基于3D打印技術的離心泵葉輪快速精鑄工藝研究

姜耀林，邵中魁，郭 嘉

(浙江省機電設計研究院有限公司，杭州 311305)

0 引言

熔模精密鑄造是鑄造行業中一項優異的新技術，是一種新的近凈成形先進工藝，它獲得的產品精密、復雜，接近于零件最后形狀，可不加工或很少加工就直接使用，其應用非常廣泛[1]。但是，傳統熔模精密鑄造方法需要通過模具或者機加工來制造熔模，生產工藝復雜、開發周期長、制造成本高、制造精度不易控制，尤其是對于一些形狀復雜零件的熔模制作異常困難，需耗費大量的人力、物力和財力，難以實現復雜精密鑄件的快速制造，直接影響產品開發效率，無法適應快速多變的市場需求。因此，迫切需要尋找一種快速準確的制作熔模的方法，來替代目前傳統的熔模制作方式。

3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”[2]。3D打印技術的制造原理是基于“增材制造”的思想[3]，即在計算機控制下，以數字模型文件為基礎，分層處理后運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式，將“打印材料”一層層疊加起來，最終完成零件的成形與制造[4,5]。3D 打印與傳統的加工工藝通過切削、打磨、沖壓等來實現產品成型的過程具有本質區別，僅利用三維設計數據在一臺設備上即可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，且無需模具，產生極少的廢料，有效縮短了加工周期，易于實現單件小批量復雜形狀產品的快速制造，在非批量化生產中具有明顯的成本和效率優勢[6]。

本文以具有典型復雜型面的離心泵葉輪為應用范例，研究一種基于3D打印技術的快速精鑄工藝，主要技術路線如圖1所示：首先基于Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型并進行CAD優化設計，再基于RPData軟件對葉輪模型進行前處理，然后通過3D打印機加工出葉輪樹脂原型并進行后處理，最后以此葉輪樹脂原型為熔模進行熔模精密鑄造，最終得到離心泵葉輪精密金屬零件。

圖1 本文主要技術路線

本文研究的基于3D打印技術的快速精鑄工藝通過3D打印機直接制作任意復雜結構的高精度樹脂熔模，與傳統鑄造方法相比省去了模具加工制造的環節，有效縮短產品開發制造時間，減小生產成本，可以快速、經濟地實現復雜形狀零件的熔模精密鑄造，特別適合于復雜形狀零件的單件、高精度生產制造領域，具有良好的產業化應用前景。

1 光固化快速成型原理

光固化快速成型技術是目前加工精度最高的一種3D打印技術，它的成型原理為：以液態光敏樹脂為加工材料，計算機控制紫外激光束按加工零件的分層截面信息逐層對光敏樹脂進行掃描，使其產生光聚合反應[7]，每次固化形成零件的一個薄層截面；每一層固化完畢之后，工作平臺移動一個層厚的高度，然后在原先固化好的樹脂表面再涂敷一層新的液態樹脂，以便進行下一層掃描固化；新固化的一層牢固的粘合在前一層上，如此重復直至零件原型制造完畢。具體的光固化3D打印成形過程如圖2所示。

圖2 光固化3D打印成形過程

2 葉輪模型CAD優化設計

首先利用Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型，如圖3、圖4所示。由圖可知，該離心泵葉輪主要由葉片、后蓋板、澆冒口等三部分結構組成，且葉輪結構形狀復雜，尤其是離心泵葉片在徑向與軸向雙重扭曲，采用傳統方法制造葉輪模型將會存在很大的困難，模具結構復雜，難以脫模，且難以保證制造精度。而3D打印技術的分層制造特性決定了其制造過程與零件形狀復雜程度無關，因此，本研究采用3D打印技術制造葉輪熔模將極大地提高生產效率，降低制造成本。

圖3 離心泵葉輪三維模型

圖4 離心泵葉輪模型剖視圖

因為金屬鑄造零件不可避免地存在收縮現象，需對葉輪模型進行預縮放處理。綜合考慮葉輪材料（普通碳鋼）及后續實際精鑄工藝，確定葉輪鑄造過程中的收縮率，據此預先將葉輪三維模型按一定的尺寸比例進行放大。

為了節約材料，提高打印速度，對葉輪模型進行抽殼優化設計。圖5所示為在Pro/E軟件中利用混合掃描的方法對離心泵葉輪模型進行抽殼優化設計，圖6所示為抽殼優化后的葉輪模型，其中抽殼壁厚為0.8mm。

圖5 混合掃描

圖6 抽殼優化后葉輪模型

3 葉輪模型3D打印成形

將完成優化設計后的葉輪模型導入RPData軟件進行前處理，選擇成形方向并設計輔助支撐，完成前處理后的葉輪如圖7所示。

圖7 完成前處理后的葉輪模型

圖8 葉輪模型打印成形過程

將葉輪模型分層處理，分層厚度0.1mm，分層后轉換成激光快速成型機可以識別的數據格式并導入3D打印機，然后在RpBuild工藝控制軟件中設置好工藝參數后開始直接打印成形。圖8所示為葉輪模型打印成形過程。圖9所示為打印成形后的帶支撐的樹脂葉輪。

圖9 樹脂葉輪打印成形

為提高原型件的尺寸精度、強度、硬度、表面質量等性能，將打印完成后的葉輪樹脂模型依次進行清洗、去除支撐、后固化、表面打磨等后處理工作。圖10所示為對去除支撐后的葉輪樹脂模型進行后固化處理。圖11所示為后處理完成后的葉輪整體樹脂模型。

圖10 葉輪樹脂模型后固化處理圖

圖11 經后處理的葉輪樹脂模型

4 熔模精密鑄造實驗

最后將此葉輪樹脂模型作為熔模進行熔模精密鑄造。首先在葉輪樹脂模型表面粘制蠟澆鑄系統，在此基礎上再進行掛漿撒砂制殼，每掛一次漿對應地撒一層砂，等前一層型殼干燥硬化后再次掛漿撒砂制下一層型殼，且除首次掛漿后撒鋯英砂外后面每次撒砂都撒莫來砂。如此重復進行5次掛漿并撒砂過程，然后再封漿處理，待其干燥硬化后型殼制作完成[8]，如圖12所示。

圖12 制作完成后的整體型殼

圖13 高溫焙燒爐

將型殼整體放入高溫焙燒爐里高溫脫樹脂，如圖13所示。高溫焙燒時間約為1小時。等焙燒完畢后，型殼內部樹脂葉輪消失，型殼內部完全為中空結構，直接往型殼內部澆鑄熔融金屬液，如圖14所示。

圖14 澆鑄熔融金屬

圖15 冷卻金屬葉輪鑄件

冷卻后的金屬葉輪鑄件如圖15所示。由圖可見，冷卻后的金屬葉輪外部包覆著一層厚厚的型殼。

因為包覆在鑄件表面的型殼強度較高，采用手工方法難以去除堅硬型殼，在此本文采用震動脫殼的方法去除型殼。將冷卻后的金屬鑄件放置到震動脫殼機上進行震動脫殼，如圖16所示。

圖16 震動脫殼

圖17 脫殼后的鑄件正面

震動脫殼工序完成后鑄件表面的型殼被基本清除干凈，但鑄件表面還殘留有少量難以去除的型殼，如圖17所示。

采用火焰切割機將金屬葉輪與澆鑄系統分離，得到兩個獨立的金屬葉輪，如圖18所示。

圖18 脫殼后的鑄件正面

為了進一步清除金屬葉輪表面殘留的型殼，并提高零件表面質量，對兩個金屬葉輪進行表面噴砂處理。完成噴砂處理后最終得到的兩個離心泵葉輪金屬零件如圖19所示。

圖19 離心泵葉輪金屬零件

5 葉輪鑄件精度測量

為了檢驗本文研究的“基于3D打印技術的快速精鑄技術”具體可以達到的“尺寸精度”及“表面粗糙度”這兩項性能指標，現對前述兩個離心泵葉輪金屬零件分別進行尺寸精度測量及表面粗糙度測量。

首先是尺寸精度測量。選擇葉輪樹脂模型四個具有代表性且便于測量的尺寸進行測量，尺寸測量示意圖如圖20所示。

圖20 尺寸測量示意圖

將兩個離心泵葉輪金屬零件分別編號為1號葉輪、2號葉輪，尺寸測量結果分別如表1、表2所示。在此需要說明的是，此處尺寸精度等級按國際通用的熔模鑄件尺寸公差等級計算。

表1 金屬葉輪1號尺寸測量結果

表2 金屬葉輪2號尺寸測量結果

由表1、表2可知，兩個離心泵葉輪金屬零件的絕對尺寸誤差范圍為-0.17～+0.21mm，且其尺寸精度等級都達到CT4級尺寸公差。

在完成葉輪產品尺寸精度檢驗的基礎上，再測量葉輪產品的表面粗糙度。在葉輪零件表面分別隨機選擇均勻布置的10個點進行表面粗糙度測量。粗糙度測量結果如表3、表4所示。

由表3、表4可知，兩個離心泵葉輪金屬零件的表面粗糙度范圍為2.88um～6.00um，說明表面粗糙度可達Ra6.3um以下。

6 結論

1）本文研究了一種基于3D打印技術的離心泵葉輪快速精鑄工藝，且其主要工藝過程歸納如下：首先基于Pro/E軟件建立離心泵葉輪的三維模型并進行模型縮放、抽殼等CAD優化設計，再基于RPData軟件對葉輪模型進行前處理，選擇成形方向并設計工藝支撐，然后通過3D打印機直接打印成形，得到葉輪樹脂模型，并進行清洗、去支撐、打磨、后固化等后處理工序，最后以此葉輪樹脂模型為熔模進行熔模精密鑄造，依次進行制殼、焙燒、澆鑄、脫殼、打磨噴砂等工序，最終得到離心泵葉輪精密金屬零件。

表3 金屬葉輪1號表面粗糙度測量結果

表4 金屬葉輪2號表面粗糙度測量結果

2）本文研究的基于3D打印技術的離心泵葉輪快速精鑄工藝，所制造的離心泵葉輪金屬零件的尺寸精度可達CT4級，表面粗糙度可達Ra6.3um以下。

3）本文研究的基于3D打印技術的離心泵葉輪快速精鑄工藝具有很強的通用性，除了離心泵葉輪零件以外，該工藝也可以廣泛應用于其他復雜結構零部件的單件、小批量快速制造，具有良好的產業化應用前景。

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