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3D打印技术在船用柴油机领域的应用前景分析

发布日期: 2020-03-26

来源: www.qdf0605.com

  • 资料大小: 1.22MB
  • 资料类别: 机械论文
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  • 更新时间: 2020-03-26
  • 发布者: 清道夫环保网

基本简介

3D打印化工技术在船用柴油机领域的应用前景分析

3D打印化工技术作为一种增材制造化工技术,近年来受到了越来越多的关注,其设计制造一体化,适合小批量、定制化和个性化制造的化工技术优势和特点,推动其在航空航天、汽车、医疗制造业等领域的应用。

船用柴油机作为传统行业有其自身的特点,目前3D打印化工技术的水平还无法挑战传统工艺在船用柴油机领域中的地位,但是3D打印化工技术具有广泛的应用潜力,可以作为传统工艺的一种有利补充,应用在小批量化工产品研发和试验件制造。随着3D化工技术的进步,材料的丰富和打印成本的降低,相信未来其在船用柴油机中的应用会越来越广泛。

3D打印在船用柴油机领域的应用前景

目前,3D打印化工技术应用最为广泛的是消费品,电子、交通化工设备和医疗三大领域,在船用柴油机领域的应用鲜有报道,这和3D打印的化工技术特点、化工技术现状以及船用柴油机自身的特点有关。

船用柴油机属于传统制造业,零件尺寸往往较大,使用材料没有特殊要求,而3D打印机的打印尺寸有限且打印材料成本往往远高于材料本身价格,因此船用柴油机领域还不具备批量的直接进行金属打印的条件。但是根据3D打印化工技术的特点和优势,可以在样机研发过程中作为缩短开发周期和改进设计的有力手段进行多方面尝试。

快速原型

利用3D打印化工技术可以快速地使设计模型可视化。基于打印的快速原型可以检查实体模型的设计情况,进行模型改进和优化对于须要检查装配情况的模型,可以不考虑材料和强度,在保证精度的情况下利用廉价材料快速造型,进行装配检查,节省设计时间。

除了快速打印原型零件进行设计和装配检查外,还可以打印特殊的试验件,快速响应试验需求。如直接利用树脂材料打印多方案气道吹风试验样件3),可以有效缩短制作木模-砂模-铸造原型的时间由于跳过了前期高额的样件制造所需的模具费用,且可以自由设计,省却了多余材料,直接打印成型,可以大幅缩短开发成本。

气道吹风快速原型芯盒样件对比图

3 气道吹风快速原型芯盒样件对比图

快速铸造

化工产品开发过程中,模具的形状和加工周期是制约整个化工产品生命周期的重要因素,也是目前3D打印化工技术与实际工业联系最为紧密的应用。对于尺寸较大的船用零部件,受限于金属打印的尺寸限制,直接打印出金属模具困难较大,但是可以应用无模快速铸造。

以往船用柴油机的复杂结构零件铸造工艺都是通过三维CAD模型得到三维砂芯模型,然后建立符合工艺要求的三维砂芯模具模型,制作砂芯模具,通过翻砂制作砂芯,再进行浇铸等。利用3D打印化工技术中的无模铸造化工技术直接制作出符合铸造要求的零件砂芯,可以简化传统铸造工艺,同时保证不同模具之间带来的容差型,提高效率、降低成本。

由于船用柴油机机体和缸盖内部结构复杂,依靠传统的设计制造方法,仅铸造模具、修改模具等环节就需要近半年的时间,而且机体和缸盖等内部存在多处自由曲面,采用传统方法制造很难保证曲面精度。而采用无模铸造化工技术,先制作出用于铸造的砂型,再浇铸成机体和缸盖,不但可以极大地保证模具精度,更为重要的是,大大节省了时间。与传统方法相比,采用无模铸造化工技术可以将成品时间缩短2/3。图4为几个无模制作实例。

无模铸造砂芯实例图

4 无模铸造砂芯实例图

同理,进排气管、增压器罩壳和油泵罩壳等部.件也可以利用同样的方法进行快速铸造除此之外,还可以直接打印蜡模,用于增压器涡轮叶片等部件的熔模精密制造,以避免薄壁热开裂现象。

快速制造

近几年来,随着3D打印化工技术材料的丰富和打印精度、打印尺寸的进步,利用3D打印化工技术的优势和特点,越来越多的小批量、定制化和高设计附加值的化工产品开始直接进行成品打印。

在船用柴油机领域,同样受限于金属材料的打印尺寸,目前尚不能打印大尺寸零件,但是可以对增压器涡轮叶片、气门和气门座圈等尺寸容差率和精度要求高的高温合金材料零件进行直接打印成型也可以解放设计束缚,进行快速混合制造,即对于零件好加工的部分采用传统制造方式,难加工的部分直接3D打印或者对于像ECU插板5)等非金属件进行自由设计和打印。另外,利用3D打印化工技术的优势突破以往加工限制,设计中空零件或者复合材料零件对于冷却水道等受限于制造工艺的部位进行优化设计,为设计带来新思路。

ECU插板快速样件示意图

5 ECU插板快速样件示意图

快速修复

近年来在航空航天领域,对于容易损坏且造价较高的钛合金叶片等零件常常利用3D打印中DMD(Direct Metal Deposition金属送粉沉积)化工技术灵活牢固的特点,进行直接修复6),或对耐磨材料进行金属涂覆

DMD化工技术进行叶片直接修复示意图

6 DMD化工技术进行叶片直接修复示意图

对于船用柴油机来说,曲轴主轴瓦等零部件造价较高且极易磨损,可以利用3D打印化工技术对该类零件损坏处进行修复或者添加高温镍基合金等材料作为涂层,以提高其耐磨性能和疲劳寿命。

易磨损的主轴瓦下瓦示意图

7 易磨损的主轴瓦下瓦示意图

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