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基于3D设计及FDM快速成型的编钟铸造实践 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 刘欢欢叶升平 武汉机械工艺研究所 刘佑年 摘要 本文介绍了快速成型工艺及其发展应用，并结合自身实践将其与硅橡胶复制法、熔模铸造结合起来，即首先深 入了解编钟相关知识，确定创作思路，然后通过三维设计软件Pro／E来实现我们创作的三维设计原型，再利用快速成型 工艺中的FDM技术打印出设计的实体模型，之后再采用硅橡胶复制出编钟蜡模，经蜡模定音后运用熔模铸造的方法制造 出设计的编钟。该过程中最大的亮点是将3D打印中的FDM工艺与艺术铸造中的硅橡胶复制法、熔模铸造融合起来。 关键词：编钟快速成型技术F瑚硅橡胶复制法熔模铸造 1快速成型技术、编钟简介 快速成型技术(Rapid Increase 制造技术”。同传统的机械加工(即减材加工)不同的是，它是基于增材制造的原理(Material 后直接加工成所预期的零部件原型，突破了传统去材法或变形法加工的许多限制，对传统方法难以加 工的复杂零部件或快速制模、创意的发挥拥有无可比拟的优势。 快速成型系统在目前市场上比较流行的有多种，FDM即熔融堆积成型是其中的一种，还有SLA(光 固化成型)、SLS(选择性激光烧结)、LOM(层合实体制造)等，考虑到现有条件、成本、各种成型方法的 优势，我们采用SLS、FDM两种快速成型工艺做出了编钟原型，综合考量最终选用FDM成型工艺。 编钟是古代的一种乐器。于湖北随州出土的曾侯乙编钟年代久远、气势恢宏、是目前为止规模最 为庞大的一个编钟群，不仅铸造工艺高超，而且编钟都是“一钟双音”，荟萃了古代双音编钟的声学成 就，在编钟史上是一大奇迹。 编钟之所以能实现“一钟双音”的声学效果，关键在于编钟独特的结构。首先，独特的合瓦形结 构，使一钟双音的成为可能。其次，塬块与遂块的位置、大小、形状、厚度亦是关键。敲击正鼓部位 (对应遂块)时，侧鼓部位的发音受到抑制，此时听到的主要是正鼓音；敲击侧鼓部位(对应塬块) 时，正鼓部位的发音就受到限制，主要听到的是侧鼓音。 2编钟∞设计 自2013年年初开学以来，笔者一直在学习‘材料加工工程》这门课程，叶升平老师是液态成型部 分的主讲，在老师幽默风趣的讲解下，大家对这门课程充满兴趣，大家的积极性、首创性得到了充分 的调动，纷纷开始设计极具特色的编钟、鼎、钱币。出于对编钟的兴趣，我尝试着设计了一个编钟。 在对编钟有了大致的认识与了解后(如图1)，我参考了曾侯乙其中一组编钟各主要尺寸间的比例 关系，在考虑到后续加工设备的尺寸限制等问题，我确立了编钟的各主要尺寸，如表1所示。 表1设计的编钟主要尺寸(单位：皿) 铣长 铣间 鼓间 舞修 舞广 甬长 中长 112．2 89．7 68．4 78．5 58．3 89．7 89．7 ．．205．． 双膏莆钟备部位名称田 固5圈 (a)编钟照片 (b)双音甬钟图 图l 编钟设计相关说明： 1)编钟的设计首先要体现其自身的基本特点，因此，编钟各部位尺寸间应该有一个合适的比例， 外形得像一个编钟； 2)编钟设计不仅要形似，更重要的是要能实现其奏乐的效能，即一钟双音。主要通过严格控制其 钟体主要尺寸与打磨局部壁厚，壁厚大小可以通过有经验的工程师人工打磨来调整，如是才有可能使 钟体发出特定的乐音； 3)三维模型的设计必须考虑FDM成型工艺以及后续加工的可行性，如3D快速成型机就有一定的 尺寸限制，尽管可以考虑分块成型再粘结，但无疑会降低产品的表面质量且给后处理增添难度； 4)编钟模样钟口设计成封闭原因是：考虑到在后续的硅橡胶复制工艺中，如若不封口在刷硅橡胶 时