1 引言
無模鑄型制造(Patternless Casting Manufacturing，簡稱PCM)工藝是一種與傳統(tǒng)樹脂自硬砂工藝相結合的新型快速成形工藝。其基本原理是：利用RP技術的離散/堆積成形原理，采用輪廓掃描、噴射固化工藝，實現(xiàn)鑄型的快速直接成形而無需模樣，基本原理如下圖所示：
圖1 PCM原理圖
首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層，得到截面輪廓信息，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。造型時，第一個噴頭在每層鋪好的原砂上由計算機控制精確地噴射粘結劑，第二個噴頭再沿同樣的路徑噴射催化劑，或者采用雙噴頭一次復合噴射技術按照截面輪廓信息同時噴射粘結劑和催化劑。兩者發(fā)生膠聯(lián)反應，一層層固化型砂而堆積成形。粘結劑和催化劑共同作用地方的原砂被固化在一起，其他地方原砂仍為顆粒態(tài)之干砂。固化完一層后再粘接下一層，所有的層粘接完之后就得到一個空間實體。原砂在粘結劑沒有噴射的地方仍是干砂，比較容易清除。清理出中間未固化的干砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型，在砂型的內表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆注金屬。
2 PCM工藝的特點
同傳統(tǒng)鑄型制造技術相比，PCM工藝具有無可比擬的優(yōu)越性，它不僅使鑄造過程高度自動化、敏捷化，降低工人勞動強度，而且在技術上突破了傳統(tǒng)工藝的許多障礙，使設計、制造的約束條件大大減少。具體表現(xiàn)在以下方面：
2.1 造型時間短
利用傳統(tǒng)的方法制造鑄型必須先加工模樣，無論是普通加工還是數(shù)控加工，模樣的制造周期都比較長。對于大中型鑄件來說，鑄型的制造周期一般以月為單位計算。由于采用計算機自動處理，PCM工藝的信息處理過程一般只需花費幾個小時至幾十個小時。所以從制造時間上來看，該工藝具有傳統(tǒng)造型方法無法比擬的優(yōu)越性。
2.2 制造成本低
PCM工藝的自動化程度高，其設備一次性投資較大，其它生產(chǎn)條件如原砂、樹脂等原材料的準備過程與傳統(tǒng)的自硬樹脂砂造型工藝相同。然而又由于它造型無需模樣，對于一些大型、復雜鑄件，模具的成本又較高，所以其收益是明顯的。
2.3 一體化制造
由于傳統(tǒng)造型需要起模，因此一般要求沿鑄件最大截面處(分型面)將其分開，也就是采用分型造型。這樣往往限制了鑄件設計的自由度，某些表面和內腔復雜的鑄型不得不采用多個分型面，使造型、合箱裝配過程的難度大大增加，分型造型使鑄件產(chǎn)生“飛邊”，導致機加工量增大。
PCM工藝采用離散/堆積成形原理，沒有起模過程，所以分型面的設計并不是主要障礙。分型面的設計甚至可以根據(jù)需要不設置在鑄件的最大截面處，而是設在鑄件的非關鍵部位，對于某些鑄件，完全可以采用一體化制造方法，即上下型同時成形。一體化造型最顯著的優(yōu)點是省去了合箱裝配的定位過程，減少了設計約束和機加工量，使鑄件的尺寸精度更容易控制。
2.4 型、芯同時成形
傳統(tǒng)工藝出于起模的考慮，型腔內部一些結構設計成芯，型、芯分開制造，然后再將二者裝配起來，裝配過程需要準確的定位，還必須考慮芯子的穩(wěn)定性。PCM工藝制造的鑄型，型和芯是同時堆積而成，無需裝配，位置精度更易保證。
2.5 易于制造含自由曲面的鑄型
傳統(tǒng)工藝中，采用普通加工方法制造模樣的精度難以保證;數(shù)控加工編程復雜，另外涉及刀具干涉等問題。所以傳統(tǒng)工藝不適合制造含自由曲面或曲線的鑄件。而基于離散/堆積成形原理的PCM工藝，不存在成形的幾何約束，因而能夠很容易地實現(xiàn)任意復雜形狀的造型。
2.6 造型材料廉價易得
PCM工藝所使用的造型材料是普通的鑄造用砂，價格低廉，來源廣泛;而粘結劑和催化劑也是非常普通的化學材料，成本不高。因此，對于國內外眾多的樹脂砂鑄造廠家來說，該工藝不僅成本低廉、而且容易推廣，因而具有很強的吸引力。
綜上所述，PCM工藝在技術上的優(yōu)勢是相當明顯的，無需模具，能夠快速、柔性、準確地制造內腔、表面較為復雜的鑄件，特別適合單件、小批量、形狀復雜的大中型鑄件的生產(chǎn)以及新產(chǎn)品的試制。但是它也有缺點，主要是設備投資大，不適合大批量生產(chǎn)。最能適于生產(chǎn)柔性很高的小批量或單件生產(chǎn)。
3 PCM工藝設備
設備是工藝研究和實現(xiàn)的物質基礎與基本前提。PCM設備是一個由機械、電子、材料、計算機軟硬件等技術高度集成的復雜的機械電子學產(chǎn)品。機械電子學產(chǎn)品是電子技術(控制技術、計算機技術)與機械領域緊密結合的產(chǎn)物，是在機械電子學技術基礎上發(fā)展起來的一類產(chǎn)品。一般認為機械電子學產(chǎn)品是指在機構的主功能、信息處理功能和控制功能上引進了電子技術，并將機械裝置和電子設備以及軟件等有機結合起來構成系統(tǒng)的總稱。
圖2 PCM設備設計流程圖
按照工藝流程可以將PCM技術劃分為四個順序基本子過程：信息處理過程、造型過程、后處理過程和澆注過程(如圖2)。其中，信息處理過程是為造型過程準備好相應的控制程序(數(shù)控代碼)文件;造型過程利用信息處理過程所生成的數(shù)控代碼，驅動造型設備，完成鑄型的數(shù)控加工;后處理過程旨在提高鑄型表面質量和澆注工藝性能，為澆注過程創(chuàng)造條件;澆注過程則是把完成后處理的鑄型運往澆注車間，將高溫熔融的液態(tài)金屬注入鑄型的澆注系統(tǒng)和型腔內部，最終凝固形成具有一定表面質量、精度和復雜程度的合格鑄件。
PCM工藝商品化設備為PCM-1200型，見圖3。
圖3 PCM-1200型設備外形圖
PCM-1200型設備的主要技術參數(shù)見表1。
表1 PCM-1200技術參數(shù)
4、典型案例
圖3 PCM工藝制造的鑄形和鑄件
圖3 葉輪鑄型及葉輪產(chǎn)的實例，它是用于渤海某海上鉆井平臺上的水泵葉輪的鑄型和鑄件。由于該葉輪是異型葉輪，所以需要重新設計。使用傳統(tǒng)工藝，包括制模、造型和鑄造，需要兩個月。采用PCM工藝，從設計到鑄件完成，只用了2個星期，大大快于傳統(tǒng)工藝，分層厚度為0.3mm。據(jù)測量，鑄件尺寸精度達到CT9~CT8級，表面粗糙度達到Ra25~12.5μm(表面輪廓算術平均偏差)，完全可以滿足實際生產(chǎn)要求。
