快速成型技术(Rapid prototyping，RP)是20世纪80年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它将计算机上可见的设计图形，迅速、准确地变成产品原型或直接制造零件。因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提高市场竞争能力都具有重要的现实意义。而ZCAST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。ZCAST制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。ZCAST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，然后再用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、打印和浇注金属到铸造出零件生产周期可以少到2天。ZCAST铸件及模具效果如图1所示。
(a)铸件 (b)模具
图1 ZCAST铸件及模具
1 ZCAST工艺流程
ZCAST金属直接浇注通常包括5个步骤：
(1)用3维CAD软件设计出零件的模具及排气孔等；
(2)使用ZCAST粉末在三维打印机制作出快速模具原型件；
(3)烘干、固化快速模具并组合模子；
(4)浇注金属溶液；
(5)拆模并去掉火花，得到金属零件。
同时，ZCAST直接制模技术能够铸造出传统砂型铸造根本无法铸出来的铸件，如图2所示。如果不用近似形体方法这个部件将很难被铸造出来。它的几何形状使得设计分模线和内核几乎都是不可能的。制作的模具如图3所示。浇铸出的零件如图4所示。
图2 复杂零件
图3 制作的模具
图4 浇铸后取出铸件
2 自配制成型材料在直接金属铸造中的应用
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，销售价格很高为316元/kg，如表1所示。
表1 材料列表
2.1 配制成型材料的选用
在查阅ZCAST专利的基础上，通过实验自配置成型材料。实验先选用400目的ZP102石膏粉、200目的陶瓷材料氧化铝粉和100目的砂子，按6：3：1的质量百分比配比。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砂子颗粒太大的原因造成，由于砂子和氧化铝粉价格相差不大，故在后续实验中去掉砂子，只使用400目的石膏粉ZP102和200目的氧化铝粉。经过多次实验最终选用按4：6质量百分比配比的石膏粉和氧化铝粉配制的混合粉末。
2.2 弯管建模及模具设计
使用三维造型软件Pro/Engineer，建模出弯管零件，如图5所示。然后，利用Pro/Engineer软件的模具设计模块，对所构建的弯管进行模具设计，同时考虑所用成形材料的特点，对浇铸口和排气孔做详细的设计，如图6所示。再对所设计的模具进行模拟开模，如图7所示。
2.3 模具零件的STL文件转化并打印模具
对弯管的上下模及型心文件做STL文件转化，给下一步打印这些零件做准备。其中上模的吼转化效果、下模的转化效果及型芯的转化效果如图8所示。
图5 弯管图 图6 模具显示 图7 模拟开模
图8 上模、下模和型芯STL转化效果图
使用配制的40％的石膏粉和60％的氧化铝粉混合成形材料打印弯管的模具，打印出的原型件如图9所示。
图9 打印的模具 图10 浇注铝合金
2.4 浇注铝合金
装配好弯管的模具零件，浇铸铝合金溶液，首先把弯管的模具件放置在铸造用砂上，然后给模具周围铺好砂子，如图10所示。上模用两个压铁压住，防止抬箱现象发生。由于浇口太小，用一个塑料杯做一个漏斗形状的浇口，如图10所示。为了排气顺畅，排气孔处用细线条引到砂子的外面，浇铸前取出细线条，其目的是把排气孔从模具的边界引导到砂子的外面，为合格零件的生产做准备。
图11 处理前铸件 图12 处理后的铸件
浇铸700℃左右铝合金溶液后，打开模具，铸件如图11所示。去除火花后的零件如图12所示。
2.5 弯管零件浇铸时应注意的问题
弯管零件建模和模具设计过程相对比较简单，但弯管在浇铸时容易遇到型芯被铝合金溶液抬起的现象，将会导致铸件报废，因此在浇铸时应该注意压箱，并在型芯两端给予适当的固定。同时在设计模具时，必须确保排气孔的数量和大小，以保证排气顺畅，对产品的最终成功成形起决定性作用。
3 结束语
通过实验得出配置质量百分比为4：6的400目的石膏粉ZPl02和200目的氧化铝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，对教学示范用快速成型材料、企业新产品开发上的成本节约上起到了推动作用，缩短了产品开发周期。