【案例】3D打印模具用于復雜汽車零件及葉輪零件的制造

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

3DP粘結劑噴射技術,，其特點是工業(yè)級效率、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3DP技術與生俱來就適合高端工業(yè)制造,，尤其是快速試制和小批量生產(chǎn)領域。本期,，3D科學谷結合voxeljet維捷在國外的幾個典型應用案例,，為您盤點3DP技術在復雜的關鍵零部件領域的精彩應用。


駕馭復雜性的簡單之道

· 薄壁離合器殼體

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

這款鋁制離合器箱是用來做設計驗證過程中的原型,，尺寸為465毫米×390毫米×175毫米,，重7.6公斤。通過voxeljet維捷的3D打印機來完成砂模制作,，voxeljet維捷專家選用了高質(zhì)量的GS09砂來達到極薄的壁厚打印,。

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

鑄造過程采用的是G-AlSi8Cu3合金,，溫度達到了790°C,。這個過程生產(chǎn)的離合器與后面測試通過后批量生產(chǎn)的零件是完全一致的。Koncast也從中獲得了巨大的時間和成本優(yōu)勢,，因為在這個過程中不需要前期開模的刀具準備,，避免了木模的制造成本。

· 弗朗西斯型水輪機葉輪的快速迭代

對于葉輪的設計迭代來說,，每一個新的幾何形狀的設計都關乎水輪機的工作性能,。而由于3D打印砂模技術帶來的快捷性，現(xiàn)在鑄造廠只需要把新設計的葉輪模型CAD數(shù)據(jù)發(fā)送到voxeljet維捷,。

voxeljet維捷收到設計模型的數(shù)據(jù)后會做一個檢查,，隨后這些數(shù)據(jù)處理并被3D打印設備讀取，短短的幾個小時內(nèi),，葉輪的砂型就被設備打印出來,。

打印工作完成后，多余的沙子被去除,，然后通過壓縮空氣來清洗砂型,，隨后運到鑄造廠。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,，來鑄造耐腐蝕不銹鋼材料的葉輪。

這個過程主要用于葉輪原型的生產(chǎn),，因為3D打印砂型不需要使用傳統(tǒng)的方法來生產(chǎn)昂貴的砂型模具,，這節(jié)省了大量的成本，而且當新的設計迭代要求做出改變的時候,，只需要點擊鼠標,，新的砂型又可以開始生產(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打印還帶來了設計的自由度,。傳統(tǒng)方式制造葉輪，由于葉輪設計弧度的問題,，常常不得將葉輪分為幾塊來生產(chǎn),，以解決干涉問題，而通過3D打印,，這些復雜的設計可以被完整的制造出來,。

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,，使得鑄造廠越來越依賴3D打印的方式來完成砂型制造。


· 方程式賽車變速箱的精密鑄造

賽車作為汽車家族中的特殊成員,，需要在保證賽車動力性的前提下,，兼顧燃油經(jīng)濟性與操縱穩(wěn)定性。為了達到目標,，變速箱的設計為賽車的整車性能有著重要影響,。

變速箱不僅要滿足傳遞較大功率，適應高轉(zhuǎn)速的條件,，還需要滿足經(jīng)濟性、動力性,、舒適性與可靠性,。

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

voxeljet維捷在方程式賽車變速箱的精密鑄造模具3D打印方面積累了豐富的經(jīng)驗,，面對薄壁和嚴格的尺寸公差要求,，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，最后鑄造出來的鋁制變速箱重量為8.5 kg,。另一方面,，如此復雜的變速箱是完整鑄造出來了，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,，他們喜歡享受暢馳的感覺，但車量的排放需要對環(huán)境也是友好的,。奧托循環(huán)(Otto-cycle)發(fā)動機通常具有排氣再循環(huán)(EGR),，其中排氣被引導返回至進氣歧管以便尤其是減小汽缸中的溫度峰值，以此方式實現(xiàn)減少或限制氮氧化物的排放,。

Otto發(fā)動機配備的渦輪增壓器正在經(jīng)歷一個復興,。這里的核心理念是排量較小的發(fā)動機配備一個特別的渦輪增壓器。這使他們能夠相得益彰,，達到最佳輸出功率與熱效率的匹配,。

為了達到最大的效率，渦輪增壓器必須具有完美的幾何形狀,。通過仿真軟件,，設計人員能夠獲得最佳的精度要求。然而,，在實際的制造過程中,，總是會涉及到不斷的測試及完善。因此,，要減少來來回回返工的必要,，接近標準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3D打印PMMA材料來制造這個尺寸為258 x 193 x 160 mm的精密模具,，最終制造出來的模具重量為0.5kg，從而滿足了近凈型的復雜形狀渦輪增壓器鑄造要求,。

賽車進氣歧管

進氣歧管位于節(jié)氣門與引擎進氣門之間,，之所以稱為歧管，是因為空氣進入節(jié)氣門后,，經(jīng)過歧管緩沖統(tǒng)后,，空氣流道就在此分歧了,。進氣歧管必須將空氣、燃油混合氣或潔凈空氣盡可能均勻地分配到各個氣缸,，為此進氣歧管內(nèi)氣體流道的長度應盡可能相等,。為了減小氣體流動阻力，提高進氣能力,，進氣歧管的內(nèi)壁應該光滑,。

賽車的進氣歧管具有許多干涉部位，這對于砂型鑄造和后期的機加工都提出了許多挑戰(zhàn),。為了滿足復雜性的精確要求,，voxeljet維捷將這一854 x 606 x 212 mm 大小的進氣歧管模型拆分成4塊來進行砂模打印，在隨后的組裝過程中,，沒有發(fā)生變形問題,。

整個的砂型重約208kg打印時間為15個小時，鑄造完成的鋁制進氣歧管重約408 kg,。

來源：3D科學谷