精密鑄造生產(chǎn)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

吳文俊，齊海強(qiáng)，季 飛，宋 斌

（晉西車(chē)軸股份有限公司，山西 太原 030027）

對(duì)于汽車(chē)工業(yè)、國(guó)防工業(yè)和航空航天工業(yè)來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)核心部件大多都為金屬制成，但是很多金屬零件本身有著非對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn)，甚至還有大量零部件為曲面結(jié)構(gòu)，有著較為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的鑄造過(guò)程中，大多都依靠直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷，雖然這在一些簡(jiǎn)單鑄件的制造過(guò)程中可以起到一定的作用，但是在復(fù)雜鑄件的澆筑過(guò)程中則需要反復(fù)試驗(yàn)來(lái)摸索工藝，從而大大提高了成本。但是3D打印技術(shù)的運(yùn)用，可以有效解決該問(wèn)題，降低成本的同時(shí)，也讓縮短了生產(chǎn)周期，為快速鑄造的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)近年來(lái)和互聯(lián)網(wǎng)以及機(jī)器人共同成為了第三次工業(yè)革命的標(biāo)志，從技術(shù)革命的角度來(lái)看，3D打印技術(shù)存在5個(gè)特點(diǎn)：

（1）在能源生產(chǎn)和使用層面：采用了節(jié)能和再生能源，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)化[1]。

（2）在生產(chǎn)方式層面：原有的大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)逐步被智能化大規(guī)模定制化生產(chǎn)所取代。

（3）從制造模式上來(lái)看，原有的制造業(yè)主流生產(chǎn)生產(chǎn)模式正在逐步變化，疊加式正在逐步替代消減式。

（4）從生產(chǎn)方式來(lái)看，當(dāng)前正在逐步推廣分散生產(chǎn)、就地銷(xiāo)售的生產(chǎn)模式，具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化。

（5）從生活方式來(lái)看：生產(chǎn)和消費(fèi)同時(shí)產(chǎn)生，換言之，就是“要什么就生產(chǎn)什么”。

世界各國(guó)對(duì)于3D打印都給予了極高的期待，例如著作《3D打印——從想象到現(xiàn)實(shí)》就指出，3D打印將會(huì)引發(fā)一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命，該革命不僅在于設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)也會(huì)涉及到材料、生物等領(lǐng)域，我們又向“機(jī)器制造機(jī)器”前進(jìn)了一大步。

因而幾乎在一夜之間，3D打印就在全球范圍內(nèi)掀起了熱議，而我國(guó)近年來(lái)也在科技領(lǐng)域奮起直追，一項(xiàng)新技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到如此迅速的推廣和如此熱烈的討論也是史無(wú)前例的，這說(shuō)明我國(guó)政府和很多從業(yè)人員都對(duì)于積極參與全球競(jìng)爭(zhēng)給予了更高的重視。在世界各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)和西歐各國(guó)，都將該技術(shù)提升到了世界戰(zhàn)略層級(jí)，都將其作為新一次工業(yè)革命來(lái)對(duì)待，其實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)的則是世界范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局。因此一旦機(jī)器人制造普及，3D打印技術(shù)成熟，我國(guó)的勞動(dòng)力價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)就將消失。但是目前我國(guó)的工業(yè)化水平仍然有待提高，所以需要實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，這樣才能迎頭趕上，居于世界前列。3D打印技術(shù)的發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的控制，其對(duì)象分別是物質(zhì)對(duì)象、物質(zhì)形狀以及具體的控制行為，將這三個(gè)控制結(jié)合起來(lái)，才能讓物體的加工達(dá)到預(yù)期的精度，為工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。所以，3D打印技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景。本文以某鑄件為例介紹精密鑄造生產(chǎn)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

2 設(shè)計(jì)鑄件的鑄造工藝

在鑄造工藝的設(shè)計(jì)上，采用鑄造模擬軟件來(lái)計(jì)算毛坯模數(shù)、工藝熱節(jié)以及冒口系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)即可設(shè)定澆筑過(guò)程和凝固過(guò)程，之后完成毛坯工藝設(shè)計(jì)，并分析鑄造工藝缺陷，以相關(guān)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，來(lái)進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)，從而提出更為合理的鑄造工藝方案。應(yīng)用鑄造模擬軟件來(lái)計(jì)算澆筑系統(tǒng)，確定澆口位置，從而初步完成相關(guān)工藝的設(shè)計(jì)，讓工藝試制成本得到降低[2,3]。

2.1 確定工藝流程

工藝流程的確定大體上可以分為兩個(gè)步驟：第一，采用鑄造模擬軟件當(dāng)中的鑄造工藝設(shè)計(jì)功能來(lái)計(jì)算工藝熱節(jié)，從而得到鑄件的工藝布局，進(jìn)而選擇澆筑系統(tǒng)。由此可知，在工藝方案1中，熱節(jié)大多于鑄件的側(cè)面集中，因而采用冒口澆口棒較為合適，在確定了鑄件工藝布局之后即可選用澆注系統(tǒng)。第二，結(jié)合缺陷設(shè)計(jì)澆口棒，從而得到縮松缺陷鑄件，經(jīng)由造型和涂料以及澆注溫度等形式來(lái)讓其表面質(zhì)量得到保障，之后再經(jīng)由鑄造模擬軟件來(lái)模擬鑄造過(guò)程，從而確定合理的澆筑工藝，如圖1所示。

圖1 鑄件工藝三維模型

2.2 前處理環(huán)節(jié)

在本次模擬的過(guò)程當(dāng)中，所選用的鑄件毛坯網(wǎng)格控制在2mm，將其剖分成800萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，如圖2所示。

圖2 鑄件網(wǎng)格剖分

2.3 模型構(gòu)件計(jì)算

結(jié)合工藝所需要，來(lái)加入工藝參數(shù)，具體如下：鑄件材料選用WCB，鑄型材料選用水玻璃，澆注溫度控制在1600℃，澆筑的過(guò)程中，膜殼溫度控制在700℃±10℃。

2.4 鑄造工藝判定

一般來(lái)說(shuō)可運(yùn)用鑄造模擬軟件來(lái)模擬其整個(gè)鑄造過(guò)程，并進(jìn)行驗(yàn)證。首先判斷其凝固過(guò)程、溫度場(chǎng)和縮松縮孔，這樣就可以直接確定在鑄件內(nèi)部是否存在缺陷，確保其在理論上滿(mǎn)足鑄造要求。

3 3D打印技術(shù)打印過(guò)程

3.1 生產(chǎn)設(shè)備和原理簡(jiǎn)介

采用激光粉末快速成型技術(shù)，運(yùn)用3D打印機(jī)來(lái)進(jìn)行粉末材料的燒結(jié)。在成型之前，首先在工作臺(tái)上鋪設(shè)粉末材料，之后用計(jì)算機(jī)控制激光束，結(jié)合截面輪廓加工需要來(lái)燒結(jié)實(shí)心部分的粉末。在一層燒結(jié)完畢之后，工作臺(tái)下降一層，之后重新進(jìn)行鋪粉和燒結(jié)，不斷循環(huán)這個(gè)過(guò)程，最終完成3D打印。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于粉末有一定的支撐作用，無(wú)需采用另外支撐；同時(shí)材料的來(lái)源廣泛，除了蠟粉和ABS粉之外，尼龍粉、金屬粉也可以使用，從而生產(chǎn)金屬物品和陶瓷部件。同時(shí)材料可以循環(huán)使用，具有極高的利用率，用于加工樣件、功能件，都可以有效地降低成本。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

3.2 生產(chǎn)蠟?zāi)?/h3>

蠟?zāi)さ纳a(chǎn)首先需要確定合理的蠟?zāi)こ叽纾瑸榱舜_定其在X、Y、Z三個(gè)軸上的線收縮率情況，需要結(jié)合蠟?zāi)ぁ⒑辖鸬氖湛s率以及模殼膨脹系數(shù)。在得到收縮率數(shù)值之后，就可以在MagicsRP工具當(dāng)中及時(shí)縮放零件，從而將蠟?zāi)ふ{(diào)整到合理的尺寸，從而得到一個(gè)尺寸合理的鑄件毛坯。在12.5小時(shí)的加工之后，即可生產(chǎn)出以PS粉為主材料的榮建原型，但是還需要將該模型進(jìn)行處理之后才能開(kāi)始投入使用：第一，可將鑄件原型浸泡到中溫蠟液當(dāng)中，讓其表面附著一層較薄的石蠟，在冷卻之后重新進(jìn)行浸入；第二，對(duì)冷卻完畢后的原型表面進(jìn)行打磨，以控制鑄件表面的粗糙度。

3.3 組焊蠟?zāi)?/h3>

依照既定的鑄造工藝方案來(lái)讓蠟件和澆注系統(tǒng)進(jìn)行連接。快速成型機(jī)制對(duì)于蠟?zāi)ば螤畹囊髽O高，要求其無(wú)形變且尺寸精準(zhǔn)，經(jīng)由精整處理，來(lái)提高表面光潔度，之后即可進(jìn)行組焊和制殼、脫蠟工序。在澆注的過(guò)程中，為了提高粘接的牢固度，需要采用性能與其類(lèi)似的中溫蠟，從而適應(yīng)制殼強(qiáng)度的需要，并按照熔模鑄造工藝來(lái)選取尺寸。所以組焊工藝也和傳統(tǒng)蠟?zāi)び休^多的相似之處，需要保持其內(nèi)澆口長(zhǎng)度和間距，并保證模殼放置穩(wěn)固，這樣才能給冒口收縮帶來(lái)便利。

3.4 制備型殼

經(jīng)由快速成型技術(shù)所制作的蠟?zāi)ぞ哂辛己玫耐繏煨阅埽梢岳迷械墓に噥?lái)進(jìn)行涂料的配置，并且黏漿與撒砂的制備也可以用此工藝完成。一般來(lái)說(shuō)，主要采用的粘結(jié)劑是硅溶膠、硅酸乙酯，用鋯砂粉作為面層耐火材料，煤矸石粉可用于背層。但是由于應(yīng)用的燒結(jié)粉材料具有極高的熔化溫度，缺乏流動(dòng)性，所無(wú)法應(yīng)用蒸汽脫蠟的方式來(lái)去除型殼中的原殼，但是可以基于純氧的環(huán)境之下應(yīng)用高溫灼燒的形式來(lái)去除蠟?zāi)＃部梢栽陂_(kāi)放大氣環(huán)境下來(lái)進(jìn)行焙燒。如果直接應(yīng)用高溫來(lái)進(jìn)行焙燒，則很容易由于型殼漲裂，因而制殼可采用如下工藝：首先，應(yīng)用水玻璃來(lái)進(jìn)行5層制殼；其次，制定脫蠟工藝參數(shù)，溫度170℃，壓力0.7MPa；再次，緩慢提升焙燒溫度，控制在850℃左右；最后將內(nèi)部殘留清除。最終得到鑄件。最終成品如圖4所示。

圖4 成品示意圖

應(yīng)用鑄件模擬系統(tǒng)軟件可以對(duì)工藝設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，進(jìn)而確定鑄件可能存在的中缺陷和不足，基于模擬結(jié)果，有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，這樣就能實(shí)現(xiàn)鑄造工藝的提升。在鑄件模擬軟件當(dāng)中，需要對(duì)其澆注溫度、時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)整，并改進(jìn)鑄型材料和澆口棒，之后再經(jīng)過(guò)多次模擬，來(lái)確定實(shí)際加工效果，最終達(dá)到消除鑄造缺陷的目的。總結(jié)起來(lái)，3D打印技術(shù)可以讓企業(yè)更快具備各種尺寸、復(fù)雜精密鑄件的能力，該技術(shù)的運(yùn)用可樣有效控制外協(xié)費(fèi)用，降低成本，同時(shí)也可以做到不用模具來(lái)制造單件或者小批量的精密鑄件，讓模具加工費(fèi)得到了進(jìn)一步降低。

4 總結(jié)

由于受到了研發(fā)意識(shí)的影響，同時(shí)使用者對(duì)于產(chǎn)品的性能和功能都有了更高的要求，傳統(tǒng)鑄造工藝已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足人們的使用需求了，因而3D打印技術(shù)得到了推廣和應(yīng)用， 現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為提高高端鑄件競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)保障。然而由于我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短，例如原始設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力相對(duì)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)較為落后，因而需要及時(shí)對(duì)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)公益進(jìn)步，將傳統(tǒng)鑄造技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合起來(lái)，掌握先進(jìn)工藝，這樣才能推進(jìn)我國(guó)鑄造業(yè)在新時(shí)代的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。