以快速原型作為消失模型進行石膏模快速鑄造
陳源豐
南開科技大學 機械工程學系
南開科技大學 機械工程學系
摘要
在傳統的鑄造工業中，生產鑄件所需要的時程甚長且費用也很高，由設計完成到鑄件產出，可能需要數天到數周之久。在分秒必爭的現代工業中，如何利用先進技術的輔助來縮短鑄件的開發時程，將是有待解決的重要課題。本研究運用快速原型技術，直接以快速原型作為消失模型，配合快速包埋石膏的使用，可在一到二天之內完成鑄件之生產，大幅縮短鑄造流程時間。
在傳統的鑄造工業中，生產鑄件所需要的時程甚長且費用也很高，由設計完成到鑄件產出，可能需要數天到數周之久。在分秒必爭的現代工業中，如何利用先進技術的輔助來縮短鑄件的開發時程，將是有待解決的重要課題。本研究運用快速原型技術，直接以快速原型作為消失模型，配合快速包埋石膏的使用，可在一到二天之內完成鑄件之生產，大幅縮短鑄造流程時間。
研究分為兩大部分，第一部分為光硬化樹脂快速原型的製作與燒失性能的測試，透過適當地控制燒失溫度及時間，將鑄模內的樹脂模型徹底燒除乾淨，確保模穴的完整性。第二部分則為搭配快速包埋石膏，以石膏模快速鑄造製程進行造模、燒成、澆鑄等測試。經由實驗顯示，本製程可在鑄件設計完成後的8小時內產出首批鑄件，迅速提供設計確認或後續加工特性評估之用。
關鍵字：快速原型、消失模型、石膏模、快速鑄造、光硬化樹脂
1. 前言
傳統的鑄件生產流程是鑄造方案設計、模型（木模）設計製作、鑄模製作、金屬熔化、澆鑄與脫模…，由設計完成到鑄件樣件產出，往往需要一周甚至更長的時間，即使是採用脫蠟精密鑄造法，其製程也是相當耗時。這不僅拉長了鑄件的開發時程，亦是開發成本居高不下的主要原因。近來流行所謂的快速模具(rapid toolings)，也就是為了達成時間經濟性的要求，希望在最短的時限內，製造出可供實際生產使用的模具，如射蠟模、塑膠射出成型模、壓鑄模等。快速模具所使用的材質可以是矽膠、金屬樹脂(metallic resin)、易熔合金、鋁合金與其它金屬材料(如鋼材)，其選用端視產品性質、產量或模具成本要求而定。在要求工件精度與模具壽命的大量生產場合，金屬材質快速模具應是較為理想的選項，而精密鑄造正是生產金屬材質快速模具的有效方法之一。另外不論是鑄件原型(小量產鑄件)或快速模具，在講求時效性的前提下，對鑄件的尺寸精度與表面粗度的要求，也是開發過程的另一項重要訴求。
隨著科技的進步，人類亟思縮短產品開發時程以降低成本並提升產業競爭力，因而有逆向工程（RE）與快速原型（RP）的發展[1]，如何利用這二種快速技術來提升鑄件的開發效率，當是鑄造界所面臨的新課題。
就RP技術層面來說，如何利用它來提升鑄件的開發效率？此不外乎是經由模型（patterns）或由鑄模（casting molds）二方面來著手。Bassoli等人[1]以澱粉質素材作為快速原型系統的耗材，製作鑄造模型，再透過快速鑄造（rapid casting）方法，可在甚短的時間內得到輕合金（light-alloy）的鑄件原型（casting prototypes）。Dotcher等人[2]以粉末狀高分子聚合物製作模型，再浸滲蠟液以提高模型的性能，並針對影響模型精度的參數進行探討。在Maji等人[3]的研究中，提出了將逆向工程（RE）、快速原型（RP）與包模鑄造（investment casting）等三種技術作結合的概念，不僅可以大幅縮短開發時間，更能有效改善鑄件品質，達到近淨形（near net shape）製造的終極目標。Hsy等人[4]則利用粉末式RP作出工件的反向形狀，再將此RP件經過沾漿、淋砂等殼模製程，作成鑄造用鑄模，最終翻製出鋁合金的快速射出成型模具，用來生產塑膠材質螺旋槳。
在國內的研究方面，張仲卿[5]與李賢建[6]利用RP原型配合包模鑄造，製作出塑膠射出成型用的快速模具。蕭宇聲[7]則先將光聚合樹脂原型作成射蠟模，以射蠟模生產蠟模型後，再經脫蠟鑄造製程的組蠟樹、沾漿、淋砂、脫蠟、殼模燒成、澆鑄…等步驟順序，生產快速模具，並且在金屬熔液的澆鑄過程中，採用真空輔助失壓鑄造法，以提升鑄件品質。
經上述文獻分析得知，以RP原型搭配精密鑄造製程，可在相對較短的時程內生產出所需之鑄件或快速模具，充分發揮時間經濟效益。然而儘管上述的各項研究均已導入快速原型製程，但在後續的精密鑄造過程中，沾漿、淋砂、脫蠟、鑄模燒成等製程仍需耗費相當長的開發時間。爲期更加縮短製程時間，本研究引入快速包埋用石膏，並採用高精度的液態樹脂RP系統，以有效提升鑄件的整體精度。
傳統的鑄件生產流程是鑄造方案設計、模型（木模）設計製作、鑄模製作、金屬熔化、澆鑄與脫模…，由設計完成到鑄件樣件產出，往往需要一周甚至更長的時間，即使是採用脫蠟精密鑄造法，其製程也是相當耗時。這不僅拉長了鑄件的開發時程，亦是開發成本居高不下的主要原因。近來流行所謂的快速模具(rapid toolings)，也就是為了達成時間經濟性的要求，希望在最短的時限內，製造出可供實際生產使用的模具，如射蠟模、塑膠射出成型模、壓鑄模等。快速模具所使用的材質可以是矽膠、金屬樹脂(metallic resin)、易熔合金、鋁合金與其它金屬材料(如鋼材)，其選用端視產品性質、產量或模具成本要求而定。在要求工件精度與模具壽命的大量生產場合，金屬材質快速模具應是較為理想的選項，而精密鑄造正是生產金屬材質快速模具的有效方法之一。另外不論是鑄件原型(小量產鑄件)或快速模具，在講求時效性的前提下，對鑄件的尺寸精度與表面粗度的要求，也是開發過程的另一項重要訴求。
隨著科技的進步，人類亟思縮短產品開發時程以降低成本並提升產業競爭力，因而有逆向工程（RE）與快速原型（RP）的發展[1]，如何利用這二種快速技術來提升鑄件的開發效率，當是鑄造界所面臨的新課題。
就RP技術層面來說，如何利用它來提升鑄件的開發效率？此不外乎是經由模型（patterns）或由鑄模（casting molds）二方面來著手。Bassoli等人[1]以澱粉質素材作為快速原型系統的耗材，製作鑄造模型，再透過快速鑄造（rapid casting）方法，可在甚短的時間內得到輕合金（light-alloy）的鑄件原型（casting prototypes）。Dotcher等人[2]以粉末狀高分子聚合物製作模型，再浸滲蠟液以提高模型的性能，並針對影響模型精度的參數進行探討。在Maji等人[3]的研究中，提出了將逆向工程（RE）、快速原型（RP）與包模鑄造（investment casting）等三種技術作結合的概念，不僅可以大幅縮短開發時間，更能有效改善鑄件品質，達到近淨形（near net shape）製造的終極目標。Hsy等人[4]則利用粉末式RP作出工件的反向形狀，再將此RP件經過沾漿、淋砂等殼模製程，作成鑄造用鑄模，最終翻製出鋁合金的快速射出成型模具，用來生產塑膠材質螺旋槳。
在國內的研究方面，張仲卿[5]與李賢建[6]利用RP原型配合包模鑄造，製作出塑膠射出成型用的快速模具。蕭宇聲[7]則先將光聚合樹脂原型作成射蠟模，以射蠟模生產蠟模型後，再經脫蠟鑄造製程的組蠟樹、沾漿、淋砂、脫蠟、殼模燒成、澆鑄…等步驟順序，生產快速模具，並且在金屬熔液的澆鑄過程中，採用真空輔助失壓鑄造法，以提升鑄件品質。
經上述文獻分析得知，以RP原型搭配精密鑄造製程，可在相對較短的時程內生產出所需之鑄件或快速模具，充分發揮時間經濟效益。然而儘管上述的各項研究均已導入快速原型製程，但在後續的精密鑄造過程中，沾漿、淋砂、脫蠟、鑄模燒成等製程仍需耗費相當長的開發時間。爲期更加縮短製程時間，本研究引入快速包埋用石膏，並採用高精度的液態樹脂RP系統，以有效提升鑄件的整體精度。
2. 實驗設備、實驗程序與資料歸納
2.1 液態快速原型製程
採用Object EDEN330快速原型系統，以PolyJet技術，將液態光聚合材料經由噴嘴噴出，再以紫外光照射每一層斷面使樹脂固化，逐層堆積成型，其最小層厚可達0.016mm。實驗鑄件為自行車用零件，外型如圖一所示，快速原型成形所需時間為5小時。
2.2 快速原型燒失實驗
2.2.1燒失溫度設定
2.1 液態快速原型製程
採用Object EDEN330快速原型系統，以PolyJet技術，將液態光聚合材料經由噴嘴噴出，再以紫外光照射每一層斷面使樹脂固化，逐層堆積成型，其最小層厚可達0.016mm。實驗鑄件為自行車用零件，外型如圖一所示，快速原型成形所需時間為5小時。
2.2 快速原型燒失實驗
2.2.1燒失溫度設定
精密鑄造用的石膏模或陶瓷殼模在澆鑄作業前通常需要經過燒成（燒結）過程，正確的燒成可使鑄模完全乾燥並得到充分的強度與適當的澆鑄模溫。燒成溫度視鑄件特性與鑄造金屬種類而定，大約為750~900℃，持溫時間則為30分鐘~90分鐘，為配合實際鑄模的燒成作業，實驗中快速原型之燒失測試溫度依序訂為900℃、850℃、800℃與750℃。
2.2.2燒失實驗
將長X寬X高為30㎝X30㎝X30㎝之實驗電爐加熱至預定溫度，以310不鏽鋼托盤盛放快速原型件並將其放入爐室中，每隔兩分鐘取出測量其殘餘重量，直至完全燒失為止。圖二為在不同的爐溫下快速原型的燒失時間曲線，燒失率定義為（燒去重量）/（原始重量）X100％。接著將快速原型包埋於石膏漿中，靜置25分鐘使其充份硬化後，放入750℃的爐中進行燒失測試，持溫30分鐘後徐冷到室溫，取出並剖切石膏模，觀察模穴內模型的燒失情況。
2.3 快速包埋作業
採用德國ADENTA-Vest CB快速包埋石膏，石膏模灌注完成後經25分鐘的靜置硬化，即可進行燒成。其燒成過程可採用一般燒成與快速燒成，本實驗採用快速燒成方式。包埋石膏的操作參數如表一所示，燒成與澆鑄模溫曲線則如圖三所示。
2.4 金屬熔化
鑄件材料採用矽－鋁青銅(成份為Cu90％、Al7％與Si2％)，使用電熱式石墨坩堝熔解，以硼砂為除渣劑。矽－鋁青銅的熔化溫度為1000℃，實驗中的熔液澆注溫度為1050℃，鑄模溫度為600℃。
2.5 失壓鑄造
由於石膏鑄模的透氣性十分良好，故實驗採用真空吸引方式進行澆鑄，一來可使銅液快速而平穩的充滿模穴，另一方面可減少模內的殘留氣體，降低鑄件內部產生氣孔的機率。圖四為真空輔助失
2.2.2燒失實驗
將長X寬X高為30㎝X30㎝X30㎝之實驗電爐加熱至預定溫度，以310不鏽鋼托盤盛放快速原型件並將其放入爐室中，每隔兩分鐘取出測量其殘餘重量，直至完全燒失為止。圖二為在不同的爐溫下快速原型的燒失時間曲線，燒失率定義為（燒去重量）/（原始重量）X100％。接著將快速原型包埋於石膏漿中，靜置25分鐘使其充份硬化後，放入750℃的爐中進行燒失測試，持溫30分鐘後徐冷到室溫，取出並剖切石膏模，觀察模穴內模型的燒失情況。
2.3 快速包埋作業
採用德國ADENTA-Vest CB快速包埋石膏，石膏模灌注完成後經25分鐘的靜置硬化，即可進行燒成。其燒成過程可採用一般燒成與快速燒成，本實驗採用快速燒成方式。包埋石膏的操作參數如表一所示，燒成與澆鑄模溫曲線則如圖三所示。
2.4 金屬熔化
鑄件材料採用矽－鋁青銅(成份為Cu90％、Al7％與Si2％)，使用電熱式石墨坩堝熔解，以硼砂為除渣劑。矽－鋁青銅的熔化溫度為1000℃，實驗中的熔液澆注溫度為1050℃，鑄模溫度為600℃。
2.5 失壓鑄造
由於石膏鑄模的透氣性十分良好，故實驗採用真空吸引方式進行澆鑄，一來可使銅液快速而平穩的充滿模穴，另一方面可減少模內的殘留氣體，降低鑄件內部產生氣孔的機率。圖四為真空輔助失
3. 結果與討論
Object EDEN 330系統在原型的建立過程中，必須在工件有懸空或下切口的部位處，噴塗建構支撐材料(support material)，待原型完成後，再將此一支撐材料去除。實驗中發現該公司所使用的支撐材料極易去除，以常溫清水與軟性海綿刷便可迅速的加以洗淨，不會破壞工件與支撐的連結表面且不需要後加工處理，可謂是製作消失模型的理想系統。
快速原型材料的主要成份為碳、氫及氧，在適當的溫度與含氧濃度下，可被完全燒除而不致殘留灰燼。為配合石膏鑄模的燒成過程，將原型單獨置於電熱爐中以200℃/hr的速率升溫到750℃，當開啟爐門探視時，原型在數秒後即會起火燃燒。試驗溫度達到900℃時，原型在爐門開啟的瞬間便會立即起火燃燒。因此在燒失過程中，保持電爐通氣口之開啟或由外部供應適量的氧氣，均有助於模型的燒失。
將包埋原型的石膏鑄模以150℃/hr速率升溫到750℃並持溫30分鐘，冷卻後切開鑄模，發現原型已完全燒除乾淨，無任何灰燼殘留，故樹脂原型可搭配多種品牌的石膏進行快速鑄造製程。
Object EDEN 330系統在原型的建立過程中，必須在工件有懸空或下切口的部位處，噴塗建構支撐材料(support material)，待原型完成後，再將此一支撐材料去除。實驗中發現該公司所使用的支撐材料極易去除，以常溫清水與軟性海綿刷便可迅速的加以洗淨，不會破壞工件與支撐的連結表面且不需要後加工處理，可謂是製作消失模型的理想系統。
快速原型材料的主要成份為碳、氫及氧，在適當的溫度與含氧濃度下，可被完全燒除而不致殘留灰燼。為配合石膏鑄模的燒成過程，將原型單獨置於電熱爐中以200℃/hr的速率升溫到750℃，當開啟爐門探視時，原型在數秒後即會起火燃燒。試驗溫度達到900℃時，原型在爐門開啟的瞬間便會立即起火燃燒。因此在燒失過程中，保持電爐通氣口之開啟或由外部供應適量的氧氣，均有助於模型的燒失。
將包埋原型的石膏鑄模以150℃/hr速率升溫到750℃並持溫30分鐘，冷卻後切開鑄模，發現原型已完全燒除乾淨，無任何灰燼殘留，故樹脂原型可搭配多種品牌的石膏進行快速鑄造製程。
4. 結論
本研究借由液態樹脂快速原型系統與快速包埋石膏，可對鑄件樣件(小量產件)或金屬材質快速模具進行快速製作，大幅縮短鑄件開發時程並有效降低開發成本。
本法所生產之鑄件具有優異的尺寸精度與表面粗度，可適用於鋁合金、銅合金、不鏽鋼、鎳－鉻合金等多種鑄造金屬。相較於其它鑄造方法，本法除鑄件品質極為優異外，在生產的時效性上更是佔有絕對的優勢。表二列出以本法生產鑄件時的單項製程時間，並以鑄件精度相仿的脫蠟製造（表三）作相對比較，由圖五即可明確看出本研究的時效性優勢。
5. 參考文獻
1. Bassoli E, Gatto A, Iuliano L and Violante MG, ”3D printing technique applied to rapid casting”, Rapid Prototyping Journal, Vol.13, pp148-155,2007.
2. Dotchev, K.D., Dimov, S.S., Pharn, D.T. and Ivanov, A.I., “Accuracy issues in rapid manufacturing CastForm(TM) patterns”, Proceedings of the Institution of Mechanical Part B – Journal of Engineering Manufacture, Vol.221, pp53-67, 2007.
3. Maji PK, Banerjee PS and Sinha A, “Application of rapid prototyping and rapid tooling for development of patient-specific craniofacial implant: an investigative study”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol.36, PP510-515, 2008.
4. Hsu CY, Huang CK and Tzou GJ, “Using metallic resin and aluminum alloy molds to manufacture propellers with RP/RT technique”, Rapid Prototyping Journal, Vol.14, pp102-107, 2008.
5. 張仲卿，逆向工程技術及整合應用，第79-85及157-164頁，高立圖書有限公司，台北、台灣，1990
6. 李賢建，金屬樹脂、粉末冶金與精密鑄造於薄殼產品之快速模具製作，碩士論文，國立台灣科技大學機械工程系，台北、台灣，1998。
7. 蕭宇聲，開發快速原型系統與精密脫蠟快速模具製作之應用，碩士論文，崑山科技大學機械工程研究所，台南、台灣，2003。
8. 傅豪、陳武宏，精密鑄造技術，第301-303頁，文京圖書有限公司，台北、台灣，1990。
9. 顏永年、單忠德，快速成型與鑄造技術，第1-97頁，機械工業出版社，北京，2004。
10. 林英傑，產品開發的新利器－RP/RT技術，第1-10頁，模具技術資訊，高雄、台灣，1997。
11. 范光照等，逆向工程技術及應用，第167-195頁，高立圖書有限公司，台北、台灣，2003。
12. 鄒貴鉅，應用RP/RT於螺槳射出成型及精密鑄造之研究，碩士論文，龍華科技大學機械系碩士班，桃園、台灣，2004。
13. http：//www.adentatec.com
本研究借由液態樹脂快速原型系統與快速包埋石膏，可對鑄件樣件(小量產件)或金屬材質快速模具進行快速製作，大幅縮短鑄件開發時程並有效降低開發成本。
本法所生產之鑄件具有優異的尺寸精度與表面粗度，可適用於鋁合金、銅合金、不鏽鋼、鎳－鉻合金等多種鑄造金屬。相較於其它鑄造方法，本法除鑄件品質極為優異外，在生產的時效性上更是佔有絕對的優勢。表二列出以本法生產鑄件時的單項製程時間，並以鑄件精度相仿的脫蠟製造（表三）作相對比較，由圖五即可明確看出本研究的時效性優勢。
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8. 傅豪、陳武宏，精密鑄造技術，第301-303頁，文京圖書有限公司，台北、台灣，1990。
9. 顏永年、單忠德，快速成型與鑄造技術，第1-97頁，機械工業出版社，北京，2004。
10. 林英傑，產品開發的新利器－RP/RT技術，第1-10頁，模具技術資訊，高雄、台灣，1997。
11. 范光照等，逆向工程技術及應用，第167-195頁，高立圖書有限公司，台北、台灣，2003。
12. 鄒貴鉅，應用RP/RT於螺槳射出成型及精密鑄造之研究，碩士論文，龍華科技大學機械系碩士班，桃園、台灣，2004。
13. http：//www.adentatec.com
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