3D打印技术在产品快速开发中的应用.pdf

第58 卷第5期Vol.58 No.5中国铸造装备与技术CHINAFOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2023年9 月Sep.20233D打印技术在产品快速开发中的应用崔迁义，卢彬彬，刘翠,王洪君（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊2 6 10 6 1）摘要：随着发动机排放要求的提高，对其零部件的要求也越来越高，迫使发动机制造商必须对现有平台发动机进行更新换代，这就要求新产品开发周期不断缩短。介绍了砂芯打印、尼龙打印等3D打印技术在产品快速开发过程中的成功应用。关键词：3D打印；产品开发；快速制造中图分类号：TG24;TP391.73D0I:10.3969/j.issn.1006-9658.2023.05.0110引言随着发动机排放要求的提高，对其功能、耐久方面的要求也越来越高，迫使发动机制造商必须对现有平台发动机进行更新换代，这就要求新产品开发周期不断缩短，新产品样件需求与样件制造的匹配度高，样件制造模式顺应产品高速发展的进程而不断改变。本文主要介绍了3D打印技术在产品快速开发中的应用，采用不同的快速成型工艺组合，能够快速制造样件毛坏，降低样件制造成本、缩短新产品的开发周期。13D打印技术在产品快速开发中的应用新产品开发所需的铸造样件需求数量少，传统制造方法制造周期长，制造成本高，样件产品制造与批量产品制造在制造资源上易发生冲突。3D打印砂芯、尼龙块等快速成型工艺克服了传统样件制造方法的缺点，并已有成功的应用。目前，快速成型工艺已经广泛应用在我司发动机零部件开发过程中，主要进行全新产品铸件收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 1；修订日期：2 0 2 3-0 4-13作者简介：崔迁义（19 8 6 一），女，工程师，主要从事发动机气缸盖铸件开发工作。E-mail:文献标识码：B文章编号：10 0 6-9 6 58(2 0 2 3)0 5-0 0 54-0 4并有效节约模具费用。-54-快速成型、改进产品局部砂芯打印快速成型以及工艺装备快速修改铸件快速成型1.1全新产品铸件快速成型目前，铸造行业个性化产品需求以及成熟产品更新换代加快，全新产品的快速开发制造模式也在逐步建立，全新铸件快速制造主要基于如下几个方面开展：（1）铸造三维工艺设计：针对需要开发的新产品，进行铸造快速成型三维工艺设计，快速成型工艺设计比较灵活，传统工艺中分开的几颗砂芯可以设计为一体砂芯,直接打印成型，可以减少砂芯数量及多次组芯带来的铸造偏差。(2）CA E 仿真分析：在产品结构协同设计、工艺系统开发和铸造缺陷分析各阶段，充分应用CAE手段，进行模拟浇注，提前发现铸造问题，制定解决方案，可有效优化产品结构，并节约开发成本及周期。（3）快速成型制造：集成以3D打印技术为核心的增材制造、减材制造技术实现砂型芯的数字化无模快速制造，突破基于模具的等材制造的传统铸造模式，实现新产品样件及个性化需求铸件的无模制造，同时具备变型产品局部砂芯打印快速制造、模具快速修改等能力，大大缩短开发周期崔迁义，等：3D打印技术在产品快速开发中的应用第5期图13D打印上、下型砂块三维模型以新开发的某飞轮壳铸件为例：铸件重量42 kg，最大轮廓尺寸6 54mm604mm88mm，应用快速制造技术一次制造成功，砂型芯快速成型制造成本约2 万元，开发时间2 0 天，而传统铸造成本约为2 0 万、开发时间为9 0 天。图1为3D打印上、下型砂块三维模型，图2 为铸造工艺CAE模拟，图3为3D打印上、下型砂块，图4为快速成型的飞轮壳铸件。图2 铸造工艺CAE模拟目前，全新铸件快速成型在机体、缸盖、齿轮室、油底壳、前后端盖、壳体类铸件等均有成功应用，很大程度的缩短了开发周期，降低开发成本。以发动机机体为例，砂型芯快速成型制造成本约9万元，开发时间2 5天，而传统铸造成本约为16 0万、开发时间为12 0 天。此技术的应用将产品从概念快速转化为实物，是对传统铸造工艺开发的一次突破。1.2改进产品局部砂芯打印快速成型目前，在成熟产品的基础上进行升级改进的变型产品日益增多，结合快速成型的方法，仅对变Air PressurembarEmpty125412371220120211851168115111341116109910821065104810301013型产品局部进行3D打印砂芯，其余借用成熟产品砂芯，如图2 所示。图5为3D打印气道三维模型设计，图6 为3D打印气道芯及其组芯。此快速成型方式仅限局部砂芯3D打印，铸造工艺较成熟，成功率高，可以快速实现试验用缸盖毛坏样件生产，多应用于气缸盖气道性能开发样件、成熟产品局部结构修改试验样件。1.3工艺装备快速修改铸件快速成型产品开发过程中由于设计结构变更、结构改进新产品试验或铸造工艺优化需求等因素会导致铸造工艺装备的修改。传统的铸造模具修改通常采用电弧焊接或者加工金属镶块的方式。这两种修改方式需要焊接、多次数控编程加工、热处理、2021:6122H0.213图33D打印上、下型砂块-55-第58 卷装配等工序。设备占用率高、工序繁、耗时长、成本高、模具反复修改性差，模具离线修改期间不可避免的影响正常生产。利用3D打印技术,打印模具修改所需的随型镶块进行快速模具修改，在保证模具修改精度及强度的同时，可以不拆卸模具进行在线修改、修改效率高，可大幅降低新产品开发、产品结构优化、中国铸造装备与技术不同工艺验证过程铸造模具修改费用。以某产品增加导向柱结构为例,需要修改外模模具,图7 为模具三维修改前后对比，图8 为3D打印尼龙块及在模具上的应用，图9 为3D打印尼龙块快速成型铸件。2结束语图4快速成型铸件在新产品开发过程中，根据发动机铸件的结构特点，确定恰当的快速制造技术路线，合理配置3D打印设备资源，设计合理的快速成型工艺，与传统制造模式相比将大幅降低车用发动机铸造样件的开发周期及制造成本。采用这种模式，在为批量制造积累生产经验的同时，还可以避免新产品样件制造与订单批量制造争夺生产资源。586图53D打印气道三维模型设计图6 3D打印气道芯及其组芯-56崔迁义，等：3D打印技术在产品快速开发中的应用第5期图7 模具三维修改前后对比HHHHH图8 3D打印尼龙块及在模具上的应用参考文献：】王文清，李魁盛铸造工艺学 M北京：机械工业出版社，2002.2】中国机械工程学会铸造分会.铸造手册5:铸造工艺 M。北京：机械工业出版社，2 0 0 3.图9 3D打印尼龙块快速成型铸件Application of 3D printing technology in rapid product developmentCUI Qianyi,LU Binbin,LIU Cui,WANG Hongjun(Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261061,Shandong China)Abstract:With the increasing emission requirements for engines,the requirements for their componentsare also increasing,forcing engine manufacturers to update and upgrade the existing platform engines,thus in this way,the development cycle of new products has been required to continuously shortened.The successful application of 3D printing technologies such as sand core printing and nylon printing inthe rapid product development process has been introduced.Key Words:3D printing;Product development;Rapid manufacturing57