浅析3D打印技术在大型铸锻件领域应用(2)
1.5 金属材料3D打印技术的研究重点
根据目前金属3D打印技术的发展情况，以上研究方向在技术上都有很大的可行性，而且许多技术已在小型零件上得到应用。为了使金属3D打印技术在大型铸锻件领域早日得到应用，当前应在以下几个方面进行重点研究：
(1)材料方面。相对于钛合金及高温合金，大型铸锻件使用的铁基合金较为简单，关键是材料成本的控制。
(2)设备方面。目前3D打印设备的工作台面尺寸及承重有限，无法满足大型铸锻件局部加工要求，未来需要开发更加灵活便捷的加工设备。
(3)系统方面。3D打印制造及修复需要三维反求、建模、二维路径转化等操作，而大型铸锻件多为单件小批量生产，缺陷出现随机性大，因此未来需要对相应软件及操作进行集成，从而提高生产效率。
(4)工艺方面。不断优化金属3D打印工艺参数，使其更好适应大型铸锻件的特殊要求，预防开裂、变形以及脱落等缺陷的产生。
(5)性能方面。为了使3D打印技术在核电、火电以及大型压力容器等大型零件上得到持久应用，类似持久蠕变、低周疲劳等材料基础实验数据需要长期积累。
(6)标准问题。不同于小型零件，安全生产是大型铸锻件修复及制造的重点，而各种生产和质量标准的缺失是3D打印技术在该领域发展的重要瓶颈，标准的制定也需要较长的时间。
2.非金属材料3D打印技术
以蜡模快速成形和砂型快速成形为主的3D打印技术在小型精密铸件以及铸件快速成形领域已得到广泛的应用，并且有向大型化发展的趋势，目前已经可以制作2m以上的模型。重量在(20～500)t之间的汽轮机缸体、水电机组的叶片以及冶金设备机架等大型铸件一般采用木模+砂型铸造生产，目前还未使用3D打印技术进行生产制造。
2.1 大型铸件模型3D打印
非金属材料3D打印技术可以实现复杂模型的快速建立，对于生产批量大、形状复杂、表面要求高的大型铸件，可以整体或局部替代木模，从而有效缩短大型铸件生产周期，提高铸件生产质量。针对3D打印技术在大型模型建立过程中出现的成形速度慢、变形严重以及成本较高等问题，目前的解决方法有几种：
(1)增大3D打印线材直径以提高加工速度;
(2)采用多喷头设计以提高加工速度;
(3)多个小设备并行工作，拼粘成大型模型以提高加工速度;
(4)在3D打印设备上增加热保温装置，减少零件变形翘曲;
(5)优化3D打印参数，从而减少模型变形及开裂等问题;
(6)优化3D打印材料，在保证模型质量的同时降低材料成本及使用量;
(7)采用木模基体拼粘3D打印局部方案，降低生产成本，缩短制造周期。
2.2 大型铸件砂型3D打印
砂型材料3D打印技术的原理是通过低功率激光器对树脂砂进行逐层烧结最终形成复杂砂型，目前主要用于中小型复杂铸件的快速制造。采用3D打印技术生产大型铸件砂型有以下优点：
(1)大型铸件目前使用的反箱制模型方法对拔模角度有很高要求，而3D打印砂型对拔模角度无要求，甚至可以实现负拔模角度;
(2)3D打印砂型无需制模、反模等过程，就可以制作非常复杂的铸件，摆脱了工艺方法对铸件形状的约束;
(3)3D打印砂型使单件小批量生产的大型铸件的生产周期缩短，成本降低。
3.3D打印砂型在大型铸件中使用的主要难点有：
(1)性能问题。大型铸件几何尺寸很大，3D打印砂型的强度需要提高。3D打印的砂型致密性较高，发气量较大，在大型铸件生产过程中可能出现很多缺陷，因此，需要通过实验方式分析具体工艺措施或原材料配比来解决缺陷。
(2)速度问题。目前的3D打印速度较慢，提高加工速度的方法基本与模型3D打印一致。
(3)设备问题。大型砂型强度较低，应尽量减少运输过程，其生产设备最好设置在铸造车间内。目前，还不能使用3D打印技术直接生产大型铸件的整体砂型，但是可以将3D打印砂型作为大型铸件砂型的镶件或砂芯，用于成形铸件局部复杂区域。
未来，最经济有效的大型铸件生产方式将会是非金属材料3D打印技术、铸件传统生产工艺以及数值模拟技术三者的结合，具体的工艺步骤是：
(1)生产单位收到零件图纸及模型，开始铸件及浇铸系统初步设计;
(2)综合考虑铸件变形、开裂等因素，采用有限元软件对铸件结构和浇铸系统设计进行优化;
(3)将优化后的模型进行分解，模型基体部分采用传统木模成形，复杂几何尺寸部分采用模型3D打印成形，二者通过粘接形成铸件最终模型;
(4)将铸件中形状复杂、负拔模角度部分采用砂型3D打印成形;
(5)将3D打印砂型镶嵌在大型铸件砂型中，结合模型生成最终的大型铸件砂型。
由于采用3D打印技术生产的模型及砂型是由数模直接转化成实体模型，无需人工操作，因此可以提高模型表面质量，缩短铸件生产周期，摆脱传统工艺方法对铸件结构的限制，从而提高铸件的材料利用率、减少铸件缺陷、降低铸件成本。
3D打印技术作为一种通用的零件加工手段，极大的摆脱了传统工艺方法对产品设计、生产周期、生产成本等生产要素的束缚，为传统制造业的转型升级开辟了一种新的思路。3D打印技术在大型铸锻件生产领域有很大的发展空间，金属3D打印技术在大型铸锻件的制造及修复领域发挥了重要作用，非金属3D打印技术改进了大型铸件生产工艺，实现了降本增效、缩短生产周期、提高铸件质量。从目前3D打印技术的发展情况来看，3D打印技术在大型铸锻件领域的应用还需要经历一个由小型到大型，由非关键部位到关键部位，由普通零件到重要零件的发展过程。
目前，我国大型铸锻件行业处于产能严重过剩、低端产品恶性竞争，高端产品受制于人的不利局面。采用传统的方法对大型铸锻件生产工艺进行改进已不能有效降低生产成本、提高零件质量、缩短生产周期、拓展市场空间。因此必须引进新的技术和方法才能大幅提高我国大型铸锻件行业的竞争力。3D打印技术又称增材制造技术，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，是新一轮科技革命和产业变革的重大机遇。
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