由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、山東省工業(yè)和信息化研究院、山東省鑄造協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，山東新丞華展覽有限公司承辦的“2023第五屆山東國(guó)際鑄造工業(yè)展覽會(huì)”(簡(jiǎn)稱：山東鑄造展)將于2023年8月18日-20日在青島世界博覽城（青島市西海岸新區(qū)三沙路）舉辦。本屆“山東鑄造展”將繼續(xù)以“鑄造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量發(fā)展”為主題，結(jié)合當(dāng)下 鑄造產(chǎn)業(yè)形式，展會(huì)與“山東鑄造轉(zhuǎn)型升級(jí)齊魯行”活動(dòng)相呼應(yīng)，舉全行業(yè)之力以區(qū)域 帶動(dòng)為基礎(chǔ)，技術(shù)、工藝裝備、材料引進(jìn)為方法，發(fā)揮山東裝備制造業(yè)強(qiáng)省優(yōu)勢(shì)，搭建 共創(chuàng)、共享、共贏新氛圍為平臺(tái)，力促鑄造企業(yè)創(chuàng)新與高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)。展會(huì)期間將舉辦系列論壇活動(dòng)，通過(guò)主題演講、生態(tài)展示、高端對(duì)話等多種方式， 結(jié)合我省鑄造行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，引導(dǎo)企業(yè)少走彎路，實(shí)現(xiàn)鑄造行業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。，今天山東鑄造展組委會(huì)小編就帶大家來(lái)了解一下關(guān)于“山東鑄造展-船用鑄件生產(chǎn)中增材制造技術(shù)的應(yīng)用及技術(shù)特點(diǎn)”方面的信息，希望能幫到您。





增材制造技術(shù)俗稱3D打印。與傳統(tǒng)的減料制造技術(shù)和鑄造、鍛造、軋制等制造方法不同，增料制造技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的3D建模是一種高效的成型制造技術(shù)，通過(guò)切片分為單層處理，然后逐層打印堆積材料，最終形成三維產(chǎn)品。增材制造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬、機(jī)電控制技術(shù)、材料學(xué)、信息處理技術(shù)與化學(xué)等學(xué)科的前沿技術(shù)相結(jié)合，被稱為第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)。并已廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、飛機(jī)制造、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，增材制造技術(shù)作為制造業(yè)的重要組成部分，也應(yīng)用于船舶建筑和船舶產(chǎn)品制造領(lǐng)域，促進(jìn)了船舶及其配套產(chǎn)品制造技術(shù)和能力的快速發(fā)展。



? 增材制造技術(shù)(3D打印)簡(jiǎn)介



添加劑制造技術(shù)可以直接將虛擬計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)產(chǎn)品，其主要特點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程，有效地降低了研發(fā)成本和周期。特別是，它大大降低和簡(jiǎn)化了復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)過(guò)程，極大地促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)。



根據(jù)其最終產(chǎn)品，目前的增材制造技術(shù)主要分為兩個(gè)方向：



其中之一是基于此技術(shù)的快速原型技術(shù)和快速模具制造技術(shù)，該成型方法主要用于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、模具的快速制造和精密熔模鑄造。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用方向不是直接打印制造產(chǎn)品，而是制造模型、模具、模具等。



另一個(gè)使用方向是直接制造高性能金屬構(gòu)件的技術(shù)，該技術(shù)采用電子束、激光束、等離子或離子束等高能束流，凝固、堆積或逐層熔化原型金屬絲和粉末，直接打印強(qiáng)度高、機(jī)械性能好的金屬部件，是增材制造技術(shù)應(yīng)用最有價(jià)值的方向。



? 船用鑄件生產(chǎn)中增材制造技術(shù)的應(yīng)用及其技術(shù)特點(diǎn)



目前，增材制造技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在快速制造砂型、直接印刷金屬產(chǎn)品、模具制造、精密熔模鑄造、再制造等方面。在船舶鑄件制造方面，無(wú)論是船體結(jié)構(gòu)鑄件還是柴油機(jī)等機(jī)械零件鑄件，其特點(diǎn)要么是小批量定制鑄件，要么是氣缸蓋、氣缸體等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件。應(yīng)該說(shuō)，它非常適合采用增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。但由于鑄件尺寸一般較大，金屬增材制造技術(shù)直接應(yīng)用于零件制造，在成本和效率方面與預(yù)期值相差甚遠(yuǎn)。因此，在船舶鑄件生產(chǎn)領(lǐng)域，增材制造技術(shù)多用于快速打印復(fù)雜形狀的模具和砂型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件的快速鑄造。



1.三維噴涂粘結(jié)成型(3)DP)制造砂型的特點(diǎn)



本文主要由作者結(jié)合船舶產(chǎn)品鑄件廠認(rèn)可的三維噴涂粘結(jié)成型(Three Dimensional Printing,3DP)對(duì)比傳統(tǒng)手工/機(jī)器造型的鑄造方法，直接制造砂型工藝，分析其技術(shù)特點(diǎn)。



3DP與傳統(tǒng)鑄造中從模具設(shè)計(jì)開(kāi)始的制造工藝相比，打印砂型的生產(chǎn)工藝可以大大縮短。在傳統(tǒng)鑄造中，前期模型制造、造型、制芯、合箱的工藝可由3個(gè)過(guò)程組成DP快速成型工藝取代，直接打印砂芯，大大降低了產(chǎn)品的制造周期。特別適用于傳統(tǒng)鑄造初期的工藝示范和小批量但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄造生產(chǎn)。



2.三維噴涂粘結(jié)制造砂型的技術(shù)路線和工藝



如圖1所示3DP快速成型的技術(shù)路線：




圖1 3D印刷技術(shù)路線



3DP由于使用的原材料價(jià)格低廉，快速成型技術(shù)主要是石英砂、樹(shù)脂和固化劑，其成型過(guò)程不需要燒結(jié)，只需要粘合劑硬化，技術(shù)相對(duì)成熟，任何復(fù)雜形狀鑄件的砂型都可以在一定尺寸的限制下打印出來(lái)。



3DP具體工藝路線為：根據(jù)設(shè)計(jì)的鑄造工藝輸入計(jì)算機(jī)砂芯結(jié)構(gòu)圖（三維建模）→將建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入打印設(shè)備打印→準(zhǔn)備打印材料，在控制系統(tǒng)中設(shè)置打印參數(shù)→打印機(jī)自動(dòng)打印成型→吹掉未使用的浮砂，清理干凈，組芯→澆注生產(chǎn)。




圖2 3DP砂型示意圖



打印砂芯方法圖2顯示：采用粉末（石英砂）材料，打印頭在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)預(yù)輸入截面輪廓數(shù)據(jù)選擇性定量噴涂粘合劑，噴涂后，成型缸降低設(shè)置距離（片層厚度），然后鋪設(shè)一層石英砂，噴嘴噴涂粘合劑施工水平，所以一次又一次，最終吹掉浮砂形成實(shí)體。



3.三維噴涂粘結(jié)成型制造砂型的技術(shù)優(yōu)勢(shì)



(1)縮短制造工藝，提高生產(chǎn)效率。



制造過(guò)程從傳統(tǒng)的7到4。無(wú)需制造模具，完全節(jié)省了模具制造的時(shí)間和成本，可以大大降低鑄件的制造時(shí)間，大大降低非批量鑄件的制造成本；同時(shí)，還可以制作形狀復(fù)雜的砂型/砂芯，特別是模具難以形成的型芯，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜砂芯的一體化成型，提高造型精度。


圖3 3DP與傳統(tǒng)砂型相比，造型與工藝對(duì)比



(2) 砂芯表面質(zhì)量好，尺寸精度高，砂芯可在室溫下固化成型，無(wú)后續(xù)固化引起的收縮變形，無(wú)需加工即可直接使用。



(3) 產(chǎn)品制造過(guò)程由復(fù)雜變?yōu)楹?jiǎn)單，操作要求大大降低，可以解決相關(guān)產(chǎn)業(yè)專業(yè)人員缺乏、后繼乏人的問(wèn)題。傳統(tǒng)手工造型操作繁瑣，對(duì)操作人員技術(shù)和責(zé)任心要求較高；而3DP打印砂型精度高，數(shù)量少，可大大提高鑄件表面質(zhì)量和尺寸精度，整體尺寸一致性高，人員要求低，無(wú)需熟練工人即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。



(4)鑄造生產(chǎn)環(huán)境大幅改善，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅下降。



傳統(tǒng)鑄造工藝環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度高，需要多名熟練工人，而3DP印刷車間環(huán)境舒適，自動(dòng)控制工作，勞動(dòng)強(qiáng)度低，噪音小，粉塵污染小，剩余原材料可回收利用，只需少數(shù)操作人員。



(5)技術(shù)傳承。



在傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)中，砂芯的生產(chǎn)、砂型的組裝等工藝環(huán)節(jié)需要熟練人員的技能和經(jīng)驗(yàn)，難以保存。DP技術(shù)的出現(xiàn)使砂型生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化。經(jīng)典的工藝參數(shù)可以通過(guò)數(shù)字技術(shù)保存、復(fù)制和傳輸，通過(guò)數(shù)字技術(shù)可以繼承良好的技術(shù)和技能。



? 柴油機(jī)氣缸蓋采用快速砂型技術(shù)制造



氣缸蓋是本次認(rèn)可工作中選擇的典型試驗(yàn)產(chǎn)品之一，是柴油機(jī)的重要部件之一。240柴油機(jī)氣缸蓋采用材料制成RuT300，單件重量210kg，要求Rp0.2≥240Mpa，Rm≥300Mpa，A5%≥2，硬度:140~217HB，金相組織：鐵素體≥90%，蠕化率≥50%的表面質(zhì)量公差等級(jí)不得大于CT12。



氣缸蓋是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的鑄件，由多個(gè)孔系和孔組成。雖然鑄件不大，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，位置重要，壁厚不均勻，最小壁厚6mm，最大壁厚48mm，鑄件的冷卻條件非常復(fù)雜。鑄件內(nèi)部有進(jìn)氣口、排氣口、冷卻水道/腔、滑油孔、噴油器孔、螺栓孔、彈簧座孔，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時(shí)，水壓試驗(yàn)應(yīng)在水道/腔、滑油孔/腔等位置進(jìn)行，以確保在一定壓力下不泄漏，因此鑄造難度較大。



傳統(tǒng)的鑄造工藝手工造型和射芯機(jī)生產(chǎn)，如圖4所示：圖為240柴油機(jī)氣缸蓋整體組合砂型，由煙桿砂芯、螺栓孔砂芯、高壓油孔砂芯、上水腔砂芯、進(jìn)氣管砂芯、排氣管砂芯、下水腔砂芯等24個(gè)砂芯組成，上下兩種形狀形成完成的鑄造砂型。所有內(nèi)部砂芯需要分離，孔、氣道、水腔砂芯定位，操作人員必須嚴(yán)格按照操作說(shuō)明書(shū)規(guī)定的工藝，在芯和定位過(guò)程中也需要使用專用卡板進(jìn)行微調(diào)，對(duì)工人提出高操作要求，需要專業(yè)熟練的工人確保芯合格，即便如此，由于多個(gè)砂芯組合的累進(jìn)誤差，往往容易導(dǎo)致誤差，最終使鑄件壁厚、尺寸不合格，報(bào)廢。




圖4



而采用3D打印快速砂型技術(shù)，工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保砂清洗過(guò)程順利，每個(gè)角落的浮砂都能清洗干凈，可以目視檢查，同時(shí)在油漆流涂的前提下，盡可能減少型芯數(shù)量，減少主砂芯數(shù)量，從而達(dá)到減少組芯難度，減少組芯累積誤差，降低砂鐵比的目的。本認(rèn)可產(chǎn)品采用砂芯設(shè)計(jì)帶鑄件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，氣缸蓋砂芯分割設(shè)計(jì)為四部分，如圖所示：1為底板砂芯，由下水腔、進(jìn)氣道、排氣管芯、螺桿芯組成，打印水平澆筑、過(guò)濾網(wǎng)、內(nèi)澆筑鑄件。2砂型為螺桿組合位置，便于油漆流涂層和砂清洗檢查；3為上水腔砂芯，打印鑄件名稱；4芯為蓋砂芯，打印排氣系統(tǒng)和加熱出口。




圖5 3DP砂型設(shè)計(jì)及氣缸蓋砂型



同時(shí)，設(shè)計(jì)中需要提前明確出口、排氣孔和補(bǔ)貼位置。與傳統(tǒng)造型不同，需要提前預(yù)埋氣繩或鉆出氣孔。D在打印技術(shù)時(shí)，只需直接打印排氣系統(tǒng)、出口和補(bǔ)貼預(yù)留孔，然后在裝配中插入補(bǔ)貼。此外，砂芯上還設(shè)計(jì)了凹凸自鎖定位裝置、吊裝結(jié)構(gòu)、標(biāo)志等輔助結(jié)構(gòu)。



使用德國(guó)某公司3D打印設(shè)備用砂芯打印，粘結(jié)硬化后清砂、刷、組芯、鑄造。打箱清洗后的產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn)，機(jī)械性能和金相組織符合試驗(yàn)大綱要求，如圖所示，特別是外觀質(zhì)量好，皮縫少，易于處理。由于砂芯數(shù)量大幅減少，砂芯組裝過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差減少，氣缸蓋尺寸精度好。經(jīng)標(biāo)記驗(yàn)證，鑄件尺寸精度可達(dá)到GB /T 6414-1999的CT八、內(nèi)腔壁厚均勻。




圖6 鑄造氣缸蓋實(shí)物



? 結(jié)語(yǔ)



與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，增材制造的快速成型技術(shù)具有簡(jiǎn)化傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝、縮短開(kāi)發(fā)周期、加快生產(chǎn)效率、提高鑄件表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。雖然批量產(chǎn)品的制造成本和大型鑄件的應(yīng)用仍有一定的限制，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是高性能金屬直接印刷制造技術(shù)的應(yīng)用，增材制造技術(shù)應(yīng)有更廣闊的發(fā)展空間。目前，在船舶設(shè)計(jì)中，采用快速原型技術(shù)，按一定比例打印船模，可進(jìn)行常規(guī)池試驗(yàn)和空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。



船用機(jī)械部件的制造和維護(hù)，增材制造技術(shù)可以修復(fù)高性能金屬構(gòu)件，如3D局部修復(fù)大型鍛件的缺陷，提高鍛件的合格率。修復(fù)齒輪、軸承等易斷裂或易磨損的零件。



應(yīng)用材料表面改性，特別是在大型零件的局部強(qiáng)化方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于空氣泡效應(yīng)和應(yīng)力腐蝕造成的表面損壞，船用柴油機(jī)的部件工作條件惡劣，高溫、重載、振動(dòng)。因此，需要加強(qiáng)缸套內(nèi)表面、活塞環(huán)槽、頂表面、連桿體、曲軸頸圓角、齒輪表面等部位。金屬增材制造技術(shù)可應(yīng)用于上述部位的表面強(qiáng)化，提高表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性。



中國(guó)船級(jí)社可以在以下幾個(gè)方面發(fā)揮作用:



盡管英國(guó)勞氏船級(jí)社于2016年1月7日發(fā)布了增材制造技術(shù)認(rèn)可指南，但缺乏標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南是制約增材制造技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸，DNV-GL、ABS、BV隨后發(fā)布了相應(yīng)的指南，各船級(jí)社會(huì)增材制造指南內(nèi)容差異較大，重點(diǎn)不同。包括注重打印方法論證、產(chǎn)品性能測(cè)試等。一般來(lái)說(shuō)，該指南代表了該領(lǐng)域各船級(jí)社會(huì)的探索和發(fā)展方向。CCS還將發(fā)布增材制造認(rèn)可檢驗(yàn)指南。同時(shí)，加強(qiáng)與行業(yè)的溝通，了解行業(yè)的需求和技術(shù)發(fā)展方向，使CCS指南能更加貼合實(shí)際。



對(duì)焊接性能差、焊接修復(fù)成本高的鑄鐵件和焊接區(qū)域性能弱的鍛件產(chǎn)品，CCS規(guī)范一般不允許焊接補(bǔ)充，但隨著添加劑制造技術(shù)的逐漸成熟，規(guī)范可以在一定范圍內(nèi)限制焊接補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和工藝驗(yàn)證。



3、采用本技術(shù)對(duì)齒輪、曲軸圓角、連桿、氣缸套等部件進(jìn)行局部打印和強(qiáng)化。對(duì)于采用本局部強(qiáng)化技術(shù)的產(chǎn)品，建議規(guī)范也可以對(duì)強(qiáng)化效果提出相應(yīng)的技術(shù)要求。


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      發(fā)揮山東裝備制造業(yè)強(qiáng)省會(huì)優(yōu)勢(shì)，搭建共創(chuàng)、共享、共贏新氛圍平臺(tái)，力促鑄造企業(yè)創(chuàng)新與高質(zhì)量發(fā)展。展會(huì)與“山東鑄造轉(zhuǎn)型升級(jí)齊魯行”活動(dòng)相呼應(yīng)，力求打造協(xié)會(huì)牽頭、全員參與、以全行業(yè)發(fā)展促進(jìn)為目標(biāo)、開(kāi)拓共進(jìn)發(fā)展新方向的交流平臺(tái)，發(fā)揮山東裝備制造業(yè)強(qiáng)省會(huì)優(yōu)勢(shì)，搭建共創(chuàng)、共享、共贏新氛圍平臺(tái)，力促鑄造企業(yè)創(chuàng)新與高質(zhì)量發(fā)展。

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