船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的快速成型與快速制造技術(shù)

孫公文 田樹海 劉順昌

摘 要：快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping）是繼NC技術(shù)之后制造領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)制造群中的關(guān)鍵技術(shù)，快速成型與快速制造技術(shù)應(yīng)用于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)制造，能顯著縮短新品上市的時(shí)間，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)與模具制造的費(fèi)用。本文主要討論基于快速成型技術(shù)的選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：船舶發(fā)動(dòng)機(jī)；快速成型；快速制造

當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)逐步向國際化方向發(fā)展，市場競爭進(jìn)一步激烈，生產(chǎn)技術(shù)不斷更新，生產(chǎn)經(jīng)營國際化，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短。市場對發(fā)動(dòng)機(jī)的功能、排放水平、耐久性提出了更高的要求，用戶的需求也逐漸多樣化。因而，如何有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，是發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)面臨的首要難題。隨著快速成型（RP）技術(shù)的發(fā)展與完善，集CAD、激光、數(shù)控、新材料等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一身，可以由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的新興技術(shù)，在制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，在小型船舶發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域，快速成型與快速鑄造技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，優(yōu)勢明顯。

一、快速成型與快速制造技術(shù)

RP技術(shù)在美國、日本、以及歐洲一些國家研究與應(yīng)用起步較早。美國有眾多的高等學(xué)府、公司和國家實(shí)驗(yàn)室從事RP技術(shù)的研發(fā)，如The University of Texas at Austin以Prof.Joseph J.Beaman為首，主要進(jìn)行SLS工藝的研究；日本SONY公司下屬的D一MEC，研發(fā)了用于SL工藝的SCS型設(shè)備；德國EOS從事于SL以及SLS工藝的研發(fā)。而我國則在上世紀(jì)90年代初才開始RP技術(shù)的研發(fā)，但由于成品的引進(jìn)較多，價(jià)格高昂，難以滿足國內(nèi)制造業(yè)的迫切需求，在政府資助支持下，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工以及北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司等學(xué)府與機(jī)構(gòu)最早開展RP技術(shù)的研發(fā)。經(jīng)過長時(shí)間的努力，無論是工藝、設(shè)備、軟件、材料還是應(yīng)用，我國RP研發(fā)發(fā)展迅速，眾多的企業(yè)開始應(yīng)用這一新型的制造技術(shù)，取得了良好的效益。

RP采用離散/堆積（疊加）成型原理，其流程為：CAD模型→Z向離散化（分層）→層面信息處理→層面加工與粘結(jié)→層層堆積。依據(jù)三維CAD模型以及具體工藝的需求，按照某一厚度進(jìn)行分層，將三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)變?yōu)楹鼙〉亩S平面模型，并進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，基于數(shù)控系統(tǒng)控制，通過平面加工的方式連續(xù)加工出一系列的薄層，粘結(jié)成型。其本質(zhì)是離散疊加制造，將原材料從低到頂完成零件的制造。發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)階段各種零件模具的生產(chǎn)周期長、花費(fèi)多，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的新品開發(fā)周期很長。而利用RP技術(shù)，從CAD設(shè)計(jì)到發(fā)動(dòng)機(jī)原型制作，通常只需幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)，節(jié)省了制造模具的工序，極大地縮短了研發(fā)周期。制造工藝與零件的復(fù)雜度無關(guān)，制造費(fèi)用可降低50%，同時(shí)可以加個(gè)任何形狀的零件，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸頭、進(jìn)排氣管等復(fù)雜的零件在很短的時(shí)間內(nèi)便可完成，適合新產(chǎn)品的開發(fā)，支持小批量的生產(chǎn)，甚至單件生產(chǎn)。由于RP高集成化的特點(diǎn)，零件可以隨時(shí)修改制造，短期內(nèi)就可制作出修改后樣機(jī)。當(dāng)前國內(nèi)發(fā)展成熟的快速成型技術(shù)已有十多種，與船舶發(fā)動(dòng)機(jī)制造密切相關(guān)的是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功的選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS，Selective Laser Sintering）。

SLS是指利用激光器對熱塑粉末進(jìn)行分層燒結(jié)固化堆積成形零件。加工過程是采用鋪粉棍將一層很薄的熱塑性粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末熔點(diǎn)的溫度，計(jì)算機(jī)控制激光束按照該層信息掃描，與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，然后進(jìn)行新一層的燒結(jié)，重復(fù)上述工序直至完成最后一層的燒結(jié)，一個(gè)完整的實(shí)體零件便制造出來了。能夠直接制作金屬制品，可采用多種材料、制造工藝比較簡單、精度高、生產(chǎn)周期短、材料利用率高（可以認(rèn)為是100%），與傳統(tǒng)工藝方法相結(jié)合，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、進(jìn)排氣管等零部件的快速鑄造。

發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸頭一般都可利用快速鑄造（Quick Casting / Rapid Casting）技術(shù)，在短期內(nèi)得到發(fā)動(dòng)機(jī)樣品。基于SLS的快速鑄造有兩種途徑，用熱固化樹脂砂砂型鑄造鑄件以及利用可消失的樹脂粉末或蠟粉，通過精密鑄造工藝得到鑄件。砂型制作是根據(jù)零件的三維 CAD 毛坯模型設(shè)計(jì)出組合砂型模型，砂型鑄造是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件鑄造的重要方式。而采用快速精密鑄造制作的零件具有表面質(zhì)量好、精度高、工藝簡單、成本低的優(yōu)勢，但是熔模鑄造一般比較適合于薄壁零件，對于厚壁零件往往因冷卻速度慢導(dǎo)致出現(xiàn)縮松等鑄造缺陷，一般用于進(jìn)排氣管等相對壁厚較薄的零件鑄造。

二、快速成型技術(shù)在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用

將SLS激光快速成型技術(shù)與精密鑄造工藝結(jié)合起來，特別適宜具有復(fù)雜形狀的金屬功能零件整體制造，如鋁合金進(jìn)氣管零件的快速制造。一般情況下，10天時(shí)間便可完成進(jìn)氣管零件的 CAD 數(shù)據(jù)到毛坯的成形，用1天時(shí)間便可完成零件熔模的快速成型、再經(jīng)7天時(shí)間完成熔模鑄造、2天時(shí)間進(jìn)行相關(guān)后處理、檢驗(yàn)。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道由復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成，對進(jìn)氣效率、燃燒效率的提高至關(guān)重要，是發(fā)動(dòng)機(jī)極其重要的組成部分。在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，需要對不同的進(jìn)氣道方案進(jìn)行氣道試驗(yàn)。之前的試驗(yàn)方法是加工大量截面的氣道木?；蚴嗄?，再翻制成砂模鑄造出氣道。一旦出現(xiàn)問題則必須修改模型，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力，依舊無法保證產(chǎn)品的精度。采用快速成型方法，可以很快做出原型，供設(shè)計(jì)人員和用戶審查，使得外形設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)更直觀、有效、快捷?？梢淮涡缘靥峁┮唤M不同曲面的 CAD 數(shù)據(jù)，通過快速鑄造，同時(shí)得到一組進(jìn)氣管零件，從不同氣道結(jié)構(gòu)的全面的數(shù)據(jù)中篩選出最佳方案。相對于小型船舶進(jìn)氣管，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但是RP適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件制造，而且成本低廉、精度高。缸體、缸蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壁厚相對較厚，可選用快速砂型鑄造的方法制造。缸體、缸蓋等零件的制作周期平均約兩到三周。由于鑄造工藝與最終生產(chǎn)工藝極其相近，零件的尺寸精度和機(jī)械性能與最終產(chǎn)品零件具有很強(qiáng)的可比性。因此，快速砂型鑄造的缸體缸蓋可直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種評價(jià)試驗(yàn)，如對氣道進(jìn)行流動(dòng)分析，對水道進(jìn)行冷卻性能測試。

結(jié)語

本文首先分析了快速成型以及快速制造技術(shù)，繼而介紹了快速成型技術(shù)在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。RP與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，具有制造工藝簡單、精度高、生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、進(jìn)排氣管等零部件的快速制造，對船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)有重大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]薄向東，白潔.快速制造技術(shù)在新產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2014（01）

[2]陳亙宇.快速成型技術(shù)及其在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技視界，2015（23）

[3]袁國偉.快速成型和快速模具制造技術(shù)的應(yīng)用[J].考試周刊，2013（10）