3D打印模具用于復(fù)雜汽車(chē)零件及葉輪零件的制造

汽車(chē)核心零部件，泵體、閥體、殼體、以及能源行業(yè)的閉式葉輪，這些是與復(fù)雜、高精度、難加工緊密聯(lián)系的技術(shù)高地。

3DP粘結(jié)劑噴射技術(shù)，其特點(diǎn)是工業(yè)級(jí)效率、速度快、精度高，再加上允許大尺寸打印，并且不僅僅可以打印砂子，還可以打印PMMA材料，可以說(shuō)3DP技術(shù)與生俱來(lái)就適合高端工業(yè)制造，尤其是快速試制和小批量生產(chǎn)領(lǐng)域。本期，3D科學(xué)谷結(jié)合voxeljet維捷在國(guó)外的幾個(gè)典型應(yīng)用案例，為您盤(pán)點(diǎn)3DP技術(shù)在復(fù)雜的關(guān)鍵零部件領(lǐng)域的精彩應(yīng)用。

薄壁離合器殼體

鑄造薄壁結(jié)構(gòu)的零件，尤其是薄壁離合器殼體，這對(duì)砂型制造提出了很大的挑戰(zhàn)。voxeljet維捷與Koncast通過(guò)3D打印砂模，鑄造離合器外殼的方法，在不到五天的時(shí)間就解決了這一技術(shù)難題。

這款鋁制離合器箱是用來(lái)做設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程中的原型，尺寸為465毫米×390毫米×175毫米，重7.6公斤。通過(guò)voxeljet維捷的3D打印機(jī)來(lái)完成砂模制作，voxeljet維捷專家選用了高質(zhì)量的GS09砂來(lái)達(dá)到極薄的壁厚打印。

更優(yōu)質(zhì)的砂帶來(lái)更精細(xì)的分辨率，并提供了最佳的鑄造表面質(zhì)量。在z軸方向上，精度是使用標(biāo)準(zhǔn)砂的兩倍。

鑄造過(guò)程采用的是G-AlSi8Cu3合金，溫度達(dá)到了790°C。這個(gè)過(guò)程生產(chǎn)的離合器與后面測(cè)試通過(guò)后批量生產(chǎn)的零件是完全一致的。Koncast也從中獲得了巨大的時(shí)間和成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中不需要前期開(kāi)模的刀具準(zhǔn)備，避免了木模的制造成本。

弗朗西斯型水輪機(jī)葉輪的快速迭代
對(duì)于葉輪的設(shè)計(jì)迭代來(lái)說(shuō)，每一個(gè)新的幾何形狀的設(shè)計(jì)都關(guān)乎水輪機(jī)的工作性能。而由于3D打印砂模技術(shù)帶來(lái)的快捷性，現(xiàn)在鑄造廠只需要把新設(shè)計(jì)的葉輪模型CAD數(shù)據(jù)發(fā)送到voxeljet維捷。

voxeljet維捷收到設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)后會(huì)做一個(gè)檢查，隨后這些數(shù)據(jù)處理并被3D打印設(shè)備讀取，短短的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，葉輪的砂型就被設(shè)備打印出來(lái)。

打印工作完成后，多余的沙子被去除，然后通過(guò)壓縮空氣來(lái)清洗砂型，隨后運(yùn)到鑄造廠。在鑄造廠，這些砂型模具被涂黑，組裝完成好的砂模被送至1650°C的鑄造環(huán)境下，來(lái)鑄造耐腐蝕不銹鋼材料的葉輪。

這個(gè)過(guò)程主要用于葉輪原型的生產(chǎn)，因?yàn)?D打印砂型不需要使用傳統(tǒng)的方法來(lái)生產(chǎn)昂貴的砂型模具，這節(jié)省了大量的成本，而且當(dāng)新的設(shè)計(jì)迭代要求做出改變的時(shí)候，只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)，新的砂型又可以開(kāi)始生產(chǎn)了。

與傳統(tǒng)的先制造木模再生產(chǎn)砂型的方法不同的是，3D打印還帶來(lái)了設(shè)計(jì)的自由度。傳統(tǒng)方式制造葉輪，由于葉輪設(shè)計(jì)弧度的問(wèn)題，常常不得將葉輪分為幾塊來(lái)生產(chǎn)，以解決干涉問(wèn)題，而通過(guò)3D打印，這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以被完整的制造出來(lái)。

這使得鑄造精度更高，并減少清洗要求，減少鑄造缺陷。高質(zhì)量、低成本、短交貨期，使得鑄造廠越來(lái)越依賴3D打印的方式來(lái)完成砂型制造。

方程式賽車(chē)變速箱的精密鑄造
賽車(chē)作為汽車(chē)家族中的特殊成員，需要在保證賽車(chē)動(dòng)力性的前提下，兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性與操縱穩(wěn)定性。為了達(dá)到目標(biāo)，變速箱的設(shè)計(jì)為賽車(chē)的整車(chē)性能有著重要影響。

變速箱不僅要滿足傳遞較大功率，適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的條件，還需要滿足經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、舒適性與可靠性。

而變速箱殼體不僅有薄壁的特點(diǎn)，在后期的機(jī)加工后還需要嚴(yán)格檢查孔與孔、面與面、孔與面的相互位置精度以及孔本身的精度，這對(duì)前期鑄造也提出了嚴(yán)格的要求。

voxeljet維捷在方程式賽車(chē)變速箱的精密鑄造模具3D打印方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，面對(duì)薄壁和嚴(yán)格的尺寸公差要求，voxeljet維捷采取了PMMA材料用于打印精密鑄造模具，整個(gè)模具尺寸為590 x 455 x 455 mm，重量為3.2 kg，交貨期為5天，最后鑄造出來(lái)的鋁制變速箱重量為8.5 kg。另一方面，如此復(fù)雜的變速箱是完整鑄造出來(lái)了，完美的滿足了尺寸公差的要求。

渦輪增壓器原型
道路上滿是司機(jī)，他們喜歡享受暢馳的感覺(jué)，但車(chē)量的排放需要對(duì)環(huán)境也是友好的。奧托循環(huán)(Otto-cycle)發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有排氣再循環(huán)(EGR)，其中排氣被引導(dǎo)返回至進(jìn)氣歧管以便尤其是減小汽缸中的溫度峰值，以此方式實(shí)現(xiàn)減少或限制氮氧化物的排放。

Otto發(fā)動(dòng)機(jī)配備的渦輪增壓器正在經(jīng)歷一個(gè)復(fù)興。這里的核心理念是排量較小的發(fā)動(dòng)機(jī)配備一個(gè)特別的渦輪增壓器。這使他們能夠相得益彰，達(dá)到最佳輸出功率與熱效率的匹配。

為了達(dá)到最大的效率，渦輪增壓器必須具有完美的幾何形狀。通過(guò)仿真軟件，設(shè)計(jì)人員能夠獲得最佳的精度要求。然而，在實(shí)際的制造過(guò)程中，總是會(huì)涉及到不斷的測(cè)試及完善。因此，要減少來(lái)來(lái)回回返工的必要，接近標(biāo)準(zhǔn)的成型的工藝是必須的。

voxeljet維捷將兩部分零件組合在一起，通過(guò)3D打印PMMA材料來(lái)制造這個(gè)尺寸為258 x 193 x 160 mm的精密模具，最終制造出來(lái)的模具重量為0.5kg，從而滿足了近凈型的復(fù)雜形狀渦輪增壓器鑄造要求。

賽車(chē)進(jìn)氣歧管
進(jìn)氣歧管位于節(jié)氣門(mén)與引擎進(jìn)氣門(mén)之間，之所以稱為歧管，是因?yàn)榭諝膺M(jìn)入節(jié)氣門(mén)后，經(jīng)過(guò)歧管緩沖統(tǒng)后，空氣流道就在此分歧了。進(jìn)氣歧管必須將空氣、燃油混合氣或潔凈空氣盡可能均勻地分配到各個(gè)氣缸，為此進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體流道的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能相等。為了減小氣體流動(dòng)阻力，提高進(jìn)氣能力，進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁應(yīng)該光滑。

賽車(chē)的進(jìn)氣歧管具有許多干涉部位，這對(duì)于砂型鑄造和后期的機(jī)加工都提出了許多挑戰(zhàn)。為了滿足復(fù)雜性的精確要求，voxeljet維捷將這一854 x 606 x 212 mm 大小的進(jìn)氣歧管模型拆分成4塊來(lái)進(jìn)行砂模打印，在隨后的組裝過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生變形問(wèn)題。

整個(gè)的砂型重約208kg打印時(shí)間為15個(gè)小時(shí)，鑄造完成的鋁制進(jìn)氣歧管重約40.8 kg。

來(lái)源：3D科學(xué)谷voxeljet 維捷