熔模铸造又称失蜡铸造，是一种多用途铸造工艺，用于生产形状复杂的金属部件。从轻质汽车部件到高尔夫球杆，从喷气涡轮机到艺术雕塑，这一工艺几乎涵盖了所有行业，是制造高质量、高完整性金属部件的可靠方法。它可以生产出任何其他方法都无法制造的几何形状，并且表面光洁度高。

熔模铸造通常包括三个主要步骤：创建牺牲模，根据该模型制作一个非永久性陶瓷模具，以及在陶瓷模具中铸造或浇注液态金属。传统方法是使用金属模具通过注蜡成型来制作模型。这种技术需要多种操作、专用设备和熟练工人的大量劳动。金属模具通常由 CNC 加工技术完成，成本高，周转时间长。因此，熔模铸造的成本高昂，尤其是用于小批量生产时。

3D 打印牺牲模已成为蜡模制作的一种成本和时间效益高的替代方法，可加快周转时间并提高价格竞争力。由于无需模具，通过 SLA 3D 打印技术，次日即可获得模型。该工艺所需设备极少、可以释放 CNC 容量并节省技术操作人员的时间，让制造商将更多时间投入高价值任务。利用 3D 打印技术快速制作模具已用于常见的制造工艺中，可实现快速迭代，加快产品开发，并将更好的产品推向市场。制造商也在利用聚合物 3D 打印技术打印短期模具，用于小批量蜡和塑料注射成型。

立体光固化 (SLA) 3D 打印技术是很好的选择。其特点是得到的打印模具表面光滑且精度高，可转化成最终部件，且表面光洁度与蜡相近。SLA 3D 打印还提供了无与伦比的设计自由以制造复杂精细的模型。Formlabs SLA 生态圈和 Clear Cast Resin 为模型制作提供了方便可靠的解决方案。Form 4L 可实现 35.3 x 19.6 x 35cm 成型体积的大幅面打印，而 Form 4 的成型体积为 20 x 12.5 x 21cm，是高速生产较小部件的绝佳解决方案。Formlabs SLA 3D 打印机易于实施、操作和维护，可无缝集成到任何工作流程中。

Clear Cast Resin 是一种无锑材料，灰分含量低 (<0.02%)，在美国生产，经验证能够达到各种应用的尺寸精度、表面质量和单件成本要求。

为了验证这一工作流程，Formlabs 与北爱荷华大学 (UNI) Foundry 4.0 Center 以及多家铸造厂（包括工业铸造厂、服务机构和艺术品铸造厂）进行了合作。本报告的第一部分介绍了分步方法，然后提供了这些工业铸造厂共享的测试结果，包括技术数据和成本分析。

通过与这些铸造厂合作，进行了青铜、黄铜、铝 (A356)、6-4 钛、4140 钢、8620 钢、316 不锈钢和 17-4 PH 的铸造。在所有情况下，均采用 700°C 至 900°C 在熔炉中进行烧制，并未采用高压灭菌器。大多数部件都与标准熔模铸造蜡浇口相连，并浸入每个客户特定的制壳系统中。

北爱荷华大学 Foundry 4.0 在熔模铸造过程中使用了许多不同的精确化学物质和方法，并通过 Formlabs 的流程进行了测试，成功铸造了铝合金 A356 部件。

最初使用 Materialise 的晶格模块将部件制成四面体晶格，其中晶格壁厚 0.5mm，晶格直径 1mm。然后使用 Form 3L 以 100 微米的层高进行打印，并按照 Formlabs 的标准打印流程进行清洁。经过后处理后，使用粘性蜡将部件粘附到铸件浇口上。然后，他们使用 100% 二氧化硅制壳系统，首先使用 Remet RP-1 粉作为底涂层，然后使用 RG-1 作为面涂层，通常使用 2 次底涂层浸渍和 3 次面涂层浸渍，在第二次底涂层浸渍后和随后的每次浸渍后使用灰泥。所有的制壳工序均由自动化程序自动完成，以保证用最少的人工获得最均匀的涂层，单个浇口总共需要 9－10 个小时。

烘干后，在 900°C 的温度下闪火烧制 2 小时，然后冷却并转移到铸造设备。在铸造之前，将外壳预热到 540°C，然后在 700°C－750°C 的温度下铸造铝。然后，他们先大块碎开后喷砂去除剩余部分，以便去除外壳，从而获得洁净的最终部件。

根据用户反馈，使用 Formlabs Clear Cast Resin 3D 打印的模型可以生产出质量与传统蜡型相当的熔模铸造部件。3D 打印模型可能比蜡型更脆，应小心处理。不过，燃烧过程很干净，外壳的可见部分不会留下任何明显的灰烬。最终金属部件没有任何异常缺陷。

通过直接制作模型，Formlabs 可以立即制作部件，而无需使用工具、可溶型芯或其他复杂的蜡成型技术。像凹槽、曲折通道和薄壁等难以注蜡成型的特征都可以通过 3D 打印轻松实现。下表说明了与其他方法相比，使用 3D 打印工具所节省的成本和时间。

该表显示，针对许多部件，即使是简单部件，铸造厂也能节省数万美元。

下节内容为根据 10 余家铸造厂的反馈意见和指导原则编写的 3D 打印熔模铸造模型入门指南。

牺牲模必须足够坚固，以承受陶瓷浆料的压力，同时还要足够薄，以便燃烧时尽可能不留灰烬。为实现这一目标，采用了一种特殊的部件设计，即薄外壁与坚固的内部晶格支架相结合。市场上有一些软件解决方案可以帮助挖空部件和构建晶格结构。本研究使用 Materialise Magics 的熔模铸造工具。

1. 在您选择的 CAD 软件中设计部件。

2. 挖空部件并构建内部晶格结构。按照 Materialise 说明将 CAD 文件导入晶格模块，并进行设计设置。晶格结构支持用户轻松控制外壳、内部结构的尺寸和排水孔的位置。应根据您的应用和要求，正确选择设置，下段将解释这些参数对流程的影响。请参考下表。

2.1. 设置外壳。较薄的壁厚会提高铸造成功率，但会降低打印成功率并削弱部件强度。Formlabs 建议从 0.5mm 壁厚开始，只有在打印失败或出现尺寸精度问题时才增加壁厚。细节尺寸可以保持为 0.5mm 的标准值，不过这对铸造过程并不重要。

2.2. 设置内部结构。晶格支撑部件的外部，防止翘曲，便于成功打印薄壁。增加支脚厚度（指网格直径）可加固图案，但会增加模型膨胀和外壳开裂的几率。Formlabs 建议从 0.75mm 的支脚厚度开始。支脚长度是指晶格连接之间的距离，可以保持 3mm 标准值。

2.3. 增加排水孔和排气孔。 这些孔有两个作用：降低因“吸盘状结构”或“爆炸”而导致打印失败的风险；便于排出内部滞留的液态树脂。在添加这些孔时，最好按照 Formlabs 的定向最佳实践指南确定打印方向。

• 2.3.1. 在部件方向的顶部和底部放置孔。
• 2.3.2. 在牺牲表面（如浇口）上放置孔，以简化后处理。
• 2.3.3. Formlabs 建议孔径最小为 1mm，甚至可以增大，只要不改变关键表面即可。
• 2.3.4. 创建直孔 (r1=r2) 或仅有轻微倒角的孔 (r1>r2)。
• 2.3.5. 在浇口放置处设置通风孔，以便在燃烧过程中保持良好气流。

2.4. 将导出的文件转换为 3MF 以减小文件尺寸。 部件晶格化后，文件尺寸会变大，从而减缓打印准备和支撑生成过程。

3.根据 PreForm 指南在 Formlabs PreForm 软件中准备文件。

3.1. 将模型与构建平台成 30－45 度角定向。考虑通风孔的位置，以促进树脂排出并尽量减少杯状结构。

3.2. 使用 0.75 密度和 0.30mm 或更小尺寸的接触点，添加完整基底和轻度支撑。它们能支撑模型，确保打印后易于移除，且不会损坏薄壁。避免支撑位置位于关键表面。

4. 按照 Formlabs 的说明，使用 Clear Cast Resin 以 100 微米层高在 Form 3L 或 Form 4 上进行 3D 打印。下节将介绍 Formlabs 树脂的物理特性。Formlabs 建议使用 Flex Build Platform 2L 或 Build Platform 2L 来打印表面积较大的部件。

5. 将部件放入含有 IPA 的 Form Wash L 中清洗 10 分钟，用压缩空气吹净内部，然后再清洗 5 分钟。 用纸巾和 IPA 擦拭残留树脂。晾干部件 30 分钟，或用压缩空气吹干表面残留的 IPA。清除所有残留的 IPA 至关重要，因为任何残留液体都可能在燃烧时产生蒸汽并导致外壳开裂。

6. 使用 Form Cure L 在 35°C 下对部件进行 15 分钟的后固化。由于固化可增强部件的刚度，因此在固化前拆除支撑比较容易。不过，在固化后拆除支撑结构可以防止部件破损，特别是对于脆弱的几何形状。如果部件容易翘曲，可采用不加热的后固化计划。

7. 移除和清洁支撑结构。使用标准工具，如刮刀、平剪或 100－300 粗细度的砂纸。

8. 使用标准铸造蜡或 UV 树脂笔填充排气孔和排水孔约 30 秒钟，使树脂固化。这些笔（如 Aptek Laboratories UVIFILL- SL-TX）可通过亚马逊购得。将压缩空气注入最后一个孔中，检查孔的配合情况，查看是否有渗漏。

9. 按照常规流程组装模型。为浇注和构建浇铸树做准备，优化浇铸设置，以便在燃烧过程中帮助氧气流动。通常做法是使用胶粘蜡将部件粘贴到蜡模上，并在蜡模上粘贴 T 形条，以便进行浸渍处理。最常用的是标准铸造蜡，但也可以利用 3D 打印将浇口作为模型的一部分成功打印。

10. 可选通气口：为确保首件成品率，一些铸造厂会在模型上加装通气口，以改善燃烧时的气流，就像加装浇口一样。这一步骤确实能提高成功率，建议在生产极小批量部件（如一次性部件或紧迫的周转时间）时使用。在装配过程中，需要在燃烧后冷却外壳并用熔模修补孔洞，以实现通风。

11. 按照常规流程将浇铸树浸入浆料中。有些铸造厂会将浆料改成更“可接受”的混合浆料，这种浆料易于膨胀且幅度较大，或者他们会增加蘸浆次数，试图减少开裂。Formlabs 建议从标准流程开始，在遵循上述流程的情况下，外壳与打印模型的附着情况不会出现问题。作为参考，UNI 使用自动机器人设备进行六次浸渍。

11.1. 在不含沙子的底层浆料中浸泡一次，以保持表面光洁度。

11.2. 在背层浆料和底砂中浸泡一次，然后在背层浆料和背砂中浸泡三次，以增加外壳厚度和强度。

11.3. 在不含砂的底层浆料中浸泡一次，作为密封涂层。

12. 按照常规方法在熔炉中燃烧模型。闪火是一种标准方法，可在 705°C 至 900°C 的温度范围内将模型加热 2 小时。铸造厂必须配备高温炉，并能促进足够的氧气流通。在高压灭菌器中或温度低于 650°C 的情况下，模型外壳很可能会破裂。

13. 检查燃烧后的外壳是否有任何裂纹或飞边，并吹出模具中残留的灰烬。燃烧打印模型会产生少量灰烬。Clear Cast Resin 不含锑、灰分含量低于 0.020%（按质量计），而且是空心打印，因此可能只会留下极少量的灰烬。

14. 按照常规流程进行铸造和抛光。作为参考，UNI 采用以下步骤：
14.1 在 345°C 的窑炉中预热外壳 30 分钟。
14.2 倒出金属，冷却至完全凝固。
14.3 用水或喷砂机去除陶瓷外壳。有时需要用凿子削去部分外壳，但应避免这样做，以保护部件。 
14.4 使用带锯或其他工具将部件与浇铸树分开。

本报告显示，3D 打印模型可用于降低熔模铸造的成本并缩短周转时间，以实现快速原型制造、快速周转或限量生产部件。由于 3D 打印是一种无模具制造方法，因此可解决传统铸造工艺中与金属模具相关的关键难题。它可以按需制造工具，速度快，成本低，同时提高了设计自由度。

通过将 3D 打印添加至传统的铸造工作流程，生厂商可更快速地响应客户需求、延缓在硬模上的投资，并有效验证设计成本。通过使用 Formlabs SLA 3D 打印机和 Clear Cast Resin，一些铸造厂只需对其铸造工作流程稍作修改，并将前期投资降至最低，就能将模具成本降低高达 90%，同时将周转时间缩短数月。

您是否还有关于使用 SLA 打印机进行熔模制造或其他工程和制造应用的问题？请联系我们的解决方案专家，试用使用 Clear Cast Resin 制作的模型。

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在开发和验证熔模铸造材料的过程中，Formlabs 与北爱荷华大学 (UNI) 的 Foundry 4.0 Center 进行了合作。UNI 测试并分析了 Formlabs 的 SLA 生态圈，重点聚焦于两种主要材料，即测试版 Clear Cast Resin 和 Biomed Clear Resin。通过测试，UNI 能够调整设计参数，为 3D 打印牺牲模开发出易于采用的合格工艺。将所示结果与热门竞品树脂进行了比较。UNI 进行的测试包括压缩、弯曲强度、灰分含量和热膨胀测试。Formlabs 公司还测试了微量材料含量，以确保与铸造工艺的兼容性。测试结果表明，最佳候选材料是 Formlabs 的测试版 Clear Cast Resin，在使用本白皮书中全面讨论的流程验证该材料之前，对其进行了多次几何形状测试。此操作的原因是该材料具有独特的低灰分、低挤压强度和高弯曲强度，同时保持足够低的 CTE，以最大限度地降低燃烧过程中外壳损坏的风险。

样品部件特性

评估了九种几何形状，其外壳壁厚和晶格尺寸各不相同。示例特性如表 1 所示。这些都是为了涵盖可能的打印范围，以找到压缩强度和适印性的最佳组合。

测试：

基于上述几何形状，对 58 个样品部件进行了压缩强度测试，每个几何形状测试了三个部件，其平均值如图所示，同时还测试了用标准快速铸造工艺打印的代表性样品部件。结果表明，虽然在 B 部分的几何形状中，测试版 Clear Cast Resin 的压缩强度高于竞品工艺，但只要稍微改变壁厚，就能显著降低压缩强度。由于 Formlabs 打印机的剥离力小、精度高，质量不会因为几何形状而变化，因此我们选择了更薄的几何形状继续进行测试。

根据 ASTM D790，采用标准示例几何形状对每种材料的四个样品部件进行了弯曲强度测试。结果表明，Formlabs 的两种材料都具有出色的弯曲强度，这意味着部件更加耐用，在整个加工过程中可以承受更多的粗暴操作。

根据 ASTM 标准 D2584，对三个 Formlabs 测试版 Clear Cast Resin 样品和三个 BioMed Clear Resin 样品进行测试。这需要取 5g 样品部件，测量到最接近的毫克，然后在马弗炉中完全燃烧。再次测量剩余灰分，得出以下数据，显示两种不同 Formlabs 材料的性能。

此外，Formlabs 还对测试版 Clear Cast Resin 样品进行了元素分析，结果如下。请注意，不同批次之间存在一定差异，因此这不一定代表每种材料。

UNI 测试了几种不同目标几何形状的热膨胀结果，图中所示为推荐的 Formlabs 几何形状与竞品几何形状的直接比较。测试结果表明，BioMed Clear Resin 的关键问题是树脂热膨胀，但同时也表明，Formlabs 测试版 Clear Cast Resin 的最终膨胀率低于主要竞品树脂，因此外壳开裂的可能性较小。

这些结果在浇铸试验中得到了证实，其中测试版 Clear Cast Resin 在多次浇铸过程中外壳都并未损坏，但 BioMed Clear Resin 的一些部件确实会出现外壳开裂。