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一般來說，鑄件尺寸越大，需要制造的砂芯數(shù)量就越多。3DP技術(shù)用于大型鑄件砂模制造方面存在著砂芯排氣、砂芯固定，以及外冷鐵設(shè)置和固定等挑戰(zhàn)。
不僅如此，這些砂模在金屬鑄造過程中通常還要滿足超高溫、超厚寬斷面、高承壓、干凈、無損等要求。
本期，3D科學(xué)谷結(jié)合voxeljet維捷的幾個(gè)典型應(yīng)用案例并結(jié)合玉柴的鑄造應(yīng)用，為您盤點(diǎn)3DP技術(shù)如何滿足大型零部件鑄造的挑戰(zhàn)。
 曼的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋
3D打印技術(shù)應(yīng)對(duì)復(fù)雜性的挑戰(zhàn)
在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄造中對(duì)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(duì)位置，能夠保證鑄件的壁厚均勻。
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)70%到80%的零件都是鑄造完成的，曼開發(fā)了一個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)完成砂型模具的制造并將發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鑄造出來。
滿足曼的要求是挑戰(zhàn)巨大的，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)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(tǒng)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(shè)計(jì)過程中還采取了各種運(yùn)輸保護(hù)措施，以確保運(yùn)輸過程中不發(fā)生破損，這些保護(hù)部分跟砂型一起被打印出來，并且很容易被拆除，另外模具部件的良好穩(wěn)定性也確保了在整個(gè)運(yùn)輸過程中沒有損壞情況發(fā)生。隨后通過對(duì)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(jī)缸蓋的鑄造。
此外，國內(nèi)也開始將3DP技術(shù)應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)試制領(lǐng)域，廣西玉柴在鑄造集成式復(fù)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(fù)雜程度高的集成式復(fù)合氣缸蓋。集成式復(fù)合氣缸蓋的復(fù)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(fù)雜形狀相應(yīng)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)排氣道在澆鑄過程中無上浮，能夠解決各個(gè)氣道位置一致性的問題，從而確保氣道參數(shù)良好性。
荷蘭Nijhuis的泵葉輪
3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)砂模的無模制造
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(dá)800公斤，這樣的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)迭代的過程中，涉及到昂貴的開模成本，周期也非常長。
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質(zhì)量好，尺寸精度高，同時(shí)內(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗(yàn)壓力大，鑄造工藝復(fù)雜，鑄件成形過程很難控制，這些都給砂型模具的制造提出了挑戰(zhàn)。
在傳統(tǒng)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voxeljet維捷的3D打印機(jī)，一旦CAD設(shè)計(jì)完成，信息通過電子郵件發(fā)送給voxeljet維捷的訂單處理部門,再確認(rèn)建模信息并設(shè)置好打印參數(shù)后，其余的砂模打印工作就交給VX4000這臺(tái)設(shè)備來完成。
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(jī)構(gòu)建尺寸高達(dá)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發(fā)新產(chǎn)品，甚至減少庫存。即使是復(fù)雜的幾何形狀，可以產(chǎn)生高度的細(xì)節(jié)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，鑄件沒有出現(xiàn)裂紋，以及縮孔這些現(xiàn)象，在測(cè)試中沒有出現(xiàn)漏水、冒汗等現(xiàn)象。
3D打印機(jī)砂型鑄造模具給大型零件的設(shè)計(jì)迭代創(chuàng)造了很大的優(yōu)勢(shì)-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(jī)葉輪的快速迭代
完整制造復(fù)雜的葉輪弧度
對(duì)于葉輪的設(shè)計(jì)迭代來說，每一個(gè)新的幾何形狀的設(shè)計(jì)都關(guān)乎水輪機(jī)的工作性能。而由于3D打印砂模技術(shù)帶來的快捷性，現(xiàn)在鑄造廠只需要把新設(shè)計(jì)的葉輪模型CAD數(shù)據(jù)發(fā)送到voxeljet維捷。
voxeljet維捷收到設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)后會(huì)做一個(gè)檢查，隨后這些數(shù)據(jù)處理并被3D打印設(shè)備讀取，短短的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，葉輪的砂型就被設(shè)備打印出來。
打印工作完成后，多余的沙子被去除，然后通過壓縮空氣來清洗砂型，隨后運(yùn)到鑄造廠。在鑄造廠，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，來鑄造耐腐蝕不銹鋼材料的葉輪。
這個(gè)過程主要用于葉輪原型的生產(chǎn)，因?yàn)?D打印砂型不需要使用傳統(tǒng)的方法來生產(chǎn)昂貴的砂型模具，這節(jié)省了大量的成本，而且當(dāng)新的設(shè)計(jì)迭代要求做出改變的時(shí)候，只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)，新的砂型又可以開始生產(chǎn)了。
與傳統(tǒng)的先制造木模再生產(chǎn)砂型的方法不同的是，3D打印還帶來了設(shè)計(jì)的自由度。傳統(tǒng)方式制造葉輪，由于葉輪設(shè)計(jì)弧度的問題，常常不得將葉輪分為幾塊來生產(chǎn)，以解決干涉問題，而通過3D打印，這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以被完整的制造出來。
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，使得鑄造廠越來越依賴3D打印的方式來完成砂型制造。
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