船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的快速成型與快速制造技術(shù)

鐘更進(jìn)

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510800）

快速成型(Rapid Prototyping,簡稱RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的,是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱。

1986年美國3D Systems公司率先推出了稱為Stereolithography Apparatus（簡稱SLA）的激光快速成型制造系統(tǒng)，引起工業(yè)界的廣泛興趣并且RP得到了異乎尋常的迅猛發(fā)展。

目前美國在RP領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位，德國、以色列、日本也處于國際領(lǐng)先水平。在RP領(lǐng)域國內(nèi)有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)，北京隆源公司等。

隨著小型船舶產(chǎn)品更新?lián)Q代節(jié)奏的加快，對小型船舶發(fā)動(dòng)機(jī)新品的研發(fā)速度要求越來越高。市場競爭的愈演愈烈也急迫地要求開發(fā)商和制造商對其成本和質(zhì)量進(jìn)行有效地管控，這就把許多面臨地問題歸結(jié)到制造技術(shù)和先進(jìn)的工藝上來。發(fā)動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包括大量復(fù)雜的鑄件、鍛壓件等等，在發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中各種零件模具的制造都是生產(chǎn)周期最長，花費(fèi)最多的環(huán)節(jié)之一。如果一旦發(fā)生設(shè)計(jì)更改必須進(jìn)行修模甚至重新制作模具，這使得一款新發(fā)動(dòng)機(jī)的推出往往周期很長。

采用快速成型方法生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)省略了制作模具的工序，使發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期大大縮短，一套發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件，包括缸體、缸頭、進(jìn)排氣管等在幾周內(nèi)就可制造完成，用于后期的試驗(yàn)研究，如果設(shè)計(jì)需要更改，只需更改CAD數(shù)據(jù)，在很短的時(shí)間內(nèi)就可制作出修改后樣機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)評定。

1 快速成型技術(shù)

RP技術(shù)基本原理：離散—堆積（疊加）。

快速成型的基本原理是離散疊加制造，一個(gè)零件不管其外形和內(nèi)腔是多么復(fù)雜，都可以用一組平行平面去截該零件，得到一系列足夠薄的切片，這些薄切片可以近似的看作二維零件模型，用不同的使能技術(shù)將這些薄切片逐層制作，同時(shí)使這些薄片按照一定的規(guī)則堆積起來就可以得到一個(gè)完整的零件。目前成熟的快速成型技術(shù)有很多，這里僅介紹最適于發(fā)動(dòng)機(jī)部件制作的選區(qū)激光燒結(jié)（簡稱SLS）方法。

選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)是利用紅外激光光束所提供的熱量熔化熱塑性材料以形成三維零件。

選區(qū)激光燒結(jié)的原理如圖1所示。加工開始時(shí)先將一層很薄(100μm~250μm)的熱塑性粉末均勻地鋪在工作平臺上，輔助加熱裝置將其加熱到熔點(diǎn)以下的溫度，在均勻的粉末表面，計(jì)算機(jī)控制激光按照零件當(dāng)前層的信息掃描，激光掃描到的地方粉末燒結(jié)形成固體，激光未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一層的支撐并能在成型完成后去除。上一層制作完畢后成型活塞下降一層，供粉活塞上升，用鋪粉滾筒將粉體從供粉活塞移到成型活塞，將粉體鋪平后即可掃描下一層。不斷重復(fù)這個(gè)輔粉和選區(qū)燒結(jié)過程直到最后一層，一個(gè)三維實(shí)體就制作出來了。

圖1 選區(qū)激光燒結(jié)的原理

選區(qū)激光燒結(jié)的最大特點(diǎn)：一是成型過程與復(fù)雜程度無關(guān)，因此特別適合于內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、進(jìn)排氣管等部件；另一個(gè)重要的特點(diǎn)是成型材料廣泛，特別是可以用鑄造的樹脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通過與鑄造技術(shù)結(jié)合，快速鑄造出發(fā)動(dòng)機(jī)的部件。

2 快速鑄造技術(shù)

快速鑄造（Quick Casting或Rapid Casting）技術(shù)是將快速成型與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)有效結(jié)合快速制造復(fù)雜金屬零件的技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸頭一般都是鑄造產(chǎn)品，利用快速鑄造技術(shù)可以在很短時(shí)間內(nèi)得到與最終產(chǎn)品材料一致、性能接近的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品供測試與檢驗(yàn)。

快速鑄造的工藝流程如圖2所示，利用選區(qū)激光燒結(jié)實(shí)現(xiàn)快速鑄造的途徑有二條：一種是通過激光直接燒結(jié)鑄造用熱固化樹脂砂，再通過砂型鑄造得到鑄件；另一種方法是用激光直接燒結(jié)可消失的樹脂粉末或蠟粉，再通過精密鑄造工藝得到鑄件。這兩種方法的共同特點(diǎn)都是省略了模具制造。因此，如果用于單件或小批量的生產(chǎn)，生產(chǎn)周期大大縮短了。

圖2 快速鑄造與傳統(tǒng)鑄造過程

用快速成型的方法制作砂型，首先要根據(jù)零件的三維CAD毛坯模型設(shè)計(jì)出組合砂型模型。為了與后續(xù)的批量生產(chǎn)工藝靠近，砂型模型應(yīng)盡量與通過模具制作的砂型模型保持一致，將砂型模型的各部分經(jīng)過軟件的分層處理轉(zhuǎn)換為快速成型設(shè)備的加工文件，就可以進(jìn)行激光燒結(jié)成型了。

圖3是激光燒結(jié)成型的一個(gè)復(fù)雜砂型。成型用的樹脂砂與通常使用的熱固化樹脂砂極為相似，只不過對砂的粒徑分布和形態(tài)，樹脂成分及表面處理等方面有更嚴(yán)格的指標(biāo)。成型時(shí)的層厚一般為0.2 mm，精度可控制在±0.25 mm以內(nèi)。由于激光掃描的速度很快，樹脂在成型時(shí)不能達(dá)到完全固化。成型后將未燒結(jié)的浮砂清除后，砂型一般要放到加熱箱中進(jìn)行二次固化。經(jīng)二次固化后的砂型可達(dá)到與射芯機(jī)制得的砂型相同的性能。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的部件大多采用砂型鑄造，因此快速砂型鑄造已成為發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)試制的最常用和最有效的方法。

圖3 采用激光燒結(jié)法之中的鑄造砂型

采用熔?？焖勹T造的方法是用50~80 m的可消失樹脂粉末或蠟粉為原料，將零件的三維CAD毛坯模型直接進(jìn)行分層處理后，用激光將粉末直接逐層燒結(jié)成與零件毛坯一致的精密熔模，再將熔模直接通過石膏型或陶瓷型殼鑄造得到所需要的鑄件。采用快速精密鑄造制作的零件表面質(zhì)量好，精度高，不需要設(shè)計(jì)砂型模型等步驟，工藝過程相對簡單。同時(shí)由于零件毛坯的體積往往小于砂型的體積，因此用SLS直接成型熔模較之成型砂型速度更快，成本相對更低。但是熔模鑄造一般比較適合于薄壁零件，對于厚壁零件往往因冷卻速度慢導(dǎo)致出現(xiàn)縮松等鑄造缺陷，因此這種方法在發(fā)動(dòng)機(jī)部件的制作中一般用于進(jìn)排氣管等相對壁厚較薄的零件，圖4是用可消失樹脂粉直接燒結(jié)成型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的鑄造熔模。

圖4 進(jìn)氣歧管熔模

3 應(yīng)用實(shí)例

鋁合金進(jìn)氣管零件的快速制造。從收到零件的三維CAD數(shù)據(jù)到毛坯完成僅10天時(shí)間，其中零件熔模的快速成型1天，熔模鑄造7天，其他后處理及檢驗(yàn)2天。進(jìn)氣道是發(fā)動(dòng)機(jī)極其重要的組成部分，由復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成，其對提高進(jìn)氣效率，改善燃燒過程有十分重要的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，需要對不同的進(jìn)氣道方案進(jìn)行氣道試驗(yàn)。傳統(tǒng)的方法是加工出十幾個(gè)或幾十個(gè)截面的氣道木?；蚴嗄＃俜瞥缮澳ｈT造出氣道。對氣道進(jìn)行試驗(yàn)找出不足后，還要重新修改模型。如此反復(fù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度難以保證。采用快速成型方法，可一次性地提供一組不同曲面的CAD數(shù)據(jù)，通過快速鑄造，同時(shí)得到一組進(jìn)氣管零件。經(jīng)過測試，得到一組不同氣道結(jié)構(gòu)的全面的數(shù)據(jù)，從而篩選出最佳的氣道方案，加快了研制速度，如圖5所示。

圖5 用快速精制作的鋁合金進(jìn)氣管

相對于小型船舶進(jìn)氣管，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但是快速成型的最大優(yōu)點(diǎn)就是與復(fù)雜程度無關(guān)，越復(fù)雜的零件越適合快速成型制作 由于缸體、缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壁厚相對較厚，制作這些零件的最佳方法是快速砂型鑄造。圖6是用快速砂型鑄造獲得的一組缸體和缸蓋的鋁鑄件。此類零件的制作周期平均約2~3周。由于鑄造工藝與最終生產(chǎn)工藝極其相近，零件的尺寸精度和機(jī)械性能與最終產(chǎn)品零件具有很強(qiáng)的可比性。因此，快速砂型鑄造的缸體缸蓋可直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種評價(jià)試驗(yàn)，如對氣道進(jìn)行流動(dòng)分析，對水道進(jìn)行冷卻性能測試。

圖6 動(dòng)機(jī)缸體鑄件

4 結(jié)束語

快速成型與鑄造技術(shù)結(jié)合，衍生出快速鑄造技術(shù)，其工藝特征是簡捷、準(zhǔn)確、可靠和具有延展性，可有效地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)階段中樣機(jī)的快速制造。其適合單件和小批量試制和生產(chǎn)的特點(diǎn)，可迅速響應(yīng)市場和提供小批量產(chǎn)品進(jìn)行檢測和試驗(yàn)，有助于保證產(chǎn)品開發(fā)速度 其成型工藝過程的可控性，可在設(shè)計(jì)開發(fā)階段低成本地即時(shí)修改，以便檢驗(yàn)設(shè)計(jì)或提供裝配模型，其有助于提高產(chǎn)品的開發(fā)品質(zhì)，其快速成型原材料的多元性，為產(chǎn)品開發(fā)階段提供了不同地工藝組合，由于SLS原材料的國產(chǎn)化和成型工藝可與傳統(tǒng)工藝有機(jī)結(jié)合，有助于降低開發(fā)成本，其組合工藝的快捷性，支持產(chǎn)品更新?lián)Q代頻次的提高，有助于推動(dòng)產(chǎn)品早日進(jìn)入市場。

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