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金属零部件制造的3D打印技术现状及发展趋势

3D打印又称“增材制造”,美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会将其明确定义为“采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术”。因此,3D打印是一类制造技术的总称,从内涵至外延包含了广泛的原材料应用和增材工艺方法。自1892年基于叠层制造原理的立体地形模型制造专利发布起,3D打印技术的原始创新活动蓬勃发展,近30年来国内外大量学者将增材工艺与数字化制造技术结合起来,并进一步深化了基础理论体系,真正将3D打印发展成为一种可以工业化应用的技术门类。金属零部件是工业体系中占比最大、应用最为广泛的产品类型,随“工业4.0”进程的加快,快速开发、定制化制造、轻量化等需求面临着紧迫的压力。而3D打印技术具备成自由形度高、用材范围广、制件性能优异及制造环节少的特点,很好地契合了金属零部件产品的未来发展趋势,并已开始进入实用性阶段。

金属零部件制造的3D打印技术现状及发展趋势

现阶段,3D打印技术并不是完全以单一技术应用的方式服务于金属零部件制造领域,按照其在金属零部件成形过程中的作用来分类,服务方式可大致划分为间接制造、直接制造和组合制造方式。多模式的应用方式有效兼顾了金属零部件产品的制造成本和使用价值,并扩大了3D打印技术在工业领域的应用空间。

一、间接制造现状及其发展趋势

铸造成形是获得金属零部件的一种重要而又广泛的技术方式,在传统的铸造工业中大多包含模具制造的工序,而模具设计、开发和修正是一个漫长而昂贵的过程,3D打印技术中的快速原型(RapidPrototyping)技术可以有效解决这一问题而获得大量应用。其中,代表性的技术包括选区激光烧结(SLS)、激光立体光固化(SLA)和树脂微滴喷射(3DP)技术。采用选择性激光烧结技术可以省去模具制造过程,直接用来制作酚醛树脂覆膜砂铸型、熔模芯壳等产品,用于浇注金属零部件产品;激光立体光固化技术是通过特定波长的激光光束来固化光敏树脂的成形方式,具备成形自由度高、制件粗糙度低、尺寸精度好的特点,用来制作刚性高分子模具,强度可达50MPa,适用于呋喃树脂砂、水玻璃砂及潮模砂的砂型翻模制造,模具寿命和尺寸精度水平可满足小批量铸造产品的生产,且制造时间和成本低于传统金属模具;树脂微滴喷射技术采用阵列喷头动态控制的方式,获得了较快的面层扫描速度,适用于呋喃树脂自硬砂型的高效率制造。

覆膜砂型的激光烧结机理和应用技术已基本完善,我国最早开展选取激光烧结覆膜砂研究的机构有华中科技大学、西安交通大学等高校,国内此类设备的开发、销售企业主要有武汉滨湖机电技术产业有限公司、北京易加三维科技有限公司和北京隆源自动成型系统有限公司,上述3个公司的设备在铸造企业和科研院所装机量最大,应用也最为广泛。

激光立体光固化技术最早起源于美国,3D Systems公司始终保持这一技术的领先优势,我国西安交通大学等高校对光敏数值材料和技术机理的研究较为透彻,国内苏州中瑞机电科技有限公司、北京易加三维科技有限公司、上海联泰科技有限公司均开发出了性价比较高的工业应用设备,适用于模型制造等行业领域。

美国Exone公司和德国Voxeljet公司是树脂微滴喷射技术商业化应用的推动者和领导者;国内,广东峰华卓立科技股份有限公司推出了相似的技术装备,并实现了原材料的开源使用,具有较高的使用性价比体验,已实现在国际、国内铸造企业的销售;宁夏共享集团购置了多台套Exone设备用于智能铸造生产线的搭建,并开展了原材料和装备国产化的工作,已实现大型化呋喃树脂微滴喷射3D打印机的稳定运行。

上述快速原型技术的成熟度水平已完全满足铸型的快速开发需求,设备、原材料销售和技术服务正处于市场爆发期,如中国中车、广西玉柴机器集团有限公司、江淮汽车等大型的装备制造企业均已建立起了基于3D打印技术的砂型快速制造服务单元,行业内面向铸件快速开发服务的小型公司也在逐渐增多。

值得注意的是,目前的快速原型技术是通过省去或节省模具开发时间来加快铸造产品开发速度,仅适合于多品种、小批量铸件产品开发和铸造工艺快速定型,尚不能与传统铸造工业的大规模生产模式相竞争。从目前的技术现状和应用案例来看,各种服务于铸型开发的3D打印技术各有利弊。选择性激光烧结覆膜砂技术的设备价格较合理,获得的覆膜砂铸型适用范围较广,可广泛应用于铸钢、铸铁及有色合金铸造领域,但制造效率较低;激光立体光固化技术获得的铸造模具在强度和寿命方面还不能与传统金属材质模具相竞争,且高温性能差的特性限制了其在覆膜砂型热成形工艺上的应用;树脂微滴喷射技术虽然效率相对较高,但核心器件阵列喷头的寿命较短,更换成本高,且仅适用于呋喃树脂砂作为原材料,难以满足高品质铸件生产要求。

金属零部件制造的3D打印技术现状及发展趋势

笔者认为,铸型的适用范围和设备制造效率能否有效兼顾,是影响3D打印技术在铸造批量化生产模式中获得应用的关键因素。目前,可动态关闭的大功率半导体激光器技术已实现实质性突破,未来各研究机构和制造企业会开发出阵列扫描烧结酚醛覆膜砂材料的设备,并实现低维护成本下宽幅应用砂型的高速制造,能真正使 3D 打印成为传统铸造的必备工序。

金属零部件制造的3D打印技术现状及发展趋势

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