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    3D打印技術在軍工裝備零部件生產中的應用
    2020-6-4  來源:-  作者:-


             近幾年,3D打印技術不斷深入發展,其與傳統制造相融合,能夠在無模具生產情況下,保證鑄件質量、縮短生產周期和降低生產成本。

            結合軍工企業較多科研研制、單件樣機、中小批量、多品種、打仗式生產等特點,迫切需要采用該技術解決傳統模具高價、低效的問題;迫切需要通過相關知識介紹和相關案例的展示,引導企業進行相關應用。

            以某廠科研和批量為例,介紹相應的方法、質量、成本、生產周期和應用情況,驗證工業級3D打印、融合配套技術用于企業的科研和生產,可成為一種較理想的生產方式,對于后續探索和推廣應用具有重要意義。

            一直以來,存在著一些認為3D打印成本高、不適合用于實際生產的誤解,在軍工企業這種情況更加嚴重。但隨著客戶招標訂貨、交貨周期需求變化,以及單件樣機、小批量、多品種、打仗式生產在科研和生產中日益廣泛,采用傳統的先模具再生產零件的方式,從成本和生產周期方面很難滿足發展需要。

            從2018年8月開始,筆者所在企業采用幾種工業級3D打印設備生產塑料和金屬零件,完成了300余種近10000件零件的研發和生產,3D技術發揮了較好作用。

            1.工業級3D打印和融合配套技術

            3D打印技術已在工業造型、機械制造等諸多領域得到了廣泛應用,從產品概念設計樣件到功能驗證零件,從外飾件到核心功能件,從單一零件到整體打印組裝,從打印塑料件到直接打印金屬零件。主要成型材料有ABS、PP、PC、石蠟、尼龍玻纖、橡膠、陶瓷、砂、鋁基合金、鐵基合金、鎳基、鈦合金等。

            3D打印技術有選擇性激光燒結(SLS)、激光選區熔化(SLM)、激光選區光固化(SLA)、粘合劑噴射(3DP)等幾種主要方式,可針對不同材料和零件特征選用不同的打印方法。融合配套技術主要有硅溶膠熔模精密鑄造、石膏型真空增壓鑄造、電磁低壓鑄造、砂型差壓鑄造等。
      
      
            采用SLS技術配合硅溶膠熔模精密鑄造生產鑄鋼、鑄鐵、鑄鈦、鑄銅等合金,生產周期為10-15天,尺寸精密優于CT7,光表面粗糙度Ra6.3μm;SLS技術配合石膏型真空增壓鑄造生產薄壁鋁合金、大型鋁合金鑄件,優點在于造形制殼簡單,生產周期為7-12天,尺寸精密優于CT7,光表面粗糙度Ra5.0μm;3DP技術配合電磁低壓鑄造、砂型差壓鑄造生產復雜內腔鑄件,生產周期為3-5天,尺寸精密優于CT12,光表面粗糙度Ra12.5μm。

            3D打印和傳統鑄造技術融合配套,解決了無模具快速鑄造問題,降低了3D打印制造金屬類零件成本。

            2.3D打印技術在軍用裝備零部件生產方面的應用

            在科研階段,3D打印技術主要用于產品設計、設計驗證、功能驗證、樣機模型制作、樣機生產。采用不同3D打印方法快速生產塑料和金屬部件,滿足科研階段不同需要。

            在設計產品結構和結構評估時,產品的相對比例、顏色搭配等是否合理,往往在電腦顯示中無法很好體現,通過3D打印SLA技術按照要求比例打印出較高強度的塑料(整個打印過程僅需要幾個小時或1-2個工作日),再通過噴漆和烤漆等上色手段,裝配各部件,最后得到可拆裝的產品設計模型(如圖)。
      
      
            在功能驗證、招標樣機生產時,傳統開模具生產各零部件的方法,制作成本和時間成本往往很大,浪費也比較大。采用3D打印SLS、SLA、SLM和3DP技術進行直接或間接生產樣機的塑料件和金屬件,將零部件的提供時間縮短為10-15個工作日。采用這種工藝方法使得該廠新研某型招標樣機順利生產和交付,整個零件生產和整機裝配僅用60天,大部分零件在只有二維零件加工圖的情況下,20天內提供合格鑄件毛坯。

            某些采用3D打印的成本遠低于模具成本。經鑄件成本核算得知:中大型、中等復雜鑄件毛坯需求在30件內,3D打印費用與模具費用相當;小型、復雜鑄件毛坯需求在50-100件,3D打印費用與模具費用相當,但生產時間與大小和復雜程度關系不大,生產時間均為10-20個作日。結合某些軍品生產特點,采用3D打印方式,優勢明顯。

            該廠對所生產的300余種近10000件零件進行了生產驗證,通過外形尺寸、化學成分、機械性能、CT缺陷等檢測,整機裝配并通過整機實際驗證。
      
      
            在批生產階段,3D打印技術主要用于復雜結構零部件、中小批量、模具成本高零部件、模具開發前期和復雜內腔等生產情況。結合軍品生產特點,3D打印技術在批生產階段,優勢也十分明顯。用于復雜結構零部件和模具成本高零部件生產,成本和時間優勢更為明顯。

            在模具開發前期,由于材料收縮、變形、成型工藝合理性等情況的不可預見性,模具開發往往需要幾次的尺寸調整,增加了模具的開發成本,生產周期很難確定。采用3D打印技術將模具生產的蠟模、砂型等打印出來,先進行成型性試驗,通過試驗確定最佳的模具尺寸、反變形量、合理成型工藝等,這種方式既保證了前期小批零件的供給,又大大降低模具開發成本和縮短模具開發周期。模具開發時間將控制在30個工作日內,首批零件20天內提供,大批量在45個工作日內提供。本體為變形和成型工藝無法預見的典型案例,本體SLS打印蠟模和硅溶膠精密鑄件毛坯如下圖所示。
      
      
            在復雜內腔零件生產過程中,內腔往往是通過組芯形成,組芯都是人為完成,精度較差,通過3DP進行整體打印,解決了模具整體無法出芯的問題,同時拓寬了研發設計人員思路,增加了復雜內腔零件生產能力。

            3.結論

            工業級3D打印、融合配套技術用于軍工企業的科研和批生產,無疑是一種較好的生產方式,它解決了制造周期長、模具成本高、加工量大、補焊、尺寸不穩定、內部缺陷多、反修次數多等現有制造問題,在新產品開發,單件、小批量/復雜零部件生產方面優勢明顯。

            工業級3D打印、融合配套技術的使用,改變了純模具生產模式,打破了產品設計人員圍繞“先制造再功能”的老舊設計思維,樹立圍繞“先功能再制造”的嶄新開發模式。

            工業級3D打印、融合配套技術有利于充分發揮設計人員的想象力,有利于結構合理化、功能結構一體化和輕量化的發展,有利于產品的快速研發和生產。

            工業級3D打印、融合配套技術在以兵器為代表的軍工企業進行探索和推廣應用,具有十分重要的意義。



     (來源:《世界制造技術與裝備市場(WMEM)》雜志2019年第6期 作者:馬寧 田冬梅 湖北江山重工有限責任公司;徐宏 宋彬 中國兵器工業增材制造應用創新中心   責編:梅峰)

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