船舶發動機的快速成型與快速制造技術

鐘更進

（廣東交通職業技術學院，廣東 廣州510800）

快速成型(Rapid Prototyping,簡稱RP)技術是20世紀80年代后期發展起來的,是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱。

1986年美國3D Systems公司率先推出了稱為Stereolithography Apparatus（簡稱SLA）的激光快速成型制造系統，引起工業界的廣泛興趣并且RP得到了異乎尋常的迅猛發展。

目前美國在RP領域處于主導地位，德國、以色列、日本也處于國際領先水平。在RP領域國內有清華大學、西安交通大學、南京航空航天大學、華中科技大學，北京隆源公司等。

隨著小型船舶產品更新換代節奏的加快，對小型船舶發動機新品的研發速度要求越來越高。市場競爭的愈演愈烈也急迫地要求開發商和制造商對其成本和質量進行有效地管控，這就把許多面臨地問題歸結到制造技術和先進的工藝上來。發動機本身的結構十分復雜，包括大量復雜的鑄件、鍛壓件等等，在發動機的開發過程中各種零件模具的制造都是生產周期最長，花費最多的環節之一。如果一旦發生設計更改必須進行修模甚至重新制作模具，這使得一款新發動機的推出往往周期很長。

采用快速成型方法生產發動機樣機省略了制作模具的工序，使發動機的研制周期大大縮短，一套發動機的主要部件，包括缸體、缸頭、進排氣管等在幾周內就可制造完成，用于后期的試驗研究，如果設計需要更改，只需更改CAD數據，在很短的時間內就可制作出修改后樣機，進行進一步的試驗評定。

1 快速成型技術

RP技術基本原理：離散—堆積（疊加）。

快速成型的基本原理是離散疊加制造，一個零件不管其外形和內腔是多么復雜，都可以用一組平行平面去截該零件，得到一系列足夠薄的切片，這些薄切片可以近似的看作二維零件模型，用不同的使能技術將這些薄切片逐層制作，同時使這些薄片按照一定的規則堆積起來就可以得到一個完整的零件。目前成熟的快速成型技術有很多，這里僅介紹最適于發動機部件制作的選區激光燒結（簡稱SLS）方法。

選區激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)是利用紅外激光光束所提供的熱量熔化熱塑性材料以形成三維零件。

選區激光燒結的原理如圖1所示。加工開始時先將一層很薄(100μm~250μm)的熱塑性粉末均勻地鋪在工作平臺上，輔助加熱裝置將其加熱到熔點以下的溫度，在均勻的粉末表面，計算機控制激光按照零件當前層的信息掃描，激光掃描到的地方粉末燒結形成固體，激光未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一層的支撐并能在成型完成后去除。上一層制作完畢后成型活塞下降一層，供粉活塞上升，用鋪粉滾筒將粉體從供粉活塞移到成型活塞，將粉體鋪平后即可掃描下一層。不斷重復這個輔粉和選區燒結過程直到最后一層，一個三維實體就制作出來了。

圖1 選區激光燒結的原理

選區激光燒結的最大特點：一是成型過程與復雜程度無關，因此特別適合于內部結構極其復雜的發動機缸體、缸蓋、進排氣管等部件；另一個重要的特點是成型材料廣泛，特別是可以用鑄造的樹脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通過與鑄造技術結合，快速鑄造出發動機的部件。

2 快速鑄造技術

快速鑄造（Quick Casting或Rapid Casting）技術是將快速成型與傳統鑄造技術有效結合快速制造復雜金屬零件的技術。發動機的缸體、缸頭一般都是鑄造產品，利用快速鑄造技術可以在很短時間內得到與最終產品材料一致、性能接近的發動機產品供測試與檢驗。

快速鑄造的工藝流程如圖2所示，利用選區激光燒結實現快速鑄造的途徑有二條：一種是通過激光直接燒結鑄造用熱固化樹脂砂，再通過砂型鑄造得到鑄件；另一種方法是用激光直接燒結可消失的樹脂粉末或蠟粉，再通過精密鑄造工藝得到鑄件。這兩種方法的共同特點都是省略了模具制造。因此，如果用于單件或小批量的生產，生產周期大大縮短了。

圖2 快速鑄造與傳統鑄造過程

用快速成型的方法制作砂型，首先要根據零件的三維CAD毛坯模型設計出組合砂型模型。為了與后續的批量生產工藝靠近，砂型模型應盡量與通過模具制作的砂型模型保持一致，將砂型模型的各部分經過軟件的分層處理轉換為快速成型設備的加工文件，就可以進行激光燒結成型了。

圖3是激光燒結成型的一個復雜砂型。成型用的樹脂砂與通常使用的熱固化樹脂砂極為相似，只不過對砂的粒徑分布和形態，樹脂成分及表面處理等方面有更嚴格的指標。成型時的層厚一般為0.2 mm，精度可控制在±0.25 mm以內。由于激光掃描的速度很快，樹脂在成型時不能達到完全固化。成型后將未燒結的浮砂清除后，砂型一般要放到加熱箱中進行二次固化。經二次固化后的砂型可達到與射芯機制得的砂型相同的性能。由于發動機的部件大多采用砂型鑄造，因此快速砂型鑄造已成為發動機樣機試制的最常用和最有效的方法。

圖3 采用激光燒結法之中的鑄造砂型

采用熔模快速鑄造的方法是用50~80 m的可消失樹脂粉末或蠟粉為原料，將零件的三維CAD毛坯模型直接進行分層處理后，用激光將粉末直接逐層燒結成與零件毛坯一致的精密熔模，再將熔模直接通過石膏型或陶瓷型殼鑄造得到所需要的鑄件。采用快速精密鑄造制作的零件表面質量好，精度高，不需要設計砂型模型等步驟，工藝過程相對簡單。同時由于零件毛坯的體積往往小于砂型的體積，因此用SLS直接成型熔模較之成型砂型速度更快，成本相對更低。但是熔模鑄造一般比較適合于薄壁零件，對于厚壁零件往往因冷卻速度慢導致出現縮松等鑄造缺陷，因此這種方法在發動機部件的制作中一般用于進排氣管等相對壁厚較薄的零件，圖4是用可消失樹脂粉直接燒結成型的發動機進氣管的鑄造熔模。

圖4 進氣歧管熔模

3 應用實例

鋁合金進氣管零件的快速制造。從收到零件的三維CAD數據到毛坯完成僅10天時間，其中零件熔模的快速成型1天，熔模鑄造7天，其他后處理及檢驗2天。進氣道是發動機極其重要的組成部分，由復雜的自由曲面構成，其對提高進氣效率，改善燃燒過程有十分重要的影響。在發動機的設計過程中，需要對不同的進氣道方案進行氣道試驗。傳統的方法是加工出十幾個或幾十個截面的氣道木模或石膏模，再翻制成砂模鑄造出氣道。對氣道進行試驗找出不足后，還要重新修改模型。如此反復，費時費力，而且精度難以保證。采用快速成型方法，可一次性地提供一組不同曲面的CAD數據，通過快速鑄造，同時得到一組進氣管零件。經過測試，得到一組不同氣道結構的全面的數據，從而篩選出最佳的氣道方案，加快了研制速度，如圖5所示。

圖5 用快速精制作的鋁合金進氣管

相對于小型船舶進氣管，發動機的缸體和缸蓋結構更為復雜，但是快速成型的最大優點就是與復雜程度無關，越復雜的零件越適合快速成型制作 由于缸體、缸蓋的內部結構復雜且壁厚相對較厚，制作這些零件的最佳方法是快速砂型鑄造。圖6是用快速砂型鑄造獲得的一組缸體和缸蓋的鋁鑄件。此類零件的制作周期平均約2~3周。由于鑄造工藝與最終生產工藝極其相近，零件的尺寸精度和機械性能與最終產品零件具有很強的可比性。因此，快速砂型鑄造的缸體缸蓋可直接用于發動機的各種評價試驗，如對氣道進行流動分析，對水道進行冷卻性能測試。

圖6 動機缸體鑄件

4 結束語

快速成型與鑄造技術結合，衍生出快速鑄造技術，其工藝特征是簡捷、準確、可靠和具有延展性，可有效地應用于發動機設計開發階段中樣機的快速制造。其適合單件和小批量試制和生產的特點，可迅速響應市場和提供小批量產品進行檢測和試驗，有助于保證產品開發速度 其成型工藝過程的可控性，可在設計開發階段低成本地即時修改，以便檢驗設計或提供裝配模型，其有助于提高產品的開發品質，其快速成型原材料的多元性，為產品開發階段提供了不同地工藝組合，由于SLS原材料的國產化和成型工藝可與傳統工藝有機結合，有助于降低開發成本，其組合工藝的快捷性，支持產品更新換代頻次的提高，有助于推動產品早日進入市場。

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