王偉¹，呂堯池¹，許得全²，谷文坡²，翟婷婷²

（1.山東積成中物智能裝備有限公司，山東，濟(jì)南 250100；

2.積成電子股份有限公司，山東，濟(jì)南 250100 ）

摘要：隨著3D打印技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也受到各行各業(yè)越來(lái)越多的關(guān)注，預(yù)計(jì)該技術(shù)將在內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)、制造環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。本文主要介紹SLA，SLM技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，希望3D打印技術(shù)能夠?yàn)閮?nèi)燃機(jī)研發(fā)、制造發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：3D打印 工業(yè)應(yīng)用 內(nèi)燃機(jī)

 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

引 言

3D打印技術(shù)，又稱(chēng)為增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，它以數(shù)字化模型文件為依據(jù)，以熔融塑料、液態(tài)樹(shù)脂、片狀薄膜、粉末狀金屬或陶瓷為原材料，在加熱、光照或燒結(jié)等條件下，材料在三維空間內(nèi)，通過(guò)堆疊累積，從而實(shí)現(xiàn)零件的制造。內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)、制造環(huán)節(jié)，引入3D打印技術(shù)，在研發(fā)階段能快速制造樣機(jī)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，有利于縮短研發(fā)周期；在大批量制造階段，能夠提供冷卻效果優(yōu)越的模具，縮短零件冷卻時(shí)間，提高制造效率。本文主要介紹SLA技術(shù)和SLM技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

1 SLA技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

3D打印技術(shù)當(dāng)中，SLA（激光固化成型）技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中范圍最廣。該技術(shù)基于將三維模型進(jìn)行切片，每層厚度約0.1mm，液態(tài)的光敏樹(shù)脂受紫外光照射凝固形成一層，每一層固化的截面是由零件的三維 CAD模型軟件分層得到，每固化一層，網(wǎng)板平臺(tái)帶著零件下降一層，逐層累加，直至最后得到光敏樹(shù)脂實(shí)物原型。

國(guó)內(nèi)外的工業(yè)級(jí)SLA設(shè)備生產(chǎn)廠家能打印不同規(guī)格尺寸的零件，主流規(guī)格有300mmX300mmX200mm（長(zhǎng)X寬X高）、450mmX450mmX350mm（長(zhǎng)X寬X高）、600mmX600mmX400mm（長(zhǎng)X寬X高）、800mmX800mmX550mm（長(zhǎng)X寬X高）、1600mmX800mmX600mm（長(zhǎng)X寬X高），能打印的零件重量從20kg到150kg不等，打印的零件尺寸還在向更大尺寸方向發(fā)展。所用材料主要為液態(tài)光敏樹(shù)脂，還有高韌性、耐高溫、半透明和全透明的光敏樹(shù)脂材料。需要提醒的是，半透明和全透明零件打印出來(lái)之后都需要進(jìn)行后期打磨，打磨不到的地方，透明度會(huì)稍微差一些。

SLA技術(shù)已經(jīng)用于電器殼體裝配驗(yàn)證、數(shù)碼相機(jī)原型件驗(yàn)證等領(lǐng)域。

SLA技術(shù)具有固化速度快、成型精度高、表面效果好、易后處理等特點(diǎn)，已經(jīng)用車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)、醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品、建筑模型等手板件的制作，可制作各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密零件和組裝件。由于SLA技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)環(huán)節(jié)將發(fā)揮重要作用。

目前，SLA技術(shù)所打印出零件的尺寸精度能達(dá)到零件尺寸的千分之一。對(duì)于研發(fā)階段的內(nèi)燃機(jī)，可以借助于SLA技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)裝配問(wèn)題及設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)一些受力不大的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。對(duì)于新研發(fā)的塑料零件，用SLA技術(shù)制作零件的手板，費(fèi)用僅為機(jī)加工手板的十分之一到五分之一。下圖為SLA技術(shù)打印的研發(fā)階段的光敏樹(shù)脂零件，該零件有密封槽、有卡扣，形狀復(fù)雜，最薄處只有1mm，對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)、銑機(jī)加工來(lái)說(shuō)，難度相當(dāng)大，而采用SLA技術(shù)，常規(guī)工藝就能打印出來(lái)，不存在任何難度。

2 SLM技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

3D打印技術(shù)當(dāng)中，SLM（激光選區(qū)熔化成型）技術(shù)所制造的零件與實(shí)際零件的機(jī)械性能最接近，可以直接用于裝配使用。該技術(shù)基于將三維模型進(jìn)行切片，每片厚度約幾十微米，然后把片狀二維平面數(shù)據(jù)，使用軟件進(jìn)行逐層掃描填充，鋪粉系統(tǒng)先將粉末平整地鋪在基板上，振鏡按設(shè)定的路徑掃描，控制激光束選擇性地熔化金屬粉末，振鏡照射到的粉末熔化并迅速冷凝成形，未經(jīng)激光熔化的粉末保持原狀，激光掃描區(qū)域的粉末被燒結(jié)在基板上，即形成零件切片的第一層形狀，第一層加工完畢，粉料缸上升，成型缸下降，鋪一層粉，并進(jìn)行下一層打印，通過(guò)一層一層的堆積熔化成形將零件打印完成。

國(guó)內(nèi)外各SLM設(shè)備供貨商所生產(chǎn)的設(shè)備能打印的零件最大尺寸主要有105mmX105mmX100mm（長(zhǎng)X寬X高）、250mmX250mmX300mm（長(zhǎng)X寬X高）、400mmX400mmX400mm（長(zhǎng)X寬X高）、500mmX500mmX1000mm（長(zhǎng)X寬X高）等尺寸，打印的零件一般為1:1的比例。SLM設(shè)備的打印尺寸還在向更大方向發(fā)展。能打印的材料為模具鋼1.2709、不銹鋼316L、鈦合金TC4、高溫合金IN718、鋁合金AlSi10Mg等。打印的零件致密度一般在98%以上。

隨著國(guó)產(chǎn)SLM設(shè)備的水平日益成熟，國(guó)內(nèi)外的SLM設(shè)備打印的零件力學(xué)性能基本相當(dāng)。

下表是常見(jiàn)SLM技術(shù)所用材料的零件性能。

SLM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要開(kāi)模具即可加工復(fù)雜金屬零件，可直接作為受力金屬零件裝配到設(shè)備中。金屬關(guān)鍵承力零件在開(kāi)模具之前，需要驗(yàn)證機(jī)械性能，在尚未開(kāi)模具之前，可以用SLM技術(shù)打印金屬零件，進(jìn)行前期驗(yàn)證，對(duì)于提高開(kāi)模具的成功率，降低模具制造費(fèi)用具有重要意義。下圖是國(guó)外用SLM技術(shù)打印的內(nèi)燃機(jī)缸體。相信在國(guó)內(nèi)不久就出現(xiàn)類(lèi)似的應(yīng)用。

SLM技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以將一個(gè)機(jī)械部件整合為一個(gè)零件，省去裝配步驟，降低裝配工作量，同時(shí)提高了設(shè)備可靠性。下圖為GE公司用SLM技術(shù)打印的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，優(yōu)化設(shè)計(jì)后從18個(gè)零件變?yōu)?/span>1個(gè)零件，省去了裝配時(shí)間。

目前，SLM技術(shù)所打印出零件的尺寸精度雖然還不能與車(chē)、銑等傳統(tǒng)加工方式相比，但是對(duì)于有隨形冷卻功能的模具來(lái)說(shuō)，SLM技術(shù)必不可少。隨形冷卻模具是SLM技術(shù)與傳統(tǒng)車(chē)、銑等機(jī)加工技術(shù)結(jié)合的典型零件。近幾年，隨著金屬3D打印設(shè)備價(jià)格的下降、金屬粉末原材料價(jià)格的下降，金屬3D打印零件的價(jià)格也在在下降。

下圖為一個(gè)隨形冷卻模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，水路能夠沿著模具外壁附近呈螺旋軌跡流動(dòng)，冷卻效果及生產(chǎn)效率大幅度提高，這種流道只能用3D打印技術(shù)來(lái)完成。

SLM技術(shù)還可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)于零件減重有著很重要作用。

3展望

3D打印技術(shù)作為傳統(tǒng)加工方式的有益補(bǔ)充，二者結(jié)合，將在內(nèi)燃機(jī)研發(fā)、量產(chǎn)階段發(fā)揮重要作用。由于目前SLM技術(shù)已經(jīng)在航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，所以我們相信，SLA技術(shù)將在內(nèi)燃機(jī)新產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品升級(jí)環(huán)節(jié)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本發(fā)揮作用；SLM技術(shù)將在內(nèi)燃機(jī)的隨形冷卻模具制造、復(fù)雜零件的樣件測(cè)試、復(fù)雜金屬零件的直接3D打印制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

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