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3D打印技术应用及展望

更新时间:2021-01-15 点击数:939

王伟1,吕尧池1,许得全2,谷文坡2,翟婷婷2

1.山东积成中物新材料有限公司,山东,济南 250100;

2.积成电子股份有限公司,山东,济南 250100 )

摘要:随着3D打印技术得到越来越广泛的应用,该技术优势也受到各行各业越来越多的关注,预计该技术在内燃机的研发、制造环节发挥重要作用。本文主要介绍SLA,SLM技术的工业应用希望3D打印技术能够为内燃机研发、制造发挥重要作用

关键词:3D打印 工业应用 内燃机

 Application and Prospect of 3D Printing Technology

WANG Wei1,LV Yao-chi1,XU De-quan2,GU Wen-po2,ZHAI Ting-ting2

(1. IESCAEP Advanced Materials Co.,Ltd.,Jinan 250100,China;

2. Integrated Electronic Systems LAB Co.,Ltd,Jinan 250100,China)

Abstract:With the more and more extensive application of 3D printing technology, the advantages of this technology have attracted more and more attention from all walks of life. It is expected that this technology will play an important role in the development and manufacture of internal combustion engines. This paper mainly introduces the industrial application of SLA and SLM technology. It is hoped that 3D printing technology will play an important role in the development and manufacture of internal combustion engines.

Key Words:3D Printing;Internal Combustion Engine


3D打印技术,又称为增材制造,是快速成型技术的一种,它以数字化模型文件为依据,以熔融塑料、液态树脂、片状薄膜、粉末状金属或陶瓷为原材料,在加热、光照或烧结等条件下,材料在三维空间内,通过堆叠累积,从而实现零件的制造。内燃机的研发、制造环节,引入3D打印技术,在研发阶段能快速制造样机,提前发现设计缺陷,有利于缩短研发周期在大批量制造阶段,能够提供冷却效果优越的模具,缩短零件冷却时间,提高制造效率。本文主要介绍SLA技术和SLM技术的工业应用

1 SLA技术的特点及应用

3D打印技术当中,SLA(激光固化成型)技术在工业应用中范围最广。该技术基于将三维模型进行切片,每层厚度约0.1mm,液态的光敏树脂受紫外光照射凝固形成一层,每一层固化的截面是由零件的三维 CAD模型软件分层得到,每固化一层,网板平台带着零件下降一层,逐层累加,直至最后得到光敏树脂实物原型。

国内外的工业级SLA设备生产厂家能打印不同规格尺寸的零件,主流规格300mmX300mmX200mm(长XX高)450mmX450mmX350mm(长XX高)、600mmX600mmX400mm(长XX高)、800mmX800mmX550mm(长XX高)1600mmX800mmX600mm(长XX高)能打印的零件重量20kg150kg不等打印的零件尺寸还在向更大尺寸方向发展。所用材料主要为液态光敏树脂还有高韧性、耐高温半透明和全透明的光敏树脂材料。需要提醒的是,半透明和全透明零件打印出来之后都需要进行后期打磨,打磨不到的地方,透明度会稍微差一些。

SLA技术已经用于电器壳体装配验证、数码相机原型件验证等领域。

SLA技术具有固化速度快、成型精度高、表面效果好、易后处理等特点,已经用车载空调系统、医疗器械、电子产品、建筑模型等手板件的制作,可制作各种结构复杂的精密零件和组装件。由于SLA技术具有上述优点,该技术在内燃机的研发环节发挥重要作用。

目前,SLA技术所打印出零件的尺寸精度能达到零件尺寸的千分之一。对于研发阶段的内燃机,可以借助于SLA技术提前发现装配问题设计缺陷并进行优化设计对一些受力不大的运动部件进行模拟运动,可以验证设计的可行性。对于新研发的塑料零件,用SLA技术制作零件的手板,费用仅为机加工手板的十分之一到五分之一。下图为SLA技术打印的研发阶段的光敏树脂零件,该零件有密封槽、有卡扣,形状复杂,最薄处只有1mm对于传统车、铣机加工来说,难度相当大,而采用SLA技术,常规工艺就能打印出来,不存在任何难度。

 

2 SLM技术的特点及应用

3D打印技术当中,SLM(激光选区熔化成型)技术所制造的零件与实际零件的机械性能最接近,可以直接用于装配使用。该技术基于将三维模型进行切片,每片厚度约几十微米,然后把片状二维平面数据,使用软件进行逐层扫描填充,铺粉系统先将粉末平整地铺在基板上,振镜按设定的路径扫描,控制激光束选择性地熔化金属粉末,振镜照射到的粉末熔化并迅速冷凝成形,未经激光熔化的粉末保持原状,激光扫描区域的粉末被烧结在基板上,即形成零件切片的第一层形状,第一层加工完毕,粉料缸上升,成型缸下降,铺一层粉,并进行下一层打印,通过一层一层的堆积熔化成形将零件打印完成。

国内外各SLM设备供货商所生产的设备能打印的零件最大尺寸主要有105mmX105mmX100mm(长XX高)、250mmX250mmX300mm(长XX高)400mmX400mmX400mm(长XX)、500mmX500mmX1000mm(长XX尺寸,打印的零件一般为1:1的比例。SLM设备的打印尺寸还在向更大方向发展。能打印的材料为模具钢1.2709、不锈钢316L、钛合金TC4、高温合金IN718、铝合金AlSi10Mg等。打印的零件致密度一般在98%以上。

随着国产SLM设备的水平日益成熟,国内外的SLM设备打印的零件力学性能基本相当。

下表是常见SLM技术所用材料的零件性能。

材料

状态

抗拉强度,MPa

屈服强度Rp0.2MPa

断后伸长率,%

模具钢1.2709

热处理后

2050±100

1980±100

4±2

不锈钢316L

打印完成

635±50

520±50

40±10

钛合金TC4

热处理后

1080±50

980±50

12±3

高温合金IN718

热处理后

1430±100

1125±100

15±3

高温合金IN625

热处理后

1000±30

730±50

35±5

不锈钢17-4PH

打印完成

950±100

600±50

30±5

铝合金AlSi10Mg

打印完成

440±20

280±20

6±2

SLM技术的优点是不需要开模具即可加工复杂金属零件,可直接作为受力金属零件装配到设备中。金属关键承力零件在开模具之前,需要验证机械性能,在尚未开模具之前,可以用SLM技术打印金属零件,进行前期验证,对于提高开模具的成功率,降低模具制造费用具有重要意义。下图是国外用SLM技术打印内燃机缸体。相信在国内不久就出现类似的应用。

 

SLM技术的另一个优点是,可以将一个机械部件整合为一个零件,省去装配步骤,降低装配工作量,同时提高了设备可靠性。下图为GE公司用SLM技术打印的航空发动机燃油喷嘴,优化设计后从18个零件变为1个零件,省去了装配时间。

 

目前,SLM技术所打印出零件的尺寸精度虽然还不能与车、铣等传统加工方式相比,但是对于有随形冷却功能的模具来说,SLM技术必不可少随形冷却模具是SLM技术与传统车、铣等机加工技术结合的典型零件。近几年,随着金属3D打印设备价格的下降、金属粉末原材料价格的下降金属3D打印零件的价格也在在下降。

下图为一个随形冷却模具的内部结构示意图,水路能够沿着模具外壁附近呈螺旋轨迹流动,冷却效果及生产效率大幅度提高这种流道只能用3D打印技术来完成

 

SLM技术还可以进行拓扑优化,对于零件减重有着很重要作用。

3展望

3D打印技术作为传统加工方式的有益补充,二者结合,将在内燃机研发、量产阶段发挥重要作用。由于目前SLM技术已经在航空、航天、医疗等领域得到了广泛应用,所以我们相信,SLA技术将在内燃机新产品研发、产品升级环节发挥其优势,为缩短产品研发周期、降低研发成本发挥作用;SLM技术将在内燃机的随形冷却模具制造、复杂零件的样件测试、复杂金属零件的直接3D打印制造领域发挥重要作用。

参考文献

[1] 周伟民.闵国全.3D打印技术[M].北京,科学出版社,2016.

[2] 蒋三生.基于SLA成型的光敏树脂3D打印工艺及性能.工程塑料应用[J].2019,47(1):76~81.



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