快速原型（RP）是 20 世纪 90 年代发展起来的一种高科技。它能迅速将人们头脑中的设计概念变成实物。特别值得一提的是，整个产品开发过程不需要任何模具和工艺设备，大大缩短了样机和新产品的试制周期，迅速成为企业提升竞争力的重要手段和工具。INCAST 2004（11）发布的网络问卷调查显示，在欧洲 400 多家熔模铸造生产企业中，超过 93% 的企业使用过快速成型技术。所有受访者都认为，使用这一新技术对于加快新产品的开发至关重要。这对发展和提高企业快速响应市场的能力非常重要。
常见快速成型方法在熔模铸造中的应用
快速成型技术在熔模铸造中的应用主要包括以下几个方面：
1.进行投资
在制作模型时，快速成型机不仅可以输入其他 CAD 软件建立的三维几何模型，还可以接收工业 CT（计算机断层扫描）扫描的数据文件。例如，首先通过 CT 扫描零件（螺旋桨，图 12-1a），获得其横截面的二维图像（图 12-1b）。随后，图像处理软件将每个截面的二维图像（图 12-1c）组合起来，形成三维几何模型（图 12-1d）。然后将其发送到快速成型机上制作模型（图 12-1e）[2]。这种复原（逆向）工程方法不仅可以复原机器零件，还可以仿制某些人体器官。
2.制作模具（压缩成型）和其他加工设备
利用快速成型技术制作精密铸造模具有两种方法：一种是先制作母模，然后重新制作环氧树脂或硅橡胶仿型；另一种方法是利用 CAD 系统生成的三维仿型块将几何模型直接输入快速成型机，制作树脂成型。这种仿形主要适用于小批量生产（几十件）。如果在母模表面喷涂一层约 2 毫米厚的金属层，然后填充环氧树脂，制成金属-环氧复合材料型材，就能满足生产数百件精密铸件的要求。以 SLS 法为例，加工对象由树脂粉末变为钢粉，表面涂上一层薄薄的热固性树脂，激光烧结形成致密体，然后烧制去除树脂，最后将铜液渗入致密体的孔隙中。由此产生的型材在强度和导热性方面与金属相似。此外，快速成型技术还可用于制造某些不规则形状的模具。
3.直接生产模具铸件
20 世纪 90 年代初，美国桑迪亚纳国家实验室开展了一项名为快速铸造（FastCAST）的专项研究，并将其命名为直接壳模铸造（DSPC）。遗憾的是，后来的报道寥寥无几。
1994 年，美国 Z 公司成功开发出 3D 打印技术 3D Printing。该技术最初由麻省理工学院的伊利-萨克斯教授发明并申请了专利。其基本原理与 SLS 方法类似。首先，用滚筒喷涂一层耐火材料或塑料粉末。与 SLS 不同的是，它不是驱动激光发射头，而是驱动喷墨打印头，根据产品的横截面形状喷胶 "打印"。重复上述动作直至零件完成，因此被命名为 "3D 打印技术"。其优点是运行成本和材料成本低，速度快。如果喷出的粉末是石膏和陶瓷的混合粉末，则可以直接快速制成铸铝、镁、锌等有色合金铸件的模具（石膏模），称为 ZCast（图 12-2）。
常用快速成型方法的应用效果比较
目前，在实际生产中比较流行的快速成型方法有三维光刻（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积（FDM）、层压板制造（LOM）和直接铸模（DSPC）等。近年来，国外许多研究机构对上述方法的生产模式质量和熔模铸造性能进行了比较。结果如下：
图案表面粗糙度比较
从总体上看，虽然 SLA 方法与熔模铸造工艺有一定的不兼容性，但由于其良好的尺寸精度和表面质量而广受欢迎。在国外，尤其是在航空航天和军工领域的熔模铸造企业得到了广泛应用。虽然 SLS 方法的质量略逊于 SLA，但它易于适应熔模铸造的工艺要求。因此，国内熔模铸造的应用越来越多。FDM 方法虽然最容易适应熔模铸造的工艺要求，但蜡模的尺寸精度和表面质量并不理想；而 LOM 方法质量尚可，但难以适应熔模铸造。因此，很难适应熔模铸造。这两种方法在熔模铸造中的推广和应用都受到一定的限制。
SLA 和 SLS 在熔模铸造中的应用新进展
1.新型光固化树脂
SLA 方法早在 1987 年就已经商业化。它最初用于制作具有一定功能的物理模型和原型。20 世纪 90 年代初，美国 3D System 公司的 QuickCast 软件开发成功，使 SLA 快速成型机在制作蜂窝状结构（图 12-3a）的同时，还能保持光滑致密的外观（图 12-3b），不仅节省了 90% 的成型材料，而且在烧制外壳时，花纹先向内塌陷，外壳不会开裂。此外，人们逐渐发现，用于模具制造的光固化树脂还需要满足以下特殊要求：
近年来，美国帝斯曼 Somos 公司成功开发出一种新型光固化树脂 Somos 10120，满足了上述主要要求，颇受熔模铸造厂家的青睐。这种新产品已在三个不同的精密铸造厂用三种合金（铝合金、钛合金和钴钼合金）进行了铸造，并取得了令人满意的效果。
2.使用 SLA 模式进行小批量生产
使用 SLA 图形小批量生产精密铸件需要考虑两个主要问题：一个是图形和铸件所能达到的尺寸精度，另一个是生产成本和交货时间是否具有优势。美国的几家精密铸造厂，如 Solidiform、Nu-Cast、PCC 和 Uni-Cast，已经使用 SLA 图形铸造了数百个铸件。经过对铸件尺寸的实际测量，统计分析显示，使用帝斯曼索莫斯公司开发的新型 11120 光固化树脂。利用 QuickCast 技术，得到的 SLA 模型尺寸偏差不超过铸件公差值的 50%。大多数铸件的尺寸都能满足公差要求，合格率超过 95%（图 12-4）[7]。
虽然制作 SLA 图形的成本远高于制作相同的蜡模，而且耗时较长，但无需设计和制造轮廓。因此，小批量生产单件时，成本和交货时间仍具有优势。铸件越复杂，这种优势就越明显。以 Nu-Cast 公司生产的形状复杂的航空精密铸件为例（图 12-5）[7]，制模成本约为 85 000 美元，每天生产 4 个蜡模，每个蜡模的成本（包括材料和人工）为 150 美元。如果采用 SLA 方法，每个 SLA 模型的成本为 2846 美元，但无需设计和制造模具。由此计算，如果产量小于 32 件，使用 SLA 模具的成本低于蜡模；如果产量大于 32 件，成本高于蜡模（图 12-6）；使用蜡模，设计和制造模具需要 14-16 周，而 SLA 模具不需要模具。因此，如果产量少于 87 件，使用 SLA 模具的铸件交付速度要快于蜡模（图 12-7）。但超过 87 件时，蜡模的速度更快 [7]。另一个需要考虑的因素是，如果使用蜡模，当产品更新时，需要重新制作模具，成本高昂；而使用 SLA 外型，只需更改 CAD 几何模型即可，比重新制作模具简单快捷得多。.
3.SLS 烧结聚苯乙烯粉末浸渍蜡型
SLS 最初是利用激光将特殊的蜡粉烧结成蜡模，非常适合熔模铸造的工艺特点。早在 1990 年底，美国就有 50 多家铸造厂，生产了约 3000 个蜡模，并成功地进行了铸造。生产出各种金属铸件。然而，蜡粉并不是最理想的造型材料。用它制成的蜡模强度不够，温度高时容易软化变形，温度低时容易破裂。因此，20 世纪 90 年代初，美国的一些 SLA 用户尝试用聚苯乙烯（PS）或聚碳酸酯（PC）等热塑性粉末代替蜡粉。这类材料制成松散多孔的形状（孔隙率超过 25%），可降低外壳在脱模过程中膨胀和开裂的风险。贝壳烧制后，灰分含量较少，但花纹表面粗糙。因此，花纹制作完成后，需要手工打蜡抛光，使表面光滑致密。目前，这种方法已在国内外广泛使用。
