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2020年 07月 31日 星期五
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增材制造技术在船用铸件生产中的运用及技术特

  增材制造技术,俗称3D打印。和传统通过机械加工成型的减材制造技术及通过铸造、锻造、轧制成型等制造方式的不同之处,在于增材制造技术是通过计算机设计3D建模,通过切片分为单层处理,然后进行逐层打印来堆积材料,最终形成三维产品的一种高效的成型制造技术。增材制造技术的实现需要计算机数字模拟、机电控制技术、材料学、信息处理技术与化学等诸多学科前沿技术相结合,被誉为“第三次工业”的核心技术。且已经在汽车、医疗、飞机制造、军事工业等领域中得到广泛应用。而随着技术的不断进步,作为制造业中重要的一环造船工业,增材制造技术也在船舶建造及船用产品制造领域得到了应用,促进了船舶及其配套产品制造技术及能力的快速发展。

  增材制造技术可以直接将虚拟化的计算机模型转变为可见的产品,其主要特点在于大大简化了传统生产流程,有效降低了研发成本和周期。特别是极大降低和简化了复杂结构零件的生产成本和生产流程,在产品设计环节具有极大的推动作用。

  其中之一是快速原型技术及基于这样技术的快速模具制造技术,该种成型方式主要用于新产品的设计开发、快速制造模具以及精密熔模铸造。通俗一点说,该运用方向主要不是直接面向产品的打印制造,而是制造模型、模具、制模等用途。

  另一个使用方向是高性能金属构件直接制造技术,这方面的技术采用高能束流,例如电子束、激光束、等离子或离子束等,对原型金属丝材,粉末进行凝固堆积或者逐层熔化,直接打印出强度高、力学性能好的金属部件,这是增材制造技术运用最有价值的方向。

  增材制造技术目前在铸造领域的运用主要是在快速制造砂型、直接打印金属产品、模具制造、精密熔模铸造、再制造等方面。而船用铸件制造方面,不管是船体结构铸件还是柴油机等机械零部件铸件,其特点要么是一船一设计的小批量定制铸件,要么就是如气缸盖、气缸体等结构复杂的铸件,应该说常适合采用增材制造技术进行生产。但由于铸件尺寸一般相对较大,金属增材制造技术直接应用于零部件的制造在成本、效率方面均与期望值存在较大的距离。因此,目前在船用铸件生产领域多还是采用增材制造技术来快速打印复杂形状的模具和砂型实现复杂铸件的快速铸造。

  本文主要由笔者结合船用产品铸件工厂认可中所涉及的三维喷涂粘结成型(Three Dimensional Printing,3DP)直接制造砂型的工艺,来对比与传统手工/机器造型的铸造方法的不同,从而分析其技术特点。

  3DP打印砂型与传统铸造中从模具设计开始的制造工艺相比,其生产流程可以大大缩短。在传统铸造中,前期的模型制造、造型、制芯、合箱这4 个工序可以由3DP快速成型一个工艺来代替,从而直接打印出砂芯,这样就大大减少了产品的制造周期。其特别适合于传统铸造前期的工艺论证和小批量但结构复杂的铸件生产。

  2、三维喷涂粘结成型制造砂型的技术线DP快速成型的技术线D打印的技术线DP快速成型技术由于其使用的原材料价格低廉,主要为石英砂、树脂及固化剂,而且其成型过程无需烧结处理,只需粘结剂硬化,技术已经比较成熟,在一定尺寸下可以打印出任何复杂形状铸件的砂型。

  3DP具体的工艺线为:根据设计好的铸造工艺输入计算机中的砂芯结构图纸(三维建模)将建模的数据导入打印设备预备打印准备打印材料,在控制系统中设置打印参数打印机自动打印成型吹掉未用浮砂,清理,组芯浇注生产。

  打印砂芯的方法图2所示:采用粉末(石英砂)材料成形,打印头在石英砂上在计算机控制下按事先输入的截面的轮廓数据有选择性的定量喷射粘,喷涂完毕后,成型缸下降一个设置好的距离(片层厚度),再铺一层石英砂,喷头又照此喷射粘结剂建造层面,如此周而复始,最终吹掉浮砂形成实体。

  (2) 砂型芯表面质量好,尺寸精度高且砂型芯可以在常温下固化成型,无后续固化导致的收缩变形,因此不用经过机加工就可直接使用。

  (3) 产品制造过程由复杂变为简单,操作要求大大降低,可以解决相关产业专业人员缺乏、后继乏人的问题。传统手工造型操作繁琐,对操作人员技术和责任心要求较高;而3DP打印砂型精度高、数量少,可以大幅提高铸件表面品质和尺寸精度,整体尺寸一致性高,同时对人员要求较低,无需技术熟练工人也能实现生产。

  本次认可工作中选择的典型型式试验产品之一就是气缸盖,该产品是柴油机中重要零部件之一,认可中选择的是某240柴油机气缸盖,材质为RuT300,单件重量210kg,要求Rp0.2240Mpa,Rm300Mpa,A5%2,硬度:140~217HB,金相组织:铁素体90%,蠕化率50%,表面质量公差等级不能大于CT12。

  气缸盖是一个立体铸型中由多个孔系、孔道组成的内部结构极为复杂的铸件,虽然铸件不大,但是其内部结构非常紧凑、重要多、而且壁厚不均,最小壁厚6mm,最大壁厚48mm,铸件的冷却条件非常复杂。在这铸件内部布置有进气道、排气道、冷却水道/腔、滑油孔、喷油器孔、螺栓孔、弹簧座孔,结构非常复杂。同时,水道/腔、滑油孔/腔等还要进行水压试验,能一定压力情况下不泄漏,因此铸造难度较大。

  传统的铸造工艺手工造型和射芯机生产,如图4所示:该图是240柴油机气缸盖整个组合砂型,其由以下砂芯组成:烟杆砂芯、螺栓孔砂芯、高压油孔砂芯、上水腔砂芯、进气道砂芯、排气道砂芯、下水腔砂芯等24个砂芯,和上、下两个外型构成一个完成的浇铸砂型。而且内部所有的砂芯需要分离开,并且对有孔位,气道,水腔的砂芯进行定位,操作时工人必须严格按照作业指导书中所的流程对砂芯进行组芯和定位,且在组芯和定位过程中还需要使用专用卡板等进行微调,这就对工人提出了极高的操作要求,需要专业熟练的工人才能组芯合格,即便是这样,由于多个砂芯组合带来的累进误差,往往也容易导致误差产生,最终使得铸件壁厚、尺寸不合格从而报废。

  而采用3D打印快速砂型技术,工艺设计的关键点就是清砂过程顺利,型腔中每个角落中的浮砂都能清理干净,并且能够目视检查,同时涂料流涂时型腔内部均能上涂料的前提下,尽可能的减少型芯数量,减少主体砂芯数量,从而达到减少组芯的难度,减少组芯的累计误差,降低砂铁比的目的。本次认可产品采用砂芯随型设计带出铸件的主体结构的设计思想,气缸盖的砂芯分割设计为四个部分组成,如图所示:1号为底板砂芯,它由下水腔、进气道、排气道芯、螺杆芯组成,顺带打印出铸件的横浇道、过滤网和内浇道。2号砂型为螺杆处组合,便于涂料流涂和清砂检查;3号为上水腔砂芯,顺带打印出铸件的字号;4号芯为盖板砂芯,顺带打印出排气系统和发热冒口。

  同时冒口、排气孔、补贴需要在设计先明确,不同于传统造型中需要事先预埋绳或者钻孔,采用3D打印技术时,只需要直接打印出排气系统、冒口以及补贴预留孔,随后在进行装配中镶入补贴。另外,砂芯上设计凹凸的自锁定位装置及吊运结构和标识等辅助结构。

  使用某公司3D打印设备进行砂芯打印,待粘结硬化后清砂,刷涂,组芯,浇铸。打箱清理后的产品经检验,力学性能、金相组织均满足试验大纲要求,如图所示,尤其是外观质量良好,皮缝少且容易处理。由于大幅度减少砂芯数量,减少了砂芯装配过程中产生累计误差,气缸盖的尺寸精度好,经划线验证,铸件尺寸精度可以达到GB /T 6414-1999的CT8级,内腔壁厚均匀。

  与传统铸造工艺相比,增材制造快速成型技术具有简化传统生产流程,缩短研制周期,加快生产效率,提高铸件表面质量的优点。虽然目前在批量产品的制造成本和大型铸件运用方面还存在一定制约,但是随着技术的不断发展,特别是高性能金属直接打印制造技术的应用方面,增材制造技术应该有更加广阔的发展空间。目前在船舶的设计方面,使用快速原型技术,按照一定比例打印出船模,可进行常规水池试验和空气动力学测试。

  在船用机械部件的制造与维修方面,增材制造技术可实现高性能金属构件修复,例如采用3D打印技术局部修补大型锻件的缺陷,提高锻件合格率。对齿轮、轴承等易断裂或易磨损零件进行修复等。

  在材料的表面改性方面的运用,特别是在大型零件的局部强化方面优势明显。船用螺旋桨由于空泡效应、应力腐蚀等造成的表面损坏,船用柴油机中部件工作条件恶劣,高温、重载、振动。因此,缸套内表面、活塞环槽,顶面、连杆杆身、曲轴轴颈圆角、齿轮表面等部位都需要强化。金属增材制造技术可以应用于以上部位的表面的强化,提高表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性。

  1、标准、规范、指南的缺失是制约增材制造技术发展的重要瓶颈,虽然英国劳氏船级社已于2016年1月7日发布了增材制造技术认可指南, DNV-GL、ABS、BV随后也发布了相应指南,而各个船级社增材制造指南内容差异较大,侧重各有不同。包括侧重打印方证,产品性能检测等。总的来说,指南是代表各船级社在该领域的一种探索及发展方向。CCS也将发布增材制造认可检验指南。同时,加大与业界的沟通与交流,了解业界的需求及技术发展方向,从而使CCS指南能更加贴合实际。

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