3D打印技术在双金属发动机缸体快速熔模精密铸造中的应用■宋彬，蔡永生，徐宏，夏建强，孙宁，及晓阳，任瑞，李雨 摘要：通过3D打印选择性激光粉末烧结工艺技术（SLS），铸造工艺设计和模拟优化CAD/CAE技术和熔模精密铸造技术(硅溶胶和石膏型)相融合，实现双金属发动机缸体快速无模具制造，解决双金属发动机缸体生产周期长，模具成本高，质量不合格等问题。 关键词：选择性激光烧结；铸造模拟；精密铸造；双金属缸体 一、概述在发动机制造业日趋国际化的状况下，面临市场瞬息万变的严峻挑战。缩短新型发动机的开发周期，提高开发质量和控制开发成本，成为企业参与市场竞争，赖以生存的关键。 我国车用发动机产品在越来越激烈的市场竞争和排放法规的约束下，产品寿命周期也呈现出越来越短的趋势，而对产品的功能性、耐久性方面的要求越来越高。发动机的平均开发周期为4～5年(其中研发周期为2～3年，生产准备周期为2年)，而产品的生命周期为8～10年[1]。 3D打印SLS增材技术以离散/堆积原理，通过切片软件将复杂零件的三维CAD模型按一定方式离散切片成为简单可加工的离散面(二维平面)、离散线和离散点，然后再采用激光烧结手段将这些离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状一“3D快速原型”。近年来快速原型的制造已发展为快速模具制造(Rapid Tooling)及快速制造(Rapid Manufacturing)，这技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批零件的制造问题。 选择性激光烧结工艺应用在新品开发上可以将新品试制周期由4～5个月缩短至20天以内，同时研制风险降低，而且在应对样件变更能力上快速成形也比传统的模具具有更大的优势。 本试验采用激光烧结聚苯乙烯（PS）粉末制作铸造模型，通过精密铸造得到铸件。 二、选择性激光烧结工艺原理SLS是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)在激光照射下熔融烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。此法采用二氧化碳激光器或其他激光器作能源。在工作台上均匀铺上一层很薄(0.1～0.2 mm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行照射，使粉末熔融烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再对产品进行打磨、烘干等处理获得零件[2]。 SLS工艺过程如图1所示。首先将零件三维实体模型文件沿Z向分层切片，并将零件实体的截面信息储存于STL文件中；然后在工作台上用铺粉辊铺一层粉末材料，由二氧化碳激光器发出的激光束在计算机的控制下，根据各层截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描，在被激光扫描的区域，粉末材料被烧结在一起，未被激光照射的粉末仍呈松散状，作为成形件和下一粉末层的支撑; 一层烧结完成后，工作台下降一个截面层(设定的切片厚度)的高度，再进行下一层铺粉、烧结，新的一层和前一层自然地烧结在一起。这样，当全部截面烧结完成后除去未被烧结的多余粉末，便得到所设计的三维实体零件。由图1可知，激光扫描过程、激光开关与功率、预热温度及铺粉辊、粉缸移动等都是在计算机系统的精确控制下完成的。 三、缸体结构分析和3D打印工艺制订发动机缸体（见图2）作为发动机的核心部位，零件毛坯尺寸为355mm×332mm×298mm。其壁厚较薄(最小壁厚为3mm )，内嵌铁质缸套，内部结构精细、外部形状复杂，内外表面质量要求较高。在新产品开发中，缸体铸件需要多次试制和反复改进，生产周期、成本、质量需要同时必须得到满足，因此采取合适的铸造工艺对缸体的生产至关重要。传统的开模具再铸造的工艺方法很难满足缸体的以上要求，而3D打印SLS技术成形（PS）粉末再表面浸蜡可以在15～20h内直接获得缸体的铸造蜡模。 虽然SIS技术以粉床上未烧结的粉末作为天然支架，具有一定的支撑性，但对于具有复杂底面形状、某些特殊结构的零件需要添加支撑结构。从力学角度分析，如果不添加支撑结构，某些部位受力过大，会导致零件的坍塌或变形，从而使打印件出现断裂或是裂纹。成形的关键在于确定“底层”，“底层”即为在机器生产过程中初始加工面，而这个“底层”的确定一般遵从的原则为选择零件的较小面、平面，同时还要考虑方便后期取件的问题来确定。这些的目的是保证铸造模型的成品率，使得模型没有断裂、变形等缺陷。 一般支撑的高度给20mm，厚度1mm，沿着要添加支撑面的轮廓添加，如图3所示，红色方框内就是添加的支撑。 将准备STL文件切片（见图4）成NC文件导入SLS系列HLP-500设备中，相应参数设置：打印分层厚度0.10mm； 激光光束在工作平面的运动速度2000mm/s；铺粉直线单元的运动速度250mm/s；激光器的实际输出功率30W：供料裕量0.05mm；转换因子：1.01。通过机器的20h的打印，再经过后处理浸蜡、表面处理，最后得到蜡模，如图5所示。 四、缸体熔模铸造过程工艺设计及模拟优化（1）缸体热节确定和铸造工艺设计 通过使用CASTsoft 8.0来对毛坯进行铸造模拟，最终得到的温度场如图6、图7所示。铸造CASTsoft 8.0工艺设计模块进行工艺热结计算确定铸件工艺布局，确定浇注系统。铸造热节是指金属液在凝固过程中，铸件内部比周围金属凝固缓慢的局部区域。也可以说是最后冷却凝固的地方。同时在热节处设置冷铁，以加快冷却速度，以及设计合理的浇注系统和浇注速度等工艺参数。  图1 SLS工艺过程示意  图2 发动机缸体毛坯  图3 发动机缸体支撑示意  图4 模型的切片处理  图5 缸体蜡模 （2）确定浇注系统后铸造模拟 根据对毛坯热节图的结果，可以知道热节主要分布在铸件的中部和底部，所以对热节部分进行补偿，加上浇注系统，最终浇注系统如图8所示。工艺参数：铸件材料ZL101A，铸铁缸套400℃，铸型硅溶胶400℃或石膏型150℃，浇注温度690～710℃，结果情况如图9所示。  图6 缸体毛坯温度场  图7 缸体毛坯热节位置  图8 缸体浇注工艺装配  图9 缸体铸造工艺模拟优化结果  图10 蜡模工艺组树模样  图11 模样制壳 五、缸体的铸造过程1. 蜡模工艺组树和制壳 按照模拟优化后的工艺方案进行浇注和补缩系统组合，最终组树如图10所示。将铸造模型挂浆、淋砂等步骤对模型制壳8～9层壳体，如图11所示。 2. 脱蜡、焙烧、浇注、后处理 （1）硅溶胶工艺脱蜡和焙烧过程 ①脱蜡：采用常规水脱蜡或水蒸气脱蜡。②焙烧：在150～250℃区间保温2～3h，保证液体充分流出。在250～350℃区间保温2～3h，保证充分汽化（时间长短以不冒黑烟为标准），在350～500℃区间保温1h。 （2）石膏型工艺脱蜡和焙烧过程 3D在打印蜡模用于石膏型工艺与硅溶胶工艺大部分相同，不同指出如下。 熔模制壳和干燥：将组好工艺树的蜡型放在真空罐中，在真空条件下进行灌浆，放在温度为20℃的室内静置15～20h，待石膏型完全硬化。 脱蜡：3D打印缸体蜡模采用自制蜡粉，材料成分与传统中、低温蜡相似，由于3D打印工艺的需要进行组分调整，同时加入有利于蜡粉流动性的特殊组分，为了不对传统回收蜡成分污染，选用蜡不进行回收。蜡粉的熔点在80℃以下，由于石膏对水的敏感性，不能采用水浴脱蜡（90～95℃）和高压水蒸气脱蜡（超过100℃）两种方式进行脱蜡。通过直接进行焙烧加热的方法进行脱蜡，可以顺利完成脱蜡工作。 缸体采用焙烧脱蜡，具体参数：脱蜡温度90～140℃；脱蜡工具为焙烧炉；脱蜡时间1～3h；脱蜡前模组存放时间＞12h，但模组存放不得超过3天；脱蜡是否完成以浇口流蜡和冒烟颜色来判断；焙烧时间为2～3个工作日。 3. 浇注 浇注温度在（700+10）℃，模壳厚度10～12mm，模壳焙烧温度1200℃，浇注时模壳温度400℃，浇注时间在12s左右。最后经过浇注、后处理得到的铸件如图12所示。 六、结语通过3D打印SLS技术、铸造工艺设计和模拟优化CAD/CAE技术和熔模精密铸造技术相融合，实现双金属发动机缸体快速无模具制造。事实证明：“3D打印+传统熔模精密铸造”能够解决双金属缸体质量不稳定、制造周期长、加工量大、补焊、尺寸不稳定，以及内部缺陷和反修次数多等现有制造问题，该技术在缸体类新产品开发，单件小批量/复杂零部件生产中优势明显。 图12 缸体铸件 参考文献： [1] 宋彬等. 3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的应用[J].金属加工（热加工），2016（19）：28-31. [2] 李庆春.铸件形成理论基础 [M].北京：机械工业出版社，1982. [3] 李魁盛 .铸造工艺及原理[M]. 北京：机械工业出版社，1988. [4] 范英俊.铸造手册之特种铸造[M]. 北京：机械工业出版社，2003. [5] 柳百成，等.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M]. 北京：机械工业出版社， 2001. [6] 徐宏.铸造工艺设计及模拟技术[M].北京：教育出版社，2011. 作者简介：宋彬，北京北方恒利科技发展有限公司，兼安徽恒利增材制造科技有限公司副总经理，工程师，从事铸造数值化模拟技术和“3D打印+传统铸造”相关工作。蔡永生、徐宏、夏建强，安徽恒利增材制造科技有限公司。孙宁，中国兵器工业新技术推广研究所。及晓阳、任瑞、李雨，北京北方恒利科技发展有限公司。 |
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