用FDM的ABS快速原型件熔模铸造1、介绍熔模铸造是一种经济的制造金属件方法，在某些情况下甚至是唯一的方法，比如：内凹，薄壁或其他难以制造的复杂结构。

小批量生产时熔模铸造不利的一点是很长的准备时间和高昂的蜡模制造费用。

做为蜡件的代替品，快速成型件可以为您节省大量的时间和费用。

一共6个铸造厂家参与了这项旨在评定由Stratasys 公司制作的ABS快速成型样件进行熔模铸造的测试。

ABS样件是用来替代通过模具生产出来的蜡模。

这些工厂都有使用不同工艺快速成型件的经验。

此项实验的可行性报告是9个月前完成的，我们将测试3种样件。

2、目的我们希望通过这个报告为FDM用户和铸造厂提供用不同材料熔模铸造的基本资料。

对于希望使用FDM样件熔模铸造的用户，这份报告提供了一些基本原理说明。

对于有经验的铸造厂来说，这个报告可以让他们了解到ABS与其他的快速成型件如环氧树脂，纸或其他材料相比的优越性。

最后，对于有一点或者完全没有经验的铸造厂，这个报告将揭示熔模铸造的过程以及使用ABS熔模铸造需要注意的方面。

3、ABS同蜡件的比较传统的熔模铸造使用的蜡件是通过蜡模制作的，这个过程与注塑相似，而通常使用的模具为铝模。

今天，这种工艺已经被广泛的理解和接受。

Stratsys提供了另一种模式，这种模式不需要使用铝模。

我们提供两种适合这项工艺的材料，蜡和ABS。

蜡材可以用于FDM1600，FDM1650，FDM2000；ABS 可用于FDM1600，1650，2000，8000和FDM QUANTUM。

4、先进性和不足点：使用这几种材料的优缺点请参考表1。

几种材料分别是FDM ABS，FDM 蜡，铝模制作的蜡。

表1. 原型用FDM 的ABS，FDM 的蜡和传统蜡模优缺点对比5一、普通熔模铸造过程在熔模铸造件的传统生产过程中，每个蜡模都有用蜡焊接的浇口和出气口附着在其上，一个或更多的这些子装配件被称为树并且用几个陶瓷层成壳，开始用硅胶固定二、快速成型件用于熔模铸造如果使用快速原形样件，首先安上蜡制的浇冒口和排气管，然后涂覆陶瓷浆，这些过程与普通熔模铸造是相同的。

之后我们要把ABS件放到能够升温到1093度以上的热炉中脱蜡。

脱蜡完成后清理残余灰烬并且检查模壳是否有裂缝。

之后的过程与普通熔模铸造完全相同。

材料特性以下报告描述了ABS的材料特性，图表2是普通ABS得到的结果，图表3是Stratasys ABS的结果。

7、实验室测试这些测试的主要目的是得到并确定ABS件关于熔模铸造方面的典型参数，实验在3个不同实验室进行，这些测试包括：热膨胀测试，热分解测试，灰烬分析。

8、热膨胀测试热膨胀测试报告是Ransom and Randolph实验室提供的。

这些数据让我们了解ABS膨胀同温度的关系。

测试时我们使用了Orton温度计，测试温度达到了2912华氏度（1600摄氏度）。

这些装备为我们提供了线性热膨胀率。

ABS件是由FDM2000制造的，样件的几何形状为0.7和0.5英寸直径，长度2英寸的圆柱体。

不同成型方向各制造一件（水平/垂直）第1部分：0.75英寸直径, 2英寸长度, 垂直加工方向.第2部分：0.5英寸直径, 2英寸长度, 垂直加工方向.第3部分：0.5英寸直径, 2英寸长度, 水平加工方向.测试结果如表4所示.附件A详细介绍了这些测试得到的数据,根据这些资料,我们得到以下结论:1、平均线形热膨胀率是0.24%或者0.0024英寸/英寸2、第2种样件热膨胀率是0.24%3、第3种样件在类似温度下热膨胀率为0.19%4、我们比较第2种和第3种样件时（尺寸完全一样，成型方向不同），结果略有不同资料同时显示，在105到178度之间，ABS零件开始软化，并且开始稳定，不再膨胀。

这也证明了ABS 材料有着很低的热膨胀率。

9、同环氧基树脂（SLS所用材料）的比较固体ABS材料的热膨胀率远小于环氧基树脂，这些测试显示平均热膨胀率为0.24%，在最高温度时为0.35%。

而环氧基树脂的热膨胀率是直线上升的，在250度左右达到3.5%。

这就是为什么用环氧基树脂熔模铸造时必须挖空并且一定要完全脱蜡后才能焙烧。

10、热分解实验以下报告是由Schenectady Materials and Processes实验室提供的，目的是测试并确定合适ABS的焙烧温度。

同时测试吹氧和吹惰性气体时的区别。

我们使用TGA方式来测量温度升高时质量的减少，TGA测试质量减少的重要性在于可以准确确认完全分解所需要的温度。

测试温度范围为0-1000摄氏度。

TGA测量的结果参见附件B，向我们揭示以下几点：1、空气环境相比惰性气体环境能够或获得更好的效果。

2、空气环境相比惰性气体环境能够在较低的温度下被热分解。

3、在1000度时，两种不同环境产生的灰烬质量基本相同。

图表5总结了TGA测试的结果，研究表明，在有氧环境，95%的部分在300度到400度之间就烧掉了，剩余的材料在575度的时候被熔失。

在惰性气体环境下，87%的部分在450度时被熔失，2%在575度被熔失，在1000度时，全部被熔失，没有任何可见残余物，仪器显示还有1%剩余物质。

样件的体积是4盎司，所以剩余物质的读数接近于0。

11、残留灰烬我们还做了一个灰烬残余量的测试，以下数据是由Howmet Research Company 提供的：一个标准尺寸重量4盎司的ABS样件在800度焙烧1个小时后，残余物为0.021%，这个数据低于熔模铸造所要求的0.05%标准。

12、灰烬形态我们同时请Schenectady Materials and Processes Laboratory Incorporated对灰烬形态做了测试，实验使用40克重的ABS样件，在陶瓷坩埚里加热一晚（550度）。

所得到的灰烬有部分粘在了坩埚壁上，不过很容易去除。

显微镜显示灰烬为褐红色及黑色，并且结构稳定，颗粒微细，测试结果请参考附件C。

13、铸造项目此部分涉及到的少数铸造厂家都是实际使用ABS做熔模铸造的成功应用者14、参与者以下是这次参与实验的铸造厂家，很感谢他们提供了大量宝贵资料和建议，从而确保了这个项目的成功。

他们之中的任何一家都具有用ABS件进行熔模铸造的设备和实力。

各铸造厂的详细资料请参考附件D。

Aurora Casting and Engineering，加里福尼亚州，美国BarroncCast，Inc 密歇根州，美国High Tech Castings，Inc 俄亥俄州，美国Nu-Cast，Inc汉普郡，英国Shellcast Foudries，Inc魁北克，加拿大Solidform，Inc 德克萨斯，美国15、铸造计划此部分包括两个阶段。

阶段一阶段一最主要的任务是寻求并挑选合适的铸造厂参与这次的测试计划。

主要根据以下几个要求进行选择：一、此次实验之前对快速成型件的经验二、是否有兴趣在研究开发方面投资三、地理位置根据这些条件，我们选择了两组厂家，分别使用含铁材料和非铁金属材料。

为了方便同其他快速成型技术相比较，我们采用一个工业标准模型作为铸造对象。

第一阶段的测试我们主要解答以下问题：一、这种工艺是否可行？二、是否能够得到可用零件？三、有什么需要改进？由于大多数参与实验的厂家都有过使用快速成型件熔模铸造的经验，而且都做过名为波音飞机用门托架的样件。

所以我们决定从制造门托架开始。

每个工厂计划做五件铸造件，实际生产了总共27件。

参见附图1。

样件测试结果下排从左至右：Sloidform-铝，High Tech Castings-铝，High Tech Castings-铜，Aurora Cast-不锈钢上排从左至右Nu-Cast-铝，ABS件，Barroncast-碳钢阶段二阶段二最主要的任务是设计并制造2个铸造件，这2个样件要最大限度体现客户的真实需求。

通过制作样件，统一并协调铸造厂的工艺以使得他们对ABS熔模铸造有更深理解。

薄壁测试件：第一个测试件同样也是工业标准测试件，名为“薄壁件（THINWALL PART）”。

这个样件可以测试FDM 制作薄壁件的壁厚一致性，同时也测试铸造厂是否有铸造薄壁件的能力。

我们分别设计了壁厚为0.025, 0.035, 0.045, 0.05, 0.07 和0.1 英寸的不同尺寸样件。

由于ABS样件不需要挖空，所以，壁厚方面没有任何限制。

每一个零件上都浮雕了厂家的名字，这样我们得到的样件就可以做为展示件。

5个工厂一共做了19件产品。

在这个阶段，有一家工厂不想再制作任何测试件而希望能够直接进行最终零件的铸造，所以6家工厂中只5家参与此项实验。

图片2展示了工厂做出的金属件，这些样件证明了制作薄壁件是完全可行的。

值得一提的是，标准工业用测试的薄壁件厚度为0.06英寸。

楔形测试件第二个测试件是参与这次测试的其中一家铸造厂提出的，（注：此铸造厂是上市公司）特征包括：键槽，测试收缩率的孔，锥形角。

这个样件也可以同时测试各个厂家的收缩率。

参见图片3。

在测试中我们发现锥形角在最后去壳时只有几个有经验的厂家制作成功，而其他特征每个工厂都可以成功铸造。

我们认为锥形角在熔模铸造中是一个很有挑战的题目，但并不是一个很好的测试设计，在今后的实际使用过程中，我们应该尽量避免锥形角设计。

参见图片4这次测试我们还得到了收缩率的结果，相似材料的平均收缩率各个厂家均有不同，从 1.10%, 0.63%, 0.76%到0.71%。

这一点在铸造前我们就已经预见到，主要是以下因素造成：脱蜡系统，焙烧周期，浇冒口设计。

铸造厂家们统计了详细的收缩率信息，请参考附件E。

铸造厂反馈以下章节引用了Solidform公司填写的问卷调查表中的内容。

“ABS在熔模铸造应用方面是一种最清洁的材料，没有在型壳上留下一点灰烬或残渣。

燃烧后的灰烬可以很轻易的吹出。

”“ABS相比其他快速成型工艺得到的样件来讲，从铸造厂的角度，有很多优点，包括：1、在不同湿度的环境下空间尺寸很稳定2、在不同湿度环境下薄壁不会变形3、在铸造前不需要特别的表面增强处理4、可以缩短铸造周期，主要是指在脱蜡过程中不会在型壳表面留下灰烬，残渣。

这一点优于大多数快速成型的样件”尽管如此，用ABS件熔模铸造还是有一个缺点，得到的制件表面有很多成型时留下的纹路。

但这种纹路可用砂纸在ABS原形件上去除客户结果以下是两个成功应用ABS铸造的案例：Biomet IncBiomet inc 是一家位于印地安那州的医药公司，设计及制造人体膝关节，髋关节等等。

他们从1997年2季度起开始用ABS件做熔模铸造制作金属件，到今天平均每月制作50件铸造件，包括钴铬合金，17-4不锈钢。

这些都是在其公司下属的一家铸造厂完成的。

应用这项工艺，使得试制铸造件的生产周期缩短了两周，年平均节省资金120000美圆。