汽車(chē)核心零部件，泵體、閥體、殼體、以及能源行業(yè)的閉式葉輪，這些是與復雜、高精度、難加工緊密聯(lián)系的技術(shù)高地。
3DP粘結劑噴射技術(shù)，其特點(diǎn)是工業(yè)級效率、速度快、精度高，再加上允許大尺寸打印，并且不僅僅可以打印砂子，還可以打印PMMA材料，可以說(shuō)3DP技術(shù)與生俱來(lái)就適合高端工業(yè)制造，尤其是快速試制和小批量生產(chǎn)領(lǐng)域。本期，3D科學(xué)谷結合voxeljet維捷在國外的幾個(gè)典型應用案例，為您盤(pán)點(diǎn)3DP技術(shù)在復雜的關(guān)鍵零部件領(lǐng)域的精彩應用。
駕馭復雜性的簡(jiǎn)單之道
薄壁離合器殼體鑄造薄壁結構的零件，尤其是薄壁離合器殼體，這對砂型制造提出了很大的挑戰。voxeljet維捷與Koncast通過(guò)3D打印砂模，鑄造離合器外殼的方法，在不到五天的時(shí)間就解決了這一技術(shù)難題。
這款鋁制離合器箱是用來(lái)做設計驗證過(guò)程中的原型，尺寸為465毫米×390毫米×175毫米，重7.6公斤。通過(guò)voxeljet維捷的3D打印機來(lái)完成砂模制作，voxeljet維捷專(zhuān)家選用了高質(zhì)量的GS09砂來(lái)達到極薄的壁厚打印。
更優(yōu)質(zhì)的砂帶來(lái)更精細的分辨率，并提供了最佳的鑄造表面質(zhì)量。在z軸方向上，精度是使用標準砂的兩倍。
鑄造過(guò)程采用的是G-AlSi8Cu3合金，溫度達到了790°C。這個(gè)過(guò)程生產(chǎn)的離合器與后面測試通過(guò)后批量生產(chǎn)的零件是完全一致的。Koncast也從中獲得了巨大的時(shí)間和成本優(yōu)勢，因為在這個(gè)過(guò)程中不需要前期開(kāi)模的刀具準備，避免了木模的制造成本。
弗朗西斯型水輪機葉輪的快速迭代
對于葉輪的設計迭代來(lái)說(shuō)，每一個(gè)新的幾何形狀的設計都關(guān)乎水輪機的工作性能。而由于3D打印砂模技術(shù)帶來(lái)的快捷性，現在鑄造廠(chǎng)只需要把新設計的葉輪模型CAD數據發(fā)送到voxeljet維捷。
voxeljet維捷收到設計模型的數據后會(huì )做一個(gè)檢查，隨后這些數據處理并被3D打印設備讀取，短短的幾個(gè)小時(shí)內，葉輪的砂型就被設備打印出來(lái)。
打印工作完成后，多余的沙子被去除，然后通過(guò)壓縮空氣來(lái)清洗砂型，隨后運到鑄造廠(chǎng)。在鑄造廠(chǎng)，這些砂型模具被涂黑，組裝完成好的砂模被送至1650°C的鑄造環(huán)境下，來(lái)鑄造耐腐蝕不銹鋼材料的葉輪。
這個(gè)過(guò)程主要用于葉輪原型的生產(chǎn)，因為3D打印砂型不需要使用傳統的方法來(lái)生產(chǎn)昂貴的砂型模具，這節省了大量的成本，而且當新的設計迭代要求做出改變的時(shí)候，只需要點(diǎn)擊鼠標，新的砂型又可以開(kāi)始生產(chǎn)了。
與傳統的先制造木模再生產(chǎn)砂型的方法不同的是，3D打印還帶來(lái)了設計的自由度。傳統方式制造葉輪，由于葉輪設計弧度的問(wèn)題，常常不得將葉輪分為幾塊來(lái)生產(chǎn)，以解決干涉問(wèn)題，而通過(guò)3D打印，這些復雜的設計可以被完整的制造出來(lái)。
這使得鑄造精度更高，并減少清洗要求，減少鑄造缺陷。高質(zhì)量、低成本、短交貨期，使得鑄造廠(chǎng)越來(lái)越依賴(lài)3D打印的方式來(lái)完成砂型制造。
方程式賽車(chē)變速箱的精密鑄造
賽車(chē)作為汽車(chē)家族中的特殊成員，需要在保證賽車(chē)動(dòng)力性的前提下，兼顧燃油經(jīng)濟性與操縱穩定性。為了達到目標，變速箱的設計為賽車(chē)的整車(chē)性能有著(zhù)重要影響。
變速箱不僅要滿(mǎn)足傳遞較大功率，適應高轉速的條件，還需要滿(mǎn)足經(jīng)濟性、動(dòng)力性、舒適性與可靠性。
而變速箱殼體不僅有薄壁的特點(diǎn)，在后期的機加工后還需要嚴格檢查孔與孔、面與面、孔與面的相互位置精度以及孔本身的精度，這對前期鑄造也提出了嚴格的要求。
voxeljet維捷在方程式賽車(chē)變速箱的精密鑄造模具3D打印方面積累了豐富的經(jīng)驗，面對薄壁和嚴格的尺寸公差要求，voxeljet維捷采取了PMMA材料用于打印精密鑄造模具，整個(gè)模具尺寸為590 x 455 x 455 mm，重量為3.2 kg，交貨期為5天，最后鑄造出來(lái)的鋁制變速箱重量為8.5 kg。另一方面，如此復雜的變速箱是完整鑄造出來(lái)了，完美的滿(mǎn)足了尺寸公差的要求。
渦輪增壓器原型
道路上滿(mǎn)是司機，他們喜歡享受暢馳的感覺(jué)，但車(chē)量的排放需要對環(huán)境也是友好的。奧托循環(huán)(Otto-cycle)發(fā)動(dòng)機通常具有排氣再循環(huán)(EGR)，其中排氣被引導返回至進(jìn)氣歧管以便尤其是減小汽缸中的溫度峰值，以此方式實(shí)現減少或限制氮氧化物的排放。
Otto發(fā)動(dòng)機配備的渦輪增壓器正在經(jīng)歷一個(gè)復興。這里的核心理念是排量較小的發(fā)動(dòng)機配備一個(gè)特別的渦輪增壓器。這使他們能夠相得益彰，達到最佳輸出功率與熱效率的匹配。
為了達到最大的效率，渦輪增壓器必須具有完美的幾何形狀。通過(guò)仿真軟件，設計人員能夠獲得最佳的精度要求。然而，在實(shí)際的制造過(guò)程中，總是會(huì )涉及到不斷的測試及完善。因此，要減少來(lái)來(lái)回回返工的必要，接近標準的成型的工藝是必須的。
voxeljet維捷將兩部分零件組合在一起，通過(guò)3D打印PMMA材料來(lái)制造這個(gè)尺寸為258 x 193 x 160 mm的精密模具，最終制造出來(lái)的模具重量為0.5kg，從而滿(mǎn)足了近凈型的復雜形狀渦輪增壓器鑄造要求。
賽車(chē)進(jìn)氣歧管
進(jìn)氣歧管位于節氣門(mén)與引擎進(jìn)氣門(mén)之間，之所以稱(chēng)為歧管，是因為空氣進(jìn)入節氣門(mén)后，經(jīng)過(guò)歧管緩沖統后，空氣流道就在此分歧了。進(jìn)氣歧管必須將空氣、燃油混合氣或潔凈空氣盡可能均勻地分配到各個(gè)氣缸，為此進(jìn)氣歧管內氣體流道的長(cháng)度應盡可能相等。為了減小氣體流動(dòng)阻力，提高進(jìn)氣能力，進(jìn)氣歧管的內壁應該光滑。
賽車(chē)的進(jìn)氣歧管具有許多干涉部位，這對于砂型鑄造和后期的機加工都提出了許多挑戰。為了滿(mǎn)足復雜性的精確要求，voxeljet維捷將這一854 x 606 x 212 mm 大小的進(jìn)氣歧管模型拆分成4塊來(lái)進(jìn)行砂模打印，在隨后的組裝過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生變形問(wèn)題。
整個(gè)的砂型重約208kg打印時(shí)間為15個(gè)小時(shí)，鑄造完成的鋁制進(jìn)氣歧管重約408 kg。
