通過砂型3D打印與仿真、無損檢測的結(jié)合實現(xiàn)數(shù)字化鑄造

魔猴君  行業(yè)資訊   1521天前

鑄造行業(yè)一直在使用數(shù)據(jù)，數(shù)字化現(xiàn)在帶來了數(shù)據(jù)量、粒度和可處理性的根本性轉(zhuǎn)變，也開辟了新的機會。 尤其是3D打印砂型模具的出現(xiàn)，使得鑄造業(yè)的數(shù)字化特征更加明顯。通過3D打印的砂模與仿真模擬軟件，X射線無損檢測技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)以數(shù)字化工作流程鑄造零件。本期文章，通過發(fā)動機缸體等產(chǎn)品的小批量和原型鑄件制造商TEI的案例，來領(lǐng)略砂型3D打印對實現(xiàn)數(shù)字化鑄造的價值。

讓鑄造更簡單

TEI每年為數(shù)百種新的設(shè)計生產(chǎn)首批鋁鑄件，除了用于試制領(lǐng)域的快速制造服務(wù)，TEI還設(shè)計、制造工裝和自動化系統(tǒng)，幫助其客戶將復(fù)雜的鑄件投入生產(chǎn)。現(xiàn)在，TEI通過3D打印砂模與仿真模擬軟件，計算機X射線斷層成像（CT）掃描相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字化原型零件鑄造的工作流程。

3D打印搭建競爭優(yōu)勢

TEI擅長低壓鑄造，低壓鑄造是指鑄型一般安置在密封的坩堝上方，坩堝中通入壓縮空氣，在熔融金屬的表面上造成低壓力（0.06～0.15MPa），使金屬液由升液管上升填充鑄型和控制凝固的鑄造方法。這種鑄造方法補縮好，鑄件組織致密，容易鑄造出大型薄壁復(fù)雜的鑄件，無需冒口，金屬成品率達(dá)95%。無污染，易實現(xiàn)自動化。但設(shè)備費用較高，生產(chǎn)效率較低。一般用于鑄造有色合金。

當(dāng)然，低壓鑄造是一門由來已久的技術(shù)，低壓鑄造是最早的反重力鑄造技術(shù)，如今，低壓鑄造主要用于生產(chǎn)銷合金、鎂合金件，如汽車工業(yè)的汽車輪轂、內(nèi)燃發(fā)動機的氣缸體、氣缸蓋、活塞、導(dǎo)彈外殼、葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高的鑄件。

提供的發(fā)動機缸體快速制造服務(wù)。來源：TEI

TEI向汽車、航空航天和國防客戶提供鋁、鐵和鋼的機加工原型和小批量零部件。在voxeljet-維捷的高效大幅面3D打印系統(tǒng)的幫助下，TEI將提高從設(shè)計到制造的速度，為工業(yè)生產(chǎn)提供設(shè)計、3D打印、鑄造、熱處理、加工和檢測等各個階段的制造服務(wù)。

自2004年以來，TEI就一直在通過3D打印制造砂型模具，3D打印砂型比手工制作的模具具有更復(fù)雜的幾何形狀，并且還可以將多個模具零件作為一個整體打印出來。

在某個案例中，TEI能夠重新設(shè)計直升機齒輪箱的模具，將砂芯的數(shù)量從78個減少到僅五個3D打印零件，消除了許多接縫，并減少了模具的組裝。

 3D打印與仿真結(jié)合

TEI擁有美國最大的砂型3D打印機voxeljet-維捷 VX4000，打印頭具有超過25000個可單獨控制的噴嘴和1100毫米的打印寬度，打印機的打印速度可達(dá)每小時172升。可以經(jīng)濟地構(gòu)建以往帶來復(fù)雜制造挑戰(zhàn)的零件砂型模具：例如發(fā)動機缸體缸蓋、泵體、閥體、排氣歧管、殼體、閉式葉輪、結(jié)構(gòu)件等。

工業(yè)級砂型3D打印設(shè)備。來源：TEI

為了設(shè)計和模擬這些砂型模具，TEI使用了鑄造壓鑄模擬EKK CAPCAST軟件。該軟件使該公司能夠快速迭代模具設(shè)計，其特點是計算模擬精確、高效、計算速度快及使用方便。其模擬結(jié)果最接近實際鑄件，這是當(dāng)今進(jìn)行小批量和快速迭代工作的必要工具。

通過將3D打印技術(shù)與仿真結(jié)合在一起。TEI可以模擬鋁填充模具的整個過程，然后查看材料如何固化。無需使用昂貴的3D打印模具進(jìn)行所有測試迭代，而是在屏幕上進(jìn)行。設(shè)計師可以在幾個小時內(nèi)進(jìn)行高達(dá)10次的迭代，然后完成設(shè)計并3D打印整個模具。

仿真和3D打印相結(jié)合，有助于縮短交貨時間，從而使從CAD設(shè)計到金屬鑄造的過程變得更快、更便宜且更容易。TEI每周要開發(fā)約四款新產(chǎn)品，3D打印砂模使TEI能夠快速制造零件，而仿真功能則使其能夠準(zhǔn)確而自信地進(jìn)行生產(chǎn)。

據(jù)了解，TEI控制零件最終質(zhì)量的一種方法是將低壓鑄造的澆注自動化，無需手動澆鑄鋁，而是使用計算機控制器將其泵入。這樣可以以受控的方式非?？焖俚靥畛淠＞撸缓笤谡麄€固化過程中對其加壓，以消除任何孔隙。

這種自動化過程可產(chǎn)生具有良好材料性能的高質(zhì)量鑄件，實際上，這些性能有時可能會太好。對于用做碰撞測試的原型組件，TEI必須使其原型砂鑄件與壓鑄件的材料特性相匹配。

原型與批量生產(chǎn)的銜接

用于汽車車身部件的高壓壓鑄件具有很高的延展性，因此TEI必須在砂鑄件中實現(xiàn)相同延展性。然而砂鑄件通常非常堅固，TEI通過使用不同的合金和熱處理來“降低”這些性能，使其更像是強度較低的壓鑄件

TEI生產(chǎn)的零件中大約有一半在大批量生產(chǎn)的過程中將采用高壓壓鑄件，然而開發(fā)用于大型車輛副車架或底盤的壓鑄模具可能需要長達(dá)8個月的時間，成本高達(dá)150萬美元，而通過逼近壓鑄件的性能，TEI通過3D打印的砂模在短短2周內(nèi)完成零件交付。

實現(xiàn)閉環(huán)數(shù)據(jù)流

不管所涉及的鑄件是用于碰撞測試的原型還是用于最終用途的零件，其數(shù)字線程都不會以計算機控制的澆鑄結(jié)束。在取出鑄件后，還需要根據(jù)所需的詳細(xì)性能，通過各種無損檢測（NDT）方法并結(jié)合軟件對鑄件進(jìn)行檢查。

對于原型和其他小批量應(yīng)用，TEI通過其Yxlon CT Compact斷層掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專為中型至大型鑄件設(shè)計的CT掃描儀，可對包括9.9“（250毫米）厚的鋁鑄件在內(nèi)的高密度零件進(jìn)行成像，主要用于查找鑄件中的缺陷以及需要測量內(nèi)部特征的地方。

Test_TEITEI的檢測。來源：TEI

目前，掃描獲得的 CT數(shù)據(jù)已加載到Volume Graphics的VGStudio Max中，可以在其中疊加到CAD上并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，鑄件與其原始設(shè)計進(jìn)行比較。

這就是數(shù)字化鑄造的整個閉環(huán)過程，通過仿真模擬預(yù)判會發(fā)生什么，然后通過CT掃描來了解具體發(fā)生了什么。您可以在不切割零件的情況下確認(rèn)鑄件中有什么?！?/span>

對于需要檢查的較大批量零件，TEI通過X射線系統(tǒng)進(jìn)行檢測，如果在特定鑄件中發(fā)現(xiàn)問題，機器甚至可以提示操作員檢查該特定點的每個參考圖像。這些圖像也存儲在數(shù)據(jù)庫中并與TEI的客戶共享。

每個鑄件都具有完整的制造歷史記錄相關(guān)的序列號，對應(yīng)著可以查找包括鑄造，熱處理以及X射線或CT掃描數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)完全可追溯性。