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      3D打印在精密鑄造行業應用
      添加時間:2018-07-24

          快速成形制造技術是目前國際上成型工藝中備受關注的焦點。鑄造作為一項傳統的工藝,制造成本低、工藝靈活性大,可以獲得復雜形狀和大型的鑄件。充分發揮兩者的特點和優勢,可以在新產品試制中取得客觀的經濟效益。

          3D打印包括SLS、SLA、SLM等3D打印成型方法,與傳統制造方法不同,3D打印從零件的CAD幾何模型出發,通過軟件分層離散和數控成型系統,用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件,所以又稱為材料添加制造法。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加,因而可以在不用模具和工具的條件下幾乎能夠生成任意復雜形狀的零部件,極大地提高了生產效率和制造柔性。

          與數控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段一起,快速自動成型已成為現代模型、模具和零件制造的強有力手段,是目前適合我國國情的實現金屬零件的單件或小批量敏捷制造的有效方法,在航空航天、汽車摩托車、家電等領域得到了廣泛應用。3D打印技術能夠快捷地提供精密鑄造所需的蠟?;蚩上勰R约坝糜谏靶丸T造的木?;蛏澳?,解決了傳統鑄造中蠟?;蚰灸5戎苽渲芷陂L、投入大和難以制作曲面等復雜構件的難題。而精密鑄造技術(包括石膏型鑄造)和砂型鑄造技術,在我國是非常成熟的技術,這兩種技術的有機結合,實現了生產的低成本和高效益,達到了快速制造的目的。    

          3D打印技術的特點

          3D打印的過程是首先生成一個產品的三維CAD實體模型或曲面模型文件,將其轉換成特定的文件格式,再用相應的軟件從文件中“切”出設定厚度的一系列片層,或者直接從CAD文件切出一系列的片層。這些片層按次序累積起來仍是所設計零件的形狀。然后,將上述每一片層的資料傳到快速自動成型機中去,用材料添加法并以激光為加熱源,依次將每一層燒結或熔結并同時連結各層,直到完成整個零件。成型材料為各種可燒結粉末,如石蠟、塑料、低熔點金屬粉末或它們的混合粉末。3D打印技術與傳統方法相比具有獨特的優越性,其特點如下:

          1.方便了設計過程和制造過程的集成,整個生產過程數字化,與CAD模型具有直接的關聯性,零件所見即所得,可隨時修改、隨時制造,緩解了復雜結構零件CAD/CAM過程中CAPP的瓶頸問題。

          2.可加工傳統方法難以制造的零件材質,如梯度材質零件、多材質零件等,有利于新材料的設計。

          3.制造復雜零件毛坯模具的周期和成本大大降低,用工程材料直接成形機械零件時,不再需要設計制造毛坯成形模具。

          4.實現了毛坯的近凈型成形,機械加工余量大大減小,避免了材料的浪費,降低了能源的消耗,有利于環保和可持續發展。

          5.由于工藝準備的時間和費用大大減少,使得單件試制、小批量生產的周期和成本大大降低,特別適用于新產品的開發和單件小批量零件的生產。

          6.與傳統方法相結合,可實現快速鑄造、快速模具制造、小批量零件生產等功能,為傳統制造方法注入新的活力。

          3D打印技術在鑄造中的應用

          (1)精密鑄造

          精密鑄造是所有鑄造方法中最精確的一種,精度一般優于0.5%,且可重復性好,鑄件只需少量的機加工就可以投入使用。由于鑄模是一次性使用,使得制造內部結構復雜的零件成為了可能,能生產鍛造或機加工不能生產的零件。盡管精密鑄造有著很多的優越性,但其生產過程復雜且冗長。壓制蠟模的鋁模制作,視其復雜程度和尺寸大小,一般要花幾周到幾個月時間。得到鋁模后,還要幾周時間才能得到鑄件。這幾周主要是用于制作型殼。除了耗時外,精密鑄造還很費工,50%~80%的費用都出自于人工。此外,小批量生產中的模具費用分攤至使單價昂貴。3D打印和精密鑄造是互補的,這兩種方法都適用于復雜形狀零件的制造。如果沒有快速自動成型,鑄模的生產就是精密鑄造的瓶頸過程;然而沒有精密鑄造,快速自動成型的應用也會存在很大的局限性。

          3D打印技術在精密鑄造中的應用,可以分為三種:

          一是消失成型件(模)過程,用于小批量件生產;

          二是直接型殼法,用于小量生產;

          三是快速蠟模模具制造,用于大批量生產。

          (2)快速鑄造

          在制造業特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業,其基礎的核心部件一般均為金屬零件,而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有著不規則曲面或結構復雜而內部又含有精細結構的零件。這些零件的生產常采用鑄造或解體加工的方法,快速鑄造是所有采用3D打印件做母?;蜻^渡模來復制金屬件的方法中最具吸引力的一種。這是因為鑄造工藝能生產復雜形狀的零件。在鑄造生產中,模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機加工的方法來完成的,有時還需要鉗工進行修整,周期長、耗資大,從模具設計到加工制造是一個多環節的復雜過程,略有失誤就可能會導致全部返工。

          特別是對一些形狀復雜的鑄件,如葉片、葉輪、發動機缸體和缸蓋等,模具的制造更是一個難度非常大的過程,即使使用數控加工中心等昂貴的設備,在加工技術與工藝可行性方面仍存在很大困難。3D打印技術與傳統工藝相結合,可以揚長避短,收到事半功倍的效果。利用3D打印技術直接制作蠟模,快速鑄造過程無需開模具,因而大大節省了制造周期和費用。圖2為采用快速鑄造方法生產的四缸發動機的蠟模及鑄件,按傳統金屬鑄件方法制造,模具制造周期約需半年,費用幾十萬;用快速鑄造方法,3D打印鑄造熔模3天,鑄造10天,使整個試制任務比原計劃提前了5個月。

          3)石膏型鑄造

          精密鑄造通常被用來從3D打印件制造鋼鐵件。但對低熔點金屬件,如鋁鎂合金件、石膏型鑄造,效率更高。同時鑄件質量能得到有效的保證,鑄造成功率較高。在石膏型鑄造過程中,3D打印件仍然是可消失模型,然后由此得到石膏模進而得到所需要的金屬零件。石膏型鑄造的第一步是用3D打印件制作可消失模,然后再將3D打印消失模埋在石膏漿體中得到石膏模,再將石膏模放進培燒爐內培燒。

          這樣將3D打印消失模通過高溫分解,最終完全消失干凈,同時石膏模干燥硬化,這個過程一般要兩天左右。最后在專門的真空澆鑄設備內將熔溶的金屬鋁合金注入石膏模,冷卻后,破碎石膏模就得到金屬件了。這種生產金屬件的方法成本很低,一般只有壓鑄模生產的2%~5%。生產周期很短,一般只需2~3周。石膏型鑄件的性能也可與精鑄件相比,由于是在真空環境完成澆注,所以性能甚至更優于普通精密鑄造。


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