3D打印技术在高端铸件研发中的创新应用

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3D打印技术在高端铸件研发中的创新应用
作者:李栋 原晓雷 孟庆文
来源:《工业技术创新》2017年第04期

摘要:以某中速柴油机气缸盖铸件为研究对象,介绍了3D打印技术的创新应用。将传统
铸造工艺的模具制造、制芯、造型、合箱四个工序替代为3D打印一个工序,最终浇注成形。
简化了铸造造型工艺,降低了铸件研制成本。3D打印快速成形铸造周期仅为传统有模砂型铸
造的1/6,大大提高了新产品研发效率,适用于结构复杂、质量要求高的单件小批量铸件研
制。

关键词:3D打印;砂型铸造;快速成形;铸件
中图分类号:TG242 文献标识码:A 文章编号:2095—8412(2017)04—067—04
工业技术创新 URL:http:∥www.china-iti.com DOI:10.14103/j.issn.2095—
8412.2017.04.013

引言
3D打印(增材制造)是创新驱动我国制造业转型升级、做大做强的具体落实内容之一,
也是我国的战略任务和重点之一。3D打印即快速成形技术的一种,它是一种以数字模型文件
为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

近年来,共享集团着力于加快新一代信息技术与铸造技术深度融合发展,把智能制造(铸
造)作为两化融合的主攻方向,致力于研究3D打印技术在铸造产业的产业化应用,深度推进
铸造生产的数字化、网络化、智能化,加快推进铸造行业的转型升级。

1 3D打印技术
1.1技术原理与路线
3D打印技术原理如图1所示。共享集团于2014年成立了3D打印产业应用中心,占地
2000平米,投资5000万元,从德国进口三台高效大型3D打印设备,设备采用3D打印工艺
“逐层叠加、增材制造,把铸造所用的砂芯砂型直接打印成形,传统铸造的模具制造、制芯、
造型、合箱四个工序全部由3D打印一个工序代替,从而工序节点由7个变为4个,见图2。

1.2技术特点
3D打印技术应用的逐渐深入,给传统铸造带来颠覆性的变革。铸件制造弃繁从简、提质
增效,制造过程以人为本、绿色制造,为铸造行业的转型升级提供了示范作用。具体为:
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(1)缩短铸造生产流程。铸件工艺直接从三维图形数据制造出复杂的砂型,变革了传统
使用模具、制芯、造型、合箱的铸造方法。

(2)提高铸件质量,提升生产效率。此工艺生产的产品精度高,砂型和砂芯快速一体成
形,大幅缩短了产品的研发和生产周期。

(3)设计灵活,节约成本,降低制造难度。此工艺具有灵活的修改模型设计等优势,对
提高产品精度,降低砂铁比效果突出,特别适用于内部结构复杂铸件的生产。

(4)以人为本,绿色铸造,智能铸造。大幅改善铸造现场环境,降低工人劳动强度;机
器换人,人力成本大幅下降;典型数字化制造,大幅提高铸造生产的智能化水平。

因此,3D打印技术的产业化应用对铸造行业的转型升级、铸造智能制造及未来铸造智能
工厂的建设将产生变革性的意义,影响深远。

2创新应用
某中速柴油机气缸盖铸件是中速柴油机上关键部件,产品尺寸为615 mm×420
mm×290mm,最小壁厚8 mm~10mm,局部较厚,材质为RuT300,属于薄壁多腔体承压类复
杂铸件,其结构见图3。

该铸件常规工艺采用木模/金属模、砂型重力铸造。铸件曲面结构复杂,断面差异大,最
小壁厚较薄,内部的复杂结构全部由砂芯形成。砂芯需要分成至少30个,数量较多,容易出
现尺寸不合、呛火、收缩缺陷等,故导致气缸盖铸件的废品率通常在10%~30%之间。3D打
印作为一种无模铸造工艺,可以大幅度减少薄壁复杂件的砂芯数量,使得关键砂芯一体化,可
以避免砂芯晃动导致的呛火,同时也减少了尺寸不合发生的概率。

2.1研发思路
将传统的砂型铸造技术与先进的3D打印成型技术集成,进行高难度、高技术、高附加值
的高端铸件产品的高效研发生产。使用UG软件建立气缸盖的三维实体模型,选择浇注方案,
优化设计铸造工艺,设计砂型芯结构,3D打印铸型芯,最终浇注成形。

2.1.1浇注方案选择
通过充型模拟对比不同浇注系统,选择充型平稳、利于补缩的浇注系统。充型模拟(图
4)显示底注最平稳,顶住次之,侧注最差。而且铸件底部薄、上部厚,顶注的工艺利于补
缩。最后选择顶注并优化阻流截面,缩短浇注时间。

2.1.2铸造工艺优化设计
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通过MAGMA模拟优化确定生产工艺参数,并建立气缸盖的三维铸造工艺图,如N5所
示。浇注系统比例1:2.2:2.5,内浇口平均流速0.8 m/s,浇注温度1380±10℃,浇注时间13
s,顶部厚大部位使用发热冒口进行补缩,燃烧室面设置冷铁。

2.1.3砂芯结构(分块、集成)设计
利用3D打印无模铸造的特性,将气道芯、水腔芯、螺栓孔芯等内腔主要9个砂芯及部分
铸型合并为1个模块化的砂芯,一次成形,无需下芯、合型。设计思路见图6。

气缸盖主要结构基本都由2#芯带出,其他砂芯都只有简单结构,整体芯包示意图见图7。
2.1.4 3D打印铸型芯
表1所示为缸盖型芯3D打印过程的技术参数。
2.1.5组芯合型,浇注成形
将打印好的型芯从造型箱中取出后,经除砂清理、预表烘干、表面施涂、烘干检验合格后
即可组芯合型,经浇注、冷却后成形(图8),除去铸件积砂、浇冒口、钢丸等,方可喷漆、
交检、合格入库。

2.2样件试制效率对比
通过直接打印砂型(芯),取消了模具制作过程、简化了铸造造型工艺,降低了铸件研制
成本,大大提高了新产品研发效率,适用于结构复杂、质量高要求、单件小批量铸件的研制。
3D打印快速成形铸造周期仅为传统有模砂型铸造的1/6,见表2。

3结束语
本文将3D打印技术运用于典型铸件产品的研发,相较传统有模砂型的铸造方法,产品研
发周期显著缩短,从而极大地提高了产品研发效率,降低了产品研发成本。