風(fēng)機(jī)蝸殼使用快速成型技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：報(bào)告闡述了風(fēng)機(jī)蝸殼金屬3D打印工藝技術(shù)其中一項(xiàng)研究方案，并對(duì)此3D打印技術(shù)的金屬材料及工藝流程、成型后蝸殼隨整機(jī)進(jìn)行的各類試驗(yàn)進(jìn)行研究說明。

中圖分類號(hào)：TH43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）14-0216-02

1 引 言

3D打印技術(shù)在快速原型、航空、航天、生物醫(yī)療領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用，其中金屬3D打印機(jī)已經(jīng)被運(yùn)用于制造飛機(jī)零部件和醫(yī)療植入物。例如，GE航空集團(tuán)計(jì)劃到2020年3D打印約10萬(wàn)個(gè)Leep發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴。而在醫(yī)療領(lǐng)域，Arcam迄今已經(jīng)3D打印了超過50000件骨科植入物。除此之外，其它大規(guī)模應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)的行業(yè)還包括牙科和電力。例如，領(lǐng)先的牙科合金供應(yīng)商ArgenDigital就已經(jīng)在用金屬3D打印制造牙內(nèi)冠和牙橋，其屬性與鑄造件不相上下。西門子也在使用該技術(shù)為電站上的燃?xì)廨啓C(jī)打印零部件。有據(jù)數(shù)據(jù)顯示金屬3D打印技術(shù)目前已經(jīng)成為增材制造行業(yè)中增長(zhǎng)最快的部分。去年，全球金屬3D打印市場(chǎng)中機(jī)器銷售增長(zhǎng)了48%，材料銷售增長(zhǎng)32%。

2 研究對(duì)象

本文選取某風(fēng)機(jī)用蝸殼零件進(jìn)行3D打印工藝技術(shù)研究，其形狀如圖1所示。此類蝸殼原采用鑄造的工藝加工方式進(jìn)行制造，一般選材為鑄鋁ZL101A。采用鑄造成型工藝需新制模具，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，制作效率低。從此類蝸結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，此蝸殼外形為不同心圓弧殼設(shè)計(jì)，內(nèi)腔鏤空，受尺寸限制、無(wú)法采用數(shù)控銑直接加工成形，為此、考慮使用3D打?。焖俪尚图夹g(shù)）進(jìn)行加工制作。

3D打印技術(shù)是將三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層切片，然后將數(shù)據(jù)輸入制造設(shè)備，通過逐層制造并層層堆積的方式，直接制造出最終產(chǎn)品的過程。區(qū)別于傳統(tǒng)制造技術(shù)“做減法”的方式，3D打印技術(shù)是一種“做加法”的增量制造技術(shù)，從設(shè)計(jì)直接到成品，省略中間各種類加工環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從“設(shè)計(jì)”到“產(chǎn)品”的最短途徑。

3D打印技術(shù)主要分為熔融堆積（FDM）、光固化（SLA）、激光燒結(jié)（SLS）三類。本文論述的該零件采用的是激光燒結(jié)（SLS）快速成型技術(shù)（激光燒結(jié)，又稱為選擇性激光燒結(jié)，是指利用激光對(duì)粉末材料進(jìn)行高溫熔融固化，并層層堆積在一起，最終制造出實(shí)體產(chǎn)品的過程）。與其余兩種快速成型技術(shù)相比較，其優(yōu)點(diǎn)是加工制造速度快、制作成本低，使用材料種類豐富，產(chǎn)品性能優(yōu)異。缺點(diǎn)則是設(shè)備尺寸大，購(gòu)買價(jià)格昂貴，設(shè)備普及度不高。

3 產(chǎn)品選用設(shè)備及材料、工藝

3.1 制造設(shè)備

目前市面上的3D打印公司在金屬打印方面多采用的是進(jìn)口德國(guó)280型金屬快速成型設(shè)備。它適用于鋁合金、鈦合金、模具鋼、不銹鋼等多種金屬的快速制造，是目前全球較領(lǐng)先的直接用于金屬制造的設(shè)備。其制造的最大零件尺寸為250×250×325（mm），最薄壁厚接近0.3～0.4mm，制造尺寸精度為±0.1mm（100mm內(nèi)），可以滿足本文蝸殼零件制造使用。

3.2 材料性能分析

對(duì)打印的零件材料進(jìn)行分析。其使用的材料為定制鋁粉（鋁硅鎂合金），其粉末顆粒度為3～20？滋m，具有良好的鑄造性能，通常用于薄壁以及復(fù)雜幾何部件的制作。該金屬具有良好的強(qiáng)度、硬度，可以作為高負(fù)荷零件使用。制作后的零件可以根據(jù)需要進(jìn)行多種后加工，包括電火花、焊接、噴砂以及拋光等多種處理工藝。

激光燒結(jié)技術(shù)是一個(gè)迅速融化再冷卻的過程，這種過程得到的部件類似于T6處理的效果，通常使用該技術(shù)制作的零部件不需要再次退火，但是需要做應(yīng)力釋放（2h 300℃）。

對(duì)此材料進(jìn)行分析，此定制鋁粉材料接近ZL104。根據(jù)航標(biāo)鑄造鋁合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（HB962-2001）中規(guī)定的要求（砂型或金屬型鑄造試棒標(biāo)準(zhǔn)）制作試棒，并與使用金屬快速成型設(shè)備及其定制鋁粉制造的試棒進(jìn)行比對(duì)。試棒樣件采用兩種狀態(tài)，即未進(jìn)行熱處理和進(jìn)行熱處理（應(yīng)力釋放）。試棒樣件試驗(yàn)測(cè)試機(jī)械性能結(jié)果見表1。

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，金屬快速成型方法制造的試件，在抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、布氏硬度三個(gè)方面的材料性能都高于航標(biāo)鑄造鋁合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（HB 962-2001）中鑄鋁ZL101A、鑄鋁ZL104的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 零件工藝性分析

3.3.1 工藝特性分析

蝸殼結(jié)構(gòu)為整體內(nèi)外腔均曲面設(shè)計(jì)、且蝸殼壁較薄，在后續(xù)加工流程中極易發(fā)生殼體變性，導(dǎo)致尺寸超差。

蝸殼接口部分尺寸要求精度較高，3D打印技術(shù)打印精度只能保證±0.1mm，不能滿足本型號(hào)蝸殼接口部分尺寸精度要求，通過分析可將該零件在打印完成后，再進(jìn)行部分尺寸精加工。其工藝流程可安排如圖2所示。

為進(jìn)一步保證成品零件的合格率，在零件精加工完成后，還可增加對(duì)零件進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)，以保證制作零件的可靠性。

3.3.2 工藝制作薄弱環(huán)節(jié)的分析

該零件壁較薄，再進(jìn)行打印制作時(shí)，可對(duì)該零件的薄弱處增加支撐，但如果支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或支撐位置設(shè)置的不合理，則會(huì)造成后期去除困難，支撐面設(shè)計(jì)不足，產(chǎn)品又易變形，造成成型失敗。

針對(duì)此蝸殼結(jié)構(gòu)，增加的支撐結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為蜂窩式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較低，便于后續(xù)去除；支撐位置設(shè)計(jì)在如圖3所示。加工完成后還可對(duì)生成支撐的零件切片后，逐層檢查確認(rèn)，防止支撐缺漏。導(dǎo)致成型后零件尺寸偏差。

4 整機(jī)測(cè)試

3D打印制作的蝸殼裝配整機(jī)后，按規(guī)范要求通過了熱循環(huán)、老練、力學(xué)等環(huán)境試驗(yàn)，熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)為12.5次，溫度在-25～+60℃，熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間與老練試驗(yàn)時(shí)間累計(jì)不少于300h。試驗(yàn)后蝸殼也未出現(xiàn)變形、損壞等剛度、強(qiáng)度不夠的情況。

5 結(jié) 論

通過對(duì)3D打印技術(shù)的原理、材料、工藝特性等機(jī)理分析、性能測(cè)試等分析，說明該類似的風(fēng)機(jī)蝸殼采用快速成型技術(shù)（3D打?。┕に囍谱鞯牧慵阅芫鶅?yōu)于常規(guī)鑄鋁ZL101A及ZL104。

收稿日期：2018-4-15