間接制造現狀及其發展趨勢

鑄造成形是獲得金屬零部件的一種重要而又廣泛的技術方式,在傳統的鑄造工業中大多包含模具制造的工序,而模具設計、開發和修正是一個漫長而昂貴的過程,3D打印技術中的快速原型(RapidPrototyping)技術可以有效解決這一問題而獲得大量應用。其中,代表性的技術包括選區激光燒結(SLS)、激光立體光固化(SLA)和樹脂微滴噴射(3DP)技術。采用選擇性激光燒結技術可以省去模具制造過程,直接用來制作酚醛樹脂覆膜砂鑄型、熔模芯殼等產品,用于澆注金屬零部件產品;激光立體光固化技術是通過特定波長的激光光束來固化光敏樹脂的成形方式,具備成形自由度高、制件粗糙度低、尺寸精度好的特點,用來制作剛性高分子模具,強度可達50MPa,適用于呋喃樹脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造,模具壽命和尺寸精度水平可滿足小批量鑄造產品的生產,且制造時間和成本低于傳統金屬模具;樹脂微滴噴射技術采用陣列噴頭動態控制的方式,獲得了較快的面層掃描速度,適用于呋喃樹脂自硬砂型的高效率制造。

覆膜砂型的激光燒結機理和應用技術已基本完善,我國最早開展選取激光燒結覆膜砂研究的機構有華中科技大學、西安交通大學等高校,國內此類設備的開發、銷售企業主要有武漢濱湖機電技術產業有限公司、北京易加三維科技有限公司和北京隆源自動成型系統有限公司,上述3個公司的設備在鑄造企業和科研院所裝機量最大,應用也最為廣泛。

激光立體光固化技術最早起源于美國,3D Systems公司始終保持這一技術的領先優勢,我國西安交通大學等高校對光敏數值材料和技術機理的研究較為透徹,國內蘇州中瑞機電科技有限公司、北京易加三維科技有限公司、上海聯泰科技有限公司均開發出了性價比較高的工業應用設備,適用于模型制造等行業領域。

美國Exone公司和德國Voxeljet公司是樹脂微滴噴射技術商業化應用的推動者和領導者;國內,廣東峰華卓立科技股份有限公司推出了相似的技術裝備,并實現了原材料的開源使用,具有較高的使用性價比體驗,已實現在國際、國內鑄造企業的銷售;寧夏共享集團購置了多臺套Exone設備用于智能鑄造生產線的搭建,并開展了原材料和裝備國產化的工作,已實現大型化呋喃樹脂微滴噴射3D打印機的穩定運行。

上述快速原型技術的成熟度水平已完全滿足鑄型的快速開發需求,設備、原材料銷售和技術服務正處于市場爆發期,如中國中車、廣西玉柴機器集團有限公司、江淮汽車等大型的裝備制造企業均已建立起了基于3D打印技術的砂型快速制造服務單元,行業內面向鑄件快速開發服務的小型公司也在逐漸增多。

值得注意的是,目前的快速原型技術是通過省去或節省模具開發時間來加快鑄造產品開發速度,僅適合于多品種、小批量鑄件產品開發和鑄造工藝快速定型,尚不能與傳統鑄造工業的大規模生產模式相競爭。從目前的技術現狀和應用案例來看,各種服務于鑄型開發的3D打印技術各有利弊。選擇性激光燒結覆膜砂技術的設備價格較合理,獲得的覆膜砂鑄型適用范圍較廣,可廣泛應用于鑄鋼、鑄鐵及有色合金鑄造領域,但制造效率較低;激光立體光固化技術獲得的鑄造模具在強度和壽命方面還不能與傳統金屬材質模具相競爭,且高溫性能差的特性限制了其在覆膜砂型熱成形工藝上的應用;樹脂微滴噴射技術雖然效率相對較高,但核心器件陣列噴頭的壽命較短,更換成本高,且僅適用于呋喃樹脂砂作為原材料,難以滿足高品質鑄件生產要求。

筆者認為,鑄型的適用范圍和設備制造效率能否有效兼顧,是影響3D打印技術在鑄造批量化生產模式中獲得應用的關鍵因素。目前,可動態關閉的大功率半導體激光器技術已實現實質性突破,未來各研究機構和制造企業會開發出陣列掃描燒結酚醛覆膜砂材料的設備,并實現低維護成本下寬幅應用砂型的高速制造,能真正使 3D 打印成為傳統鑄造的必備工序。



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