3D打印和砂型鑄造如何影響現(xiàn)代零部件生產(chǎn)

英國鑄造廠Boro Foundry Ltd.使用3D打印的砂模來生產(chǎn)備件。對于一個歷史悠久的蒸汽機車，Boro根據(jù)20世紀(jì)50年代的原始工程圖紙制造了一個新的過熱器頭。通過使用3D砂型打印，鑄造廠能夠比傳統(tǒng)制造節(jié)省2/3的成本，并將模具包的組裝時間從超過14小時減少到僅3.5小時。像這樣的項目令人印象深刻地展示了增材制造為備件生產(chǎn)提供的優(yōu)勢–在經(jīng)濟上和建設(shè)性方面。

蒸汽機是工業(yè)化的第一個重要里程碑。然而，在這方面，蒸汽機車至少具有同樣的象征意義。第一次有可能在不使用馬匹的情況下長距離運輸人員和貨物。今天，這些曾經(jīng)的工業(yè)化推動者中的許多人仍在英國工作，不時出現(xiàn)在國家的主干線上，也經(jīng)常在私人遺產(chǎn)鐵路上使用。

過時的、昂貴的和低效的

位于英國的Tyseley機車廠是一家專門修復(fù)和維護歷史蒸汽機車的中心。2022年初，華威大學(xué)的WMG小組建議Tyseley機車廠考慮使用印刷模具，因此委托Boro鑄造廠為他們的一臺蒸汽機車制造一個新的過熱器頭。Sam Edwards是Boro鑄造廠的銷售和業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)，并在鑄造廠方面領(lǐng)導(dǎo)該項目。

過熱器在蒸汽機車的運行中起著關(guān)鍵作用。它們用于加熱從鍋爐輸送到汽缸的蒸汽，使其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸汽的飽和溫度。

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

在這種情況下，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽溫度為202°C，而過熱器可以將溫度提高到340°C，從而增加了蒸汽中的能量（熱焓），可以有效的提高發(fā)動機氣缸內(nèi)的功。此外，過熱可以最大限度地減少蒸汽在汽缸中膨脹時發(fā)生的冷凝現(xiàn)象，從而減少因冷凝水過多而造成的損失。

"精度和質(zhì)量顯然是這個項目的重點；畢竟，舊的部件完美地工作了幾十年，直到它不再適合使用。" Edwards說。"然而，盡管過熱器在機車行業(yè)已經(jīng)使用了幾十年，但原來的制造工藝已經(jīng)過時，成本高，效率低"。

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

3D打印確定了方向

這是因為原件上有許多孔（共56個），蒸汽在運行過程中要通過這些孔。這些孔使鑄造過程大大復(fù)雜化。最大的挑戰(zhàn)是芯子，它被插入模具中，將空腔或孔洞整合到鑄件中。最初，芯子是由夾子、螺栓和使用芯子塞來支撐的，以便在鑄造過程中保持其靜態(tài)位置。然而，在鑄造過程中，芯子移動的風(fēng)險和可能性是很大的。不均勻的厚壁和薄壁部分以及額外的下游加工將是結(jié)果。對原始部件的檢查得出結(jié)論，這可能是局部變薄的原因，導(dǎo)致原始集管被停止使用。

"傳統(tǒng)制造的模具包的報價，包括圖案制作，將收取高達(dá)34,000英鎊。除此之外，我們估計組裝模具需要大約14個小時，"Edwards說。"所有這些，再加上零件最終會有缺陷的風(fēng)險，或者在最壞的情況下，完全無法使用，促使我們尋找替代的制造解決方案。我們在voxeljet的3D沙盤打印中找到了它"。Ed-wards解釋說。

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

面向未來，具有成本效益和創(chuàng)新性

原來的設(shè)計圖紙已經(jīng)沒有了，所以不得不由Tyseley的工程師Bob Manley重新繪制。然后由斯塔福德路設(shè)計公司的Elliot Powick將該圖紙轉(zhuǎn)換成3D模型，并對3D打印進(jìn)行了優(yōu)化。Boro鑄造廠與工程公司Cerve Ltd.一起開發(fā)了一套模具，其中只包括三個模具部件和一個模芯。這些模具是在慕尼黑附近的voxeljet按需打印中心生產(chǎn)的。

為此而采用的技術(shù)是粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)。與大多數(shù)增材制造工藝一樣，Binder Jetting也是基于數(shù)字CAD文件。這些文件被打印軟件切割成薄如蟬翼的層，每層代表物體的一個橫截面。然后打印過程開始。重涂機在一個建筑平臺上涂抹一層微米級的待打印粉末材料，在這種情況下是硅砂（平均粒徑：140微米）。然后，打印頭在構(gòu)建區(qū)域上移動，有選擇地將粘合劑涂在代表待打印物體橫截面的區(qū)域上。現(xiàn)在，構(gòu)建平臺下降了整整一層厚度，再涂抹器又涂抹了一層新的沙子，打印頭又選擇性地將其粘合。這些過程步驟不斷重復(fù)，直到物體被完全打印出來，可以從盒子里拆開。

"愛德華茲總結(jié)說："一個具有真正附加值的特別令人高興的結(jié)果是，所有的56號井都是自由的，消除了后續(xù)鉆孔的需要，最終再次節(jié)省了時間和金錢。"創(chuàng)新是這里成功的關(guān)鍵。三維建模、鑄造模擬和三維沙盤打印的使用大大改善了整體質(zhì)量、時間和成本。通過應(yīng)用這些新技術(shù)，我們?nèi)〉昧藟旱剐缘某晒?。?dāng)涉及到制造像這個過熱器集管這樣的項目時，這為更好的未來鋪平了道路，并提供了進(jìn)展到更大和更復(fù)雜的此類應(yīng)用的鑄件的前景。"

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

由于采用了3D砂打印技術(shù)，Boro能夠?qū)⒛＞叩慕M裝時間減少到3.5小時，總成本僅有傳統(tǒng)模具和圖案制作報價的三分之一多。

與原始零件不同，Boro還決定打印包括零件底部的56個孔的模具。雖然3D打印的模具也有因鑄造壓力而導(dǎo)致芯子斷裂和浮起的風(fēng)險，但Boro通過將螺栓連接的凹槽直接整合到CAD文件和打印的模具中，從而能夠使用螺栓將芯子和模具固定在一起。

在實際澆注之前，Boro模擬了澆注過程，以設(shè)計一個閘門系統(tǒng)，減少澆注壓力和相關(guān)的巖心侵蝕或移動的風(fēng)險。此外，模擬有助于預(yù)測鑄造過程中的氣體涌動，并減少氣體夾帶的風(fēng)險。Boro隨后在大約1330℃的溫度下鑄造了大約550公斤的鐵水。Tyseley機車廠的新過熱器尺寸為1300mm x 600mm x 400mm，重量為406公斤。