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3D打印在 精密铸造行业应用:

发布日期:2019-05-17 16:35:20

  快速成 形制造技术是目前国际上成型工艺中备受关注的焦点。铸造作 为一项传统的工艺,制造成本低、工艺灵活性大,可以获 得复杂形状和大型的铸件。充分发 挥两者的特点和优势,可以在 新产品试制中取得客观的经济效益。

  

3D打印在
精密铸造行业应用

 

  3D打印包括SLS、SLA、SLM等3D打印成型方 法,与传统制造方法不同,3D打印从零件的CAD几何模型出发,通过软 件分层离散和数控成型系统,用激光 束或其他方法将材料堆积而形成实体零件,所以又 称为材料添加制造法。由于它 把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可 以在不用模具和工具的条件下几乎能够生成任意复杂形状的零部件,极大地 提高了生产效率和制造柔性。

  

3D打印在
精密铸造行业应用

 

  与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模 等制造手段一起,快速自 动成型已成为现代模型、模具和 零件制造的强有力手段,是目前 适合我国国情的实现金属零件的单件或小批量敏捷制造的有效方法,在航空航天、汽车摩托车、家电等 领域得到了广泛应用。 3D打印技 术能够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可消失熔模以及用于砂型铸造的木模或砂模, 解决了 传统铸造中蜡模或木模等制备周期长、投入大 和难以制作曲面等复杂构件的难题。而精密铸造技术(包括石膏型铸造)和砂型铸造技术,在我国 是非常成熟的技术,这两种 技术的有机结合,实现了 生产的低成本和高效益,达到了 快速制造的目的。

  

3D打印在
精密铸造行业应用

 

  3D打印技术的特点

  3D打印的 过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模 型或曲面模型文件,将其转换成特定的文 件格式,再用相 应的软件从文件中“切”出设定 厚度的一系列片层,或者直接从CAD文件切 出一系列的片层。这些片 层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后,将上述 每一片层的资料传到快速自动成型机中去,用材料 添加法并以激光为加热源,依次将 每一层烧结或熔结并同时连结各层,直到完成整个零件。成型材 料为各种可烧结粉末,如石蜡、塑料、低熔点 金属粉末或它们的混合粉末。 3D打印技 术与传统方法相比具有独特的优越性,其特点如下:

  1.方便了 设计过程和制造过程的集成,整个生产过程数字化,与CAD模型具 有直接的关联性, 零件所见即所得,可随时修改、随时制造,缓解了复杂结构零件CAD/CAM过程中CAPP的瓶颈问题。

  

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  2.可加工 传统方法难以制造的零件材质,如梯度材质零件、多材质零件等,有利于新材料的设计。

  3.制造复 杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低,用工程 材料直接成形机械零件时,不再需要设 计制造毛坯成形模具。

  4.实现了 毛坯的近净型成形,机械加 工余量大大减小,避免了材料的浪费,降低了能源的消耗, 有利于 环保和可持续发展。

  5.由于工 艺准备的时间和费用大大减少,使得单件试制、小批量 生产的周期和成本大大降低,特 别适用 于新产品的开发和单件小批量零件的生产。

  6.与传统方法相结合,可实现快速铸造、快速模具制造、小批量 零件生产等功能,为传统制造方 法注入新的活力。

  

3D打印在
精密铸造行业应用

 

  3D打印技 术在铸造中的应用

  (1)精密铸造

  精密铸 造是所有铸造方法中最精确的一种,精度一般优于0.5%,且可重复性好,铸件只需少量的 机加工 就可以投入使用。由于铸 模是一次性使用,使得制 造内部结构复杂的零件成为了可能,能生产 锻造或机加工不能生产的零件。尽管精 密铸造有着很多的优越性,但其生 产过程复杂且冗长。压制蜡模的铝模制作,视其复 杂程度和尺寸大小,一般要 花几周到几个月时间。得到铝模后,还要几 周时间才能得到铸件。这几周 主要是用于制作型壳。除了耗时外,精密铸造还很费工,50%~80%的费用都出自于人工。此外,小批量 生产中的模具费用分摊至使单价昂贵。 3D打印和 精密铸造是互补的,这两种 方法都适用于复杂形状零件的制造。如果没有快速自动成 型,铸模的 生产就是精密铸造的瓶颈过程;然而没有精密铸造,快速自 动成型的应用也会存在很大的局限性。

  

3D打印在
精密铸造行业应用

 

  3D打印技 术在精密铸造中的应用,可以分为三种:

  一是消失成型件(模)过程,用于小批量件生产;

  二是直接型壳法,用于小量生产;

  三是快 速蜡模模具制造,用于大批量生产。

  (2)快速铸造

  在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业,其基础 的核心部件一般均为金属零件,而 且相当 多的金属零件是非对称性的、有着不 规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零 件的生产常采用铸造或解体加工的方法,快速铸造是所有采用3D打印件 做母模或过渡模来复制金属件的方法中最具吸引力的一种。这是因 为铸造工艺能生产复杂形状的零件。 在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型、压铸模 的制造往往是用机加工的方法来完成的,有时还需 要钳工进行修整,周期长、耗资大,从模具 设计到加工制造是一个多环节的复杂过程,略有失 误就可能会导致全部返工。

  

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精密铸造行业应用

 

  特别是 对一些形状复杂的铸件,如叶片、叶轮、发动机缸体和缸盖等,模具的 制造更是一个难度非常大的过程,即使使 用数控加工中心等昂贵的设备,在加工 技术与工艺可行性方面仍存在很大困难。 3D打印技 术与传统工艺相结合,可以扬长避短,收到事半功倍的效果。利用3D打印技术直接 制作蜡模,快速铸 造过程无需开模具,因而大 大节省了制造周期和费用。图2为采用 快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件,按传统 金属铸件方法制造,模具制 造周期约需半年,费用几十万;用快速铸造方法,3D打印铸造熔模3天,铸造10天,使整个 试制任务比原计划提前了5个月。

  3)石膏型铸造

  精密铸 造通常被用来从3D打印件制造钢铁件。但对低熔点金属件,如铝镁合金件、石膏型铸造,效率更高。同时铸 件质量能得到有效的保证,铸造成功率较高。在石膏型铸造过程中,3D打印件 仍然是可消失模型,然后由 此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。 石膏型 铸造的第一步是用3D打印件制作可消失模,然后再将3D打印消 失模埋在石膏浆体中得到 石膏模,再将石 膏模放进培烧炉内培烧。

  

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  这样将3D打印消 失模通过高温分解,最终完全消失干净,同时石膏模干燥硬化,这个过 程一般要两天左右。最后在 专门的真空浇铸设备内将熔溶的金属铝合金注入石膏模,冷却后,破碎石 膏模就得到金属件了。这种生 产金属件的方法成本很低,一般只 有压铸模生产的2%~5%。生产周期很短,一般只需2~3周。石膏型 铸件的性能也可与精铸件相比,由于是 在真空环境完成浇注,所以性 能甚至更优于普通精密铸造。

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