風機蝸殼使用快速成型技術應用研究

摘 要：報告闡述了風機蝸殼金屬3D打印工藝技術其中一項研究方案，并對此3D打印技術的金屬材料及工藝流程、成型后蝸殼隨整機進行的各類試驗進行研究說明。

中圖分類號：TH43 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）14-0216-02

1 引 言

3D打印技術在快速原型、航空、航天、生物醫療領域被廣泛運用，其中金屬3D打印機已經被運用于制造飛機零部件和醫療植入物。例如，GE航空集團計劃到2020年3D打印約10萬個Leep發動機的燃料噴嘴。而在醫療領域，Arcam迄今已經3D打印了超過50000件骨科植入物。除此之外，其它大規模應用金屬3D打印技術的行業還包括牙科和電力。例如，領先的牙科合金供應商ArgenDigital就已經在用金屬3D打印制造牙內冠和牙橋，其屬性與鑄造件不相上下。西門子也在使用該技術為電站上的燃氣輪機打印零部件。有據數據顯示金屬3D打印技術目前已經成為增材制造行業中增長最快的部分。去年，全球金屬3D打印市場中機器銷售增長了48%，材料銷售增長32%。

2 研究對象

本文選取某風機用蝸殼零件進行3D打印工藝技術研究，其形狀如圖1所示。此類蝸殼原采用鑄造的工藝加工方式進行制造，一般選材為鑄鋁ZL101A。采用鑄造成型工藝需新制模具，生產周期較長，制作效率低。從此類蝸結構上進行分析，此蝸殼外形為不同心圓弧殼設計，內腔鏤空，受尺寸限制、無法采用數控銑直接加工成形，為此、考慮使用3D打印（快速成型技術）進行加工制作。

3D打印技術是將三維設計數據進行分層切片，然后將數據輸入制造設備，通過逐層制造并層層堆積的方式，直接制造出最終產品的過程。區別于傳統制造技術“做減法”的方式，3D打印技術是一種“做加法”的增量制造技術，從設計直接到成品，省略中間各種類加工環節，實現了從“設計”到“產品”的最短途徑。

3D打印技術主要分為熔融堆積（FDM）、光固化（SLA）、激光燒結（SLS）三類。本文論述的該零件采用的是激光燒結（SLS）快速成型技術（激光燒結，又稱為選擇性激光燒結，是指利用激光對粉末材料進行高溫熔融固化，并層層堆積在一起，最終制造出實體產品的過程）。與其余兩種快速成型技術相比較，其優點是加工制造速度快、制作成本低，使用材料種類豐富，產品性能優異。缺點則是設備尺寸大，購買價格昂貴，設備普及度不高。

3 產品選用設備及材料、工藝

3.1 制造設備

目前市面上的3D打印公司在金屬打印方面多采用的是進口德國280型金屬快速成型設備。它適用于鋁合金、鈦合金、模具鋼、不銹鋼等多種金屬的快速制造，是目前全球較領先的直接用于金屬制造的設備。其制造的最大零件尺寸為250×250×325（mm），最薄壁厚接近0.3～0.4mm，制造尺寸精度為±0.1mm（100mm內），可以滿足本文蝸殼零件制造使用。

3.2 材料性能分析

對打印的零件材料進行分析。其使用的材料為定制鋁粉（鋁硅鎂合金），其粉末顆粒度為3～20？滋m，具有良好的鑄造性能，通常用于薄壁以及復雜幾何部件的制作。該金屬具有良好的強度、硬度，可以作為高負荷零件使用。制作后的零件可以根據需要進行多種后加工，包括電火花、焊接、噴砂以及拋光等多種處理工藝。

激光燒結技術是一個迅速融化再冷卻的過程，這種過程得到的部件類似于T6處理的效果，通常使用該技術制作的零部件不需要再次退火，但是需要做應力釋放（2h 300℃）。

對此材料進行分析，此定制鋁粉材料接近ZL104。根據航標鑄造鋁合金技術標準（HB962-2001）中規定的要求（砂型或金屬型鑄造試棒標準）制作試棒，并與使用金屬快速成型設備及其定制鋁粉制造的試棒進行比對。試棒樣件采用兩種狀態，即未進行熱處理和進行熱處理（應力釋放）。試棒樣件試驗測試機械性能結果見表1。

從表1試驗結果可以看出，金屬快速成型方法制造的試件，在抗拉強度、斷后伸長率、布氏硬度三個方面的材料性能都高于航標鑄造鋁合金技術標準（HB 962-2001）中鑄鋁ZL101A、鑄鋁ZL104的標準要求。

3.3 零件工藝性分析

3.3.1 工藝特性分析

蝸殼結構為整體內外腔均曲面設計、且蝸殼壁較薄，在后續加工流程中極易發生殼體變性，導致尺寸超差。

蝸殼接口部分尺寸要求精度較高，3D打印技術打印精度只能保證±0.1mm，不能滿足本型號蝸殼接口部分尺寸精度要求，通過分析可將該零件在打印完成后，再進行部分尺寸精加工。其工藝流程可安排如圖2所示。

為進一步保證成品零件的合格率，在零件精加工完成后，還可增加對零件進行X射線探傷檢測，以保證制作零件的可靠性。

3.3.2 工藝制作薄弱環節的分析

該零件壁較薄，再進行打印制作時，可對該零件的薄弱處增加支撐，但如果支撐結構的設計或支撐位置設置的不合理，則會造成后期去除困難，支撐面設計不足，產品又易變形，造成成型失敗。

針對此蝸殼結構，增加的支撐結構可設計為蜂窩式結構，強度較低，便于后續去除；支撐位置設計在如圖3所示。加工完成后還可對生成支撐的零件切片后，逐層檢查確認，防止支撐缺漏。導致成型后零件尺寸偏差。

4 整機測試

3D打印制作的蝸殼裝配整機后，按規范要求通過了熱循環、老練、力學等環境試驗，熱循環試驗次數為12.5次，溫度在-25～+60℃，熱循環試驗時間與老練試驗時間累計不少于300h。試驗后蝸殼也未出現變形、損壞等剛度、強度不夠的情況。

5 結 論

通過對3D打印技術的原理、材料、工藝特性等機理分析、性能測試等分析，說明該類似的風機蝸殼采用快速成型技術（3D打印）工藝制作的零件性能均優于常規鑄鋁ZL101A及ZL104。

收稿日期：2018-4-15