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船舶發動（dòng）機的快速成型與快速製造技術（shù）

2015-2-16 來源：數控機床市場網作者：廣東交通職業技術學院鍾更進

摘要： 介紹了快速成型技術的發展現狀及其在船舶發動機製（zhì）造中的應用（yòng），以 SLS 技術為例，係統的闡述了應用快速（sù）成型技術製造船舶發動機零（líng）件（jiàn）的全過（guò）程，說明了該技術適合單件和小批量試製和生產的特點，可迅速響應市場和提供小批量產品進行檢測和試驗，有助於保證產品開發（fā）速度，提高產品的開發（fā）質量，降（jiàng）低開（kāi）發成本，提高產品更新換代的頻（pín）次。

關鍵詞：船舶；發動機；快速製造

快速成型( Rapi d Prot ot ypi ng, 簡稱 RP) 技術是 20 世紀 80 年代後期發展（zhǎn）起來（lái）的,是由 CAD 模型直接驅動的快速製造任意複（fù）雜形狀三維物理實體的技（jì）術總稱。1986 年美國 3D Syst em s 公司（sī）率先推出了稱為St ereol i t hography Apparat us （簡稱 SLA）的激光快速成型製造係統，引起工業界的廣泛興趣（qù）並且（qiě） RP 得（dé）到（dào）了異乎（hū）尋（xún）常的（de）迅猛發展。

目前美（měi）國在 RP 領域處於主導地（dì）位，德國、以色列（liè）、日本也處於國際領（lǐng）先水平。在 RP 領域國內有清華大學、西安交通大（dà）學、南京航空航天大學（xué）、華中科技大學，北京隆源公司（sī）等。

隨著小型船舶（bó）產（chǎn）品更新換代節奏的（de）加快，對小型船舶發動機新品的研發速度要求越來越高。市場競爭的愈演愈烈也急迫地要求開發商（shāng）和製（zhì）造商對其成本和質量進行有效地管控，這就把許多麵臨地問題歸結到製造技術和先進的工藝上來。發動（dòng）機本身的結構十分複（fù）雜，包括大量複雜的鑄件、鍛壓（yā）件等等，在發動（dòng）機（jī）的（de）開發過程中各種零（líng）件模具的製造都是生產周期最長（zhǎng），花費最多的環（huán）節（jiē）之一。如果一旦發生設計更改必須進行修模甚至（zhì）重（chóng）新製作模（mó）具（jù），這使得一款（kuǎn）新發動機的（de）推出往往周期（qī）很（hěn）長。

采用快速成型方法生產（chǎn）發動機樣機省略了製作模具的工序，使發動機的研製周期大大縮短，一套發動機的（de）主要部件，包括缸體（tǐ）、缸頭、進排（pái）氣管等在幾周內就可製造完成，用於後期的試驗研究，如（rú）果設計需要更改（gǎi），隻需更改 CAD 數據，在很短的時間內就可製（zhì）作（zuò）出修改後樣機，進行進一（yī）步的試驗評定。

1 快速成型技術

RP 技（jì）術基（jī）本原理（lǐ）：離（lí）散—堆積（疊加）。

快速成型的基本原理是離（lí）散疊加製造，一（yī）個零（líng）件不管其外形和內腔是多麽複（fù）雜，都可以用一組平行（háng）平麵去截該零件，得到一係列足（zú）夠薄的切片，這些薄切（qiē）片可以近似的看作二維零件模型，用不同的使能技術將這些薄切片逐層製作，同時使這些薄片按照一定的規（guī）則堆積起來就可（kě）以得到（dào）一（yī）個完（wán）整（zhěng）的零件。目前成熟的快速成（chéng）型（xíng）技術有很多，這裏僅介紹最適於（yú）發動機（jī）部件製作的選區激光燒結（簡稱 SLS ）方法。

選區激（jī）光燒（shāo）結（jié）( Sel ect i ve LaserSi nt eri ng，SLS)是利（lì）用紅外激光光束所提供的熱量熔化熱塑性材（cái）料以形（xíng）成三維（wéi）零件。

選區激光燒結的原理如圖 1 所示。加工開（kāi）始（shǐ）時（shí）先（xiān）將一層很薄( 100 μm ~ 250 μm )的熱塑（sù）性粉末均勻地鋪在工作平（píng）台上，輔助（zhù）加熱裝置將其加熱到熔點以下的溫度，在均（jun1）勻的（de）粉末表（biǎo）麵，計算機控製激光按（àn）照零件（jiàn）當前層的信息掃描（miáo），激光掃描（miáo）到的（de）地方粉末燒結形成固體，激光未掃描到的地方仍是粉（fěn）末，可以作為下一層的支撐並能在成型完（wán）成後去除。上一層製作完畢後成型活塞下降一層，供粉活塞上升，用（yòng）鋪（pù）粉滾筒將粉體從供粉（fěn）活塞移到成型活塞，將粉（fěn）體鋪（pù）平後（hòu）即可掃描下一層。不斷重複（fù）這個輔粉和（hé）選區燒結過程直到最後一（yī）層，一個三維實體就（jiù）製作出來了。

選區激光燒結的最大特點：一是成型過程與複雜（zá）程度（dù）無關，因此（cǐ）特別適合於內部（bù）結構極其（qí）複雜的（de）發動（dòng）機缸體（tǐ）、缸蓋、進排氣管等部件；另一個重要的特點是成型材料廣泛，特別是可以用鑄造的樹脂（zhī）砂和可消（xiāo）失熔模材料成型，因此，可以（yǐ）通過與鑄造技術結合，快速鑄造出發動機的（de）部件。

2 快速鑄（zhù）造技術

快速鑄造（Qui ck Cast i ng 或 Rapi d Cast i ng ）技術是將快速（sù）成型與傳統鑄造技術有效（xiào）結合快速製造複雜金屬零件的（de）技術。發動機的缸體、缸頭一般都是鑄造產品，利用快速鑄造技術可以（yǐ）在很短時間內（nèi）得到與最終產品材料一致、性能接近的發動機產品供測試與檢驗。

快速鑄（zhù）造的工（gōng）藝流程（chéng）如圖 2 所示，利用選區（qū）激光燒結實現快速鑄造的途徑（jìng）有二條（tiáo）：一種是通（tōng）過（guò）激光直接燒結鑄造用熱（rè）固化樹脂砂，再通過砂（shā）型鑄造得到鑄（zhù）件；另（lìng）一種方法是用（yòng）激光直接（jiē）燒結可消失的樹脂粉末（mò）或蠟粉（fěn），再通過精密鑄造工藝得到鑄（zhù）件。這兩種方法的共同特點都是省略了模具製造。因此，如果用於單件或小批量的生產，生產周期大大縮短了。用（yòng）快（kuài）速成型的方法製作砂型，首先要根據零件的三維 CAD 毛坯模型設計出組合砂型模型。為了與後續的（de）批量生（shēng）產工藝靠近（jìn），砂型模型應盡量與通過模具製作的砂型模型保持一致（zhì），將砂型模（mó）型的各部分（fèn）經過軟（ruǎn）件的分層處理轉換為快速成型設備的加工文件（jiàn），就可以進行激光燒結成型了。

圖 3 是激光燒結成型的一個複雜砂型。成型用的（de）樹脂（zhī）砂與通常使用的熱固化樹脂砂極為相似（sì），隻不過（guò）對砂的粒徑分布和形態，樹（shù）脂成分及（jí）表麵處（chù）理等方麵（miàn）有（yǒu）更嚴（yán）格的指標。成型時的層厚（hòu）一般為 0. 2 m m ，精度（dù）可控製在（zài）0. 25 m m 以內。由於激光掃描（miáo）的速度很快，樹（shù）脂在成型時（shí）不能達到完全固化。成型後將未燒結的浮砂清除後，砂型一般要放到加熱箱中進行二次固化（huà）。經二次固化後的砂型可達到與射芯機製得（dé）的砂型相同的性能。由於發動機（jī）的部（bù）件大多采用砂型鑄造，因此快速砂型鑄（zhù）造已成為發動機（jī）樣機試製的（de）最常用和最有（yǒu）效的方法。

采用熔模快速鑄（zhù）造的方法是用 50 ~ 80 μm 的（de）可消失樹脂粉末或（huò）蠟粉為（wéi）原料，將（jiāng）零件的三維 CAD毛坯（pī）模型直接進行分層處理後，用激光將粉末直接逐層燒結成與零件毛坯一致的精密熔模，再將熔（róng）模直接通過石膏型或陶瓷型殼鑄造得到（dào）所需（xū）要的鑄件。采用快速精密鑄造製作的零件表（biǎo）麵質量好（hǎo），精度高，不需要設計砂型（xíng）模（mó）型等步（bù）驟，工藝過程相對簡單。同時（shí）由於零件毛坯的體積（jī）往往小於砂型的（de）體（tǐ）積，因此用 SLS 直接成型（xíng）熔模較之成型砂型速度（dù）更快，成本（běn）相（xiàng）對更（gèng）低。但是熔模鑄造一般比較適合於（yú）薄壁零件，對於厚壁（bì）零件往往因冷卻速度慢導致出現縮鬆等鑄造缺陷，因此這種方法在發動機部件的製作中（zhōng）一般用於（yú）進排氣管等相對壁厚較薄的零件，圖 4 是用可消失樹脂（zhī）粉直接燒（shāo）結成型的發動機（jī）進氣管的鑄造熔模。

3 應（yīng）用實例

鋁合金進氣管（guǎn）零件的快速（sù）製造。從收到零件的三維 CAD 數據到（dào）毛（máo）坯完成僅 10 天時間，其中（zhōng）零件熔模（mó）的快速成型 1 天，熔模鑄造 7 天，其（qí）他後處理及檢驗 2 天。進氣（qì）道是（shì）發動機極其重要的組成部分，由複雜（zá）的自由曲麵構成，其（qí）對提高進氣效率，改（gǎi）善（shàn）燃燒過程有十分重要的影響。在發動機的設計過（guò）程中，需要對（duì）不同的進氣道方案進行氣道試驗。傳統的方法是加工出十幾個或幾十個截（jié）麵的氣道木模或石膏模，再翻製成砂模鑄造出氣道。對氣道進行試驗找出不足後，還（hái）要重新修改模型。如（rú）此反複，費時費力，而且（qiě）精度（dù）難以保證。采用快速成型方法，可一次性地提供（gòng）一組不同曲麵的 CAD 數據，通過快（kuài）速鑄造，同時得到一組進氣管零件。經過測試，得到一組不同氣道結構的全麵的數據，從而篩選出最佳的（de）氣（qì）道方案，加快了研製速度，如圖 5 所示。

相對於小型船舶進氣管，發動機的缸體和缸蓋結構更為複雜，但是快速成型的最大優點就是與複雜程度無關（guān），越複雜（zá）的零件越適合快速成型製作。由於（yú）缸體、缸蓋的內部結構複雜且壁厚相對較厚，製作這些零（líng）件的最佳方法是快速砂型鑄造。圖 6 是用快速砂型（xíng）鑄（zhù）造獲得的一組缸體和缸蓋的鋁鑄件。此類零件（jiàn）的製作周期平均約 2 ~ 3 周。由於鑄造工藝（yì）與最終生產工藝極其相近，零件的尺寸精度（dù）和機械性（xìng）能與最終產品零件具有很（hěn）強的可（kě）比性。因此，快速砂型鑄造的缸（gāng）體缸蓋可直接用於發動（dòng）機的各種評價試驗，如對氣道進行流動分析，對水道進行冷卻性能測試。

4 結束語

快速成（chéng）型與鑄造技術結合，衍生出（chū）快速鑄造技術，其工藝特征是簡捷、準確、可靠和具有延（yán）展性，可有效地應用於發動機設計開發階段中樣機的快速製造。其適合單件和小批量試製和生產的特點，可迅速響應市場和提供（gòng）小批量產（chǎn）品進行檢測和試驗，有助於保證產品開發速（sù）度。其成型工藝過（guò）程（chéng）的可控性，可（kě）在設計開發階（jiē）段（duàn）低成本地即時修改，以便檢驗設計或提供裝配模型（xíng），其有助於提高產品的開發品質，其快速成型原材料的多元性，為產品開發階段提供了不（bú）同（tóng）地工藝組合，由於 SLS 原材料的國產化和（hé）成型工藝可與傳統工藝有機結（jié）合，有助於降低開發成本，其組合工藝的快捷性，支（zhī）持產品更新換代頻次的提高，有助於推動產品早日進入市場。

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