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一般來(lái)說(shuō)，鑄件尺寸越大，需要制造的砂芯數量就越多。3DP技術(shù)用于大型鑄件砂模制造方面存在著(zhù)砂芯排氣、砂芯固定，以及外冷鐵設置和固定等挑戰。
不僅如此，這些砂模在金屬鑄造過(guò)程中通常還要滿(mǎn)足超高溫、超厚寬斷面、高承壓、干凈、無(wú)損等要求。
本期，3D科學(xué)谷結合voxeljet維捷的幾個(gè)典型應用案例并結合玉柴的鑄造應用，為您盤(pán)點(diǎn)3DP技術(shù)如何滿(mǎn)足大型零部件鑄造的挑戰。
 曼的柴油發(fā)動(dòng)機缸蓋
3D打印技術(shù)應對復雜性的挑戰
在柴油發(fā)動(dòng)機的鑄造中對于砂模的要求是很高的，需要保證砂型的形狀尺寸，以及形狀之間的相對位置，能夠保證鑄件的壁厚均勻。
柴油發(fā)動(dòng)機70%到80%的零件都是鑄造完成的，曼開(kāi)發(fā)了一個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機缸蓋的砂型模具，模具由一個(gè)頂部和底部的外框以及19個(gè)核心部分組成，其中7個(gè)核心部分具有不同的幾何形狀，砂型模具被分為兩半，還包括了溢流口、冒口和排氣孔等部分。曼希望在兩周內完成砂型模具的制造并將發(fā)動(dòng)機缸蓋鑄造出來(lái)。
滿(mǎn)足曼的要求是挑戰巨大的，這個(gè)發(fā)動(dòng)機缸蓋的設計包括了很多干涉部分。voxeljet維捷所用的打印成型材料為190μm平均晶粒尺寸的沙粒，打印層厚為0.4毫米。這樣的系統工作了29個(gè)小時(shí)將兩塊砂模打印完成，完整的外部尺寸為1460×1483×719毫米。
在模具設計過(guò)程中還采取了各種運輸保護措施，以確保運輸過(guò)程中不發(fā)生破損，這些保護部分跟砂型一起被打印出來(lái)，并且很容易被拆除，另外模具部件的良好穩定性也確保了在整個(gè)運輸過(guò)程中沒(méi)有損壞情況發(fā)生。隨后通過(guò)對EN-GJS 400-15 鑄鐵材料在1360°C溫度下的鑄造，完成了曼的柴油發(fā)動(dòng)機缸蓋的鑄造。
此外，國內也開(kāi)始將3DP技術(shù)應用于柴油發(fā)動(dòng)機研發(fā)試制領(lǐng)域，廣西玉柴在鑄造集成式復合氣缸蓋的砂芯組方面進(jìn)行了積極的探索，成功鑄造出零件復雜程度高的集成式復合氣缸蓋。集成式復合氣缸蓋的復雜性包括進(jìn)排氣道、噴油器安裝孔、缸蓋上水套、缸蓋下水套、氣缸孔、缸孔水套和凸輪挺桿孔。3D打印在其中發(fā)揮的作用是組合砂型的缸蓋上水套砂型、缸蓋下水套砂型、進(jìn)氣道砂型和排氣道砂型是由3D打印出來(lái)的。玉柴保證了進(jìn)排氣道與缸蓋水套的進(jìn)排氣道外殼的復雜形狀相應匹配及壁厚的均勻。而且缸蓋上水套、缸蓋下水套、進(jìn)氣道、排氣道一次精確成型，成功確保進(jìn)排氣道在澆鑄過(guò)程中無(wú)上浮，能夠解決各個(gè)氣道位置一致性的問(wèn)題，從而確保氣道參數良好性。
荷蘭Nijhuis的泵葉輪
3D打印技術(shù)實(shí)現砂模的無(wú)模制造
世界知名的泵公司包括美國ITT公司、TACO公司、GORMAN—RUPP公司、荷蘭Nijhuis公司，其中Nijhuis公司用在重工業(yè)及水處理領(lǐng)域用到的泵是非常龐大的，例如一款Nijhuis的泵與葉輪就重達800公斤，這樣的產(chǎn)品在設計迭代的過(guò)程中，涉及到昂貴的開(kāi)模成本，周期也非常長(cháng)。
大型泵體與葉輪由于工作環(huán)境較惡劣，需要承受較大的變載荷作業(yè)，這就要求這些大型零件不僅外觀(guān)質(zhì)量好，尺寸精度高，同時(shí)內在質(zhì)量也必須保證，還要具有較佳的綜合力學(xué)性能，尤其是耐腐蝕及抗疲勞性。此外，這些零件曲面流道多，多渦室，結構復雜，試驗壓力大，鑄造工藝復雜，鑄件成形過(guò)程很難控制，這些都給砂型模具的制造提出了挑戰。
在傳統的原型制造中，從圖紙到成品鑄造需要幾個(gè)月的時(shí)間。通過(guò)voxeljet維捷的3D打印機，一旦CAD設計完成，信息通過(guò)電子郵件發(fā)送給voxeljet維捷的訂單處理部門(mén),再確認建模信息并設置好打印參數后，其余的砂模打印工作就交給VX4000這臺設備來(lái)完成。
voxeljet維捷金屬鑄造砂型按需生產(chǎn)中看到了VX4000巨大的市場(chǎng)潛力。特別是Nijhuis這樣的公司，產(chǎn)品定位比較特殊，靠技術(shù)制勝。高性能的VX4000打印機構建尺寸高達4 x 2 x 1米，砂模的尺寸為852 x 852 x 428 mm，重量為269kg,共分為4個(gè)部分來(lái)打印，打印時(shí)間為13小時(shí)。
由于3D打印能力，泵制造商可以更快地開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，甚至減少庫存。即使是復雜的幾何形狀，可以產(chǎn)生高度的細節精度。鑄件表面要求光滑，不得有氣孔、砂眼、裂紋等缺陷。在隨后的鑄造工藝中，voxeljet維捷打印的砂模性能良好，鑄件沒(méi)有出現裂紋，以及縮孔這些現象，在測試中沒(méi)有出現漏水、冒汗等現象。
3D打印機砂型鑄造模具給大型零件的設計迭代創(chuàng )造了很大的優(yōu)勢-從更短的交貨時(shí)間到更少的后處理工作，甚至更好的表面質(zhì)量，鑄造大型零件正走向“快、好、省”的模式。
弗朗西斯型水輪機葉輪的快速迭代
完整制造復雜的葉輪弧度
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。
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