船舶发动机的快速成型与快速制造技术
2015-2-16 来源：数控机床市场网 作者：广东交通职业技术学院钟更进
摘 要： 介绍了快速成型技术的发展现状及其在船舶发动机制造中的应用，以 SLS 技术为例，系统的阐述了应用快速成型技术制造船舶发动机零件的全过程，说明了该技术适合单件和小批量试制和生产的特点，可迅速响应市场和提供小批量产品进行检测和试验，有助于保证产品开发速度，提高产品的开发质量，降低开发成本，提高产品更新换代的频次。
关键词：船舶；发动机；快速制造
快速成型( Rapi d Prot ot ypi ng, 简称 RP) 技术是 20 世纪 80 年代后期发展起来的,是由 CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。1986 年美国 3D Syst em s 公司率先推出了称为St ereol i t hography Apparat us （简称 SLA）的激光快速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且 RP 得到了异乎寻常的迅猛发展。
目前美国在 RP 领域处于主导地位，德国、以色列、日本也处于国际领先水平。在 RP 领域国内有清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科技大学，北京隆源公司等。
随着小型船舶产品更新换代节奏的加快，对小型船舶发动机新品的研发速度要求越来越高。市场竞争的愈演愈烈也急迫地要求开发商和制造商对其成本和质量进行有效地管控，这就把许多面临地问题归结到制造技术和先进的工艺上来。发动机本身的结构十分复杂，包括大量复杂的铸件、锻压件等等，在发动机的开发过程中各种零件模具的制造都是生产周期最长，花费最多的环节之一。如果一旦发生设计更改必须进行修模甚至重新制作模具，这使得一款新发动机的推出往往周期很长。
采用快速成型方法生产发动机样机省略了制作模具的工序，使发动机的研制周期大大缩短，一套发动机的主要部件，包括缸体、缸头、进排气管等在几周内就可制造完成，用于后期的试验研究，如果设计需要更改，只需更改 CAD 数据，在很短的时间内就可制作出修改后样机，进行进一步的试验评定。
1 快速成型技术
RP 技术基本原理：离散—堆积（叠加 ） 。
快速成型的基本原理是离散叠加制造，一个零件不管其外形和内腔是多么复杂，都可以用一组平行平面去截该零件，得到一系列足够薄的切片，这些薄切片可以近似的看作二维零件模型，用不同的使能技术将这些薄切片逐层制作，同时使这些薄片按照一定的规则堆积起来就可以得到一个完整的零件。目前成熟的快速成型技术有很多，这里仅介绍最适于发动机部件制作的选区激光烧结（简称 SLS ）方法。
选区激光烧结( Sel ect i ve LaserSi nt eri ng，SLS)是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件。
选区激光烧结的原理如图 1 所示。加工开始时先将一层很薄( 100 μm ~ 250 μm )的热塑性粉末均匀地铺在工作平台上，辅助加热装置将其加热到熔点以下的温度，在均匀的粉末表面，计算机控制激光按照零件当前层的信息扫描，激光扫描到的地方粉末烧结形成固体，激光未扫描到的地方仍是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成型完成后去除。上一层制作完毕后成型活塞下降一层，供粉活塞上升，用铺粉滚筒将粉体从供粉活塞移到成型活塞，将粉体铺平后即可扫描下一层。不断重复这个辅粉和选区烧结过程直到最后一层，一个三维实体就制作出来了。
选区激光烧结的最大特点：一是成型过程与复杂程度无关，因此特别适合于内部结构极其复杂的发动机缸体、缸盖、进排气管等部件；另一个重要的特点是成型材料广泛，特别是可以用铸造的树脂砂和可消失熔模材料成型，因此，可以通过与铸造技术结合，快速铸造出发动机的部件。
2 快速铸造技术
快速铸造 （Qui ck Cast i ng 或 Rapi d Cast i ng ）技术是将快速成型与传统铸造技术有效结合快速制造复杂金属零件的技术。发动机的缸体、缸头一般都是铸造产品，利用快速铸造技术可以在很短时间内得到与最终产品材料一致、性能接近的发动机产品供测试与检验。
快速铸造的工艺流程如图 2 所示，利用选区激光烧结实现快速铸造的途径有二条：一种是通过激光直接烧结铸造用热固化树脂砂，再通过砂型铸造得到铸件；另一种方法是用激光直接烧结可消失的树脂粉末或蜡粉，再通过精密铸造工艺得到铸件。这两种方法的共同特点都是省略了模具制造。因此，如果用于单件或小批量的生产，生产周期大大缩短了。用快速成型的方法制作砂型，首先要根据零件的三维 CAD 毛坯模型设计出组合砂型模型。为了与后续的批量生产工艺靠近，砂型模型应尽量与通过模具制作的砂型模型保持一致，将砂型模型的各部分经过软件的分层处理转换为快速成型设备的加工文件，就可以进行激光烧结成型了。
图 3 是激光烧结成型的一个复杂砂型。成型用的树脂砂与通常使用的热固化树脂砂极为相似，只不过对砂的粒径分布和形态，树脂成分及表面处理等方面有更严格的指标。成型时的层厚一般为 0. 2 m m ，精度可控制在0. 25 m m 以内。由于激光扫描的速度很快，树脂在成型时不能达到完全固化。成型后将未烧结的浮砂清除后，砂型一般要放到加热箱中进行二次固化。经二次固化后的砂型可达到与射芯机制得的砂型相同的性能。由于发动机的部件大多采用砂型铸造，因此快速砂型铸造已成为发动机样机试制的最常用和最有效的方法。
采用熔模快速铸造的方法是用 50 ~ 80 μm 的可消失树脂粉末或蜡粉为原料，将零件的三维 CAD毛坯模型直接进行分层处理后，用激光将粉末直接逐层烧结成与零件毛坯一致的精密熔模，再将熔模直接通过石膏型或陶瓷型壳铸造得到所需要的铸件。采用快速精密铸造制作的零件表面质量好，精度高，不需要设计砂型模型等步骤，工艺过程相对简单。同时由于零件毛坯的体积往往小于砂型的体积，因此用 SLS 直接成型熔模较之成型砂型速度更快，成本相对更低。但是熔模铸造一般比较适合于薄壁零件，对于厚壁零件往往因冷却速度慢导致出现缩松等铸造缺陷，因此这种方法在发动机部件的制作中一般用于进排气管等相对壁厚较薄的零件，图 4 是用可消失树脂粉直接烧结成型的发动机进气管的铸造熔模。
3 应用实例
铝合金进气管零件的快速制造。从收到零件的三维 CAD 数据到毛坯完成仅 10 天时间，其中零件熔模的快速成型 1 天，熔模铸造 7 天，其他后处理及检验 2 天。进气道是发动机极其重要的组成部分，由复杂的自由曲面构成，其对提高进气效率，改善燃烧过程有十分重要的影响。在发动机的设计过程中，需要对不同的进气道方案进行气道试验。传统的方法是加工出十几个或几十个截面的气道木模或石膏模，再翻制成砂模铸造出气道。对气道进行试验找出不足后，还要重新修改模型。如此反复，费时费力，而且精度难以保证。采用快速成型方法，可一次性地提供一组不同曲面的 CAD 数据，通过快速铸造，同时得到一组进气管零件。经过测试，得到一组不同气道结构的全面的数据，从而筛选出最佳的气道方案，加快了研制速度，如图 5 所示。
相对于小型船舶进气管，发动机的缸体和缸盖结构更为复杂，但是快速成型的最大优点就是与复杂程度无关，越复杂的零件越适合快速成型制作。由于缸体、缸盖的内部结构复杂且壁厚相对较厚，制作这些零件的最佳方法是快速砂型铸造。图 6 是用快速砂型铸造获得的一组缸体和缸盖的铝铸件。此类零件的制作周期平均约 2 ~ 3 周。由于铸造工艺与最终生产工艺极其相近，零件的尺寸精度和机械性能与最终产品零件具有很强的可比性。因此，快速砂型铸造的缸体缸盖可直接用于发动机的各种评价试验，如对气道进行流动分析，对水道进行冷却性能测试。
4 结束语
快速成型与铸造技术结合，衍生出快速铸造技术，其工艺特征是简捷、准确、可靠和具有延展性，可有效地应用于发动机设计开发阶段中样机的快速制造。其适合单件和小批量试制和生产的特点，可迅速响应市场和提供小批量产品进行检测和试验，有助于保证产品开发速度。其成型工艺过程的可控性，可在设计开发阶段低成本地即时修改，以便检验设计或提供装配模型，其有助于提高产品的开发品质，其快速成型原材料的多元性，为产品开发阶段提供了不同地工艺组合，由于 SLS 原材料的国产化和成型工艺可与传统工艺有机结合，有助于降低开发成本，其组合工艺的快捷性，支持产品更新换代频次的提高，有助于推动产品早日进入市场。
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