造型技術FDM、選擇性激光燒結SLS、分層實體制造LOM、氣相沉積成型技術LVD、三維打印成型技術3DP 等。本文使用的快速原型工藝是3DP，其打印過程原理。本文采用的快速模具制造技術是在快速成型技術的基礎上發(fā)展的一種新工藝過程,是由某理工學院發(fā)明申請的專利，由美國Z Corp 公司商業(yè)化實施的一種新工藝[4]。在快速原型機上使用陶瓷粉末打印出快速模具零件，模具零件經(jīng)過烘干、固化等處理后，直接對模具澆注金屬液的一個新工藝過程。使用此快速模具澆注金屬溶液工藝和砂型鑄造工藝基本一樣，但生產(chǎn)制作一個零件僅需要幾天。用戶使用三維CAD 軟件直接做出上下模具、型心和殼子，再把模具零件的文件格式轉化為快速原型機接受的STL文件格式，然后用Z Corp 公司生產(chǎn)的快速成型機打印出模具。模具一旦做好就可以裝配和澆注金屬液。從制作零件圖、打印和澆注金屬到鑄造出零件生產(chǎn)周期可以少到2 天，縮短了產(chǎn)品研究開發(fā)周期。
2 基于快速原型技術的手輪模具制造
根據(jù)美國的能夠直接澆注金屬液的成型材料專利技術描述，此成形材料，既能用來制作快速原型件、快速模具件，也可以將快速模具零件裝配起來直接澆注金屬溶液。其成分主要是石膏粉、陶瓷材料和砂子，由于該成型材料受美國專利保護，銷售價格很高，每千克316 元。
2.1 自配制成型材料的選用在查閱該成型材料專利的基礎上，通過實驗自配置成型材料。實驗選用400 目的ZP102 石膏粉、200 目的陶瓷材料氧化鋁粉，按一定的質量百分比配比。經(jīng)過多次實驗最終選用按4：6 質量百分比配比的石膏粉和氧化鋁粉配制的混合粉末。
2.2 手輪建模及模具設計使用Pro/Engineer 三維造型軟件，按照建模步驟建模出手輪，。建模完畢后，對手輪進行模具設計。手輪的結構設計好后，使用Pro/Engineer 模具設計模塊設計出手輪的模具，由于使用的成形材料的透氣性差，需多開氣孔，保證澆鑄時排氣的順暢；并進行模擬開模。
2.3 STL 文件轉化并打印模具在打印前，對模具文件進行STL 格式轉化，轉化后的STL 模具， 在快速原型機上打印手輪的模具，打印出的原型件如圖6 所示。
3 在直接金屬鑄造技術中的應用
3.1 澆注鋁合金將打印好的模具經(jīng)過烘干處理并裝配起來，放置在砂子上面，周圍用砂子埋好，為了防止金屬液將模具抬起分開，在裝配好的快速模具上面對稱放置兩個壓塊。澆鑄鋁合金后，打開模具，鑄件如圖8 所示。
3.2 手輪零件的特點手輪零件的建模、模具設計的過程也相對簡單，但由于輪輻的尺寸相比較其他尺寸較小，在澆注金屬溶液時易出現(xiàn)缺陷，同時打印出的手輪模具各個部件裝配過程中容易破壞。在本次實驗過程中，所打印的手輪模具件烘干后強度較好，排氣孔設置合理，所以成功鑄造出手輪。
4 結論
通過實驗得出自配置的手輪成型材料不但能夠成型出快速原型件、快速模具件，而且將做好的手輪快速模具件經(jīng)后處理裝配起來，可以直接澆注金屬溶液，同時大大降低了快速成型材料的手輪成本。