3D打印技術在大型鑄鍛件領域應用

目前，的應用及研究主要集中在航空航天、電子、醫(yī)療等精密零件的加工和修復領域，而在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領域上的應用還很少。大型鑄鍛件產(chǎn)品，如火電主軸、核電封頭、水輪機葉片等的重量動輒幾十上百噸，而以目前的金屬技術平均1kg/h的加工速度以及每公斤上千元的材料成本計算，采用大型鑄鍛件整體3D打印技術完成大型鑄鍛件的制造無法實現(xiàn)。但是，這并不是說3D打印技術不能在大型鑄鍛件領域得到廣泛的應用。

只要應用得當，3D打印技術也可以像鑄造、鍛造以及焊接一樣，成為大型鑄鍛件制造中不可缺少的重要生產(chǎn)工藝，并且在大型鑄鍛件行業(yè)的技術創(chuàng)新、降本增效、質(zhì)量提升過程中發(fā)揮重要作用。本文通過參考當前金屬及非金屬3D打印技術在其他領域取得的研究成果，對未來3D打印技術在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領域的應用方向進行了分析，從而為大型鑄鍛件行業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

1.金屬材料3D打印技術

3D打印鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件等大型零件的金屬材料的性能可以達到或接近鍛件水平。3D打印技術修復渦扇發(fā)動機葉片技術實現(xiàn)了3D打印與零件基體結(jié)合區(qū)域的性能達到了零件的要求。與傳統(tǒng)的焊接相比，金屬3D打印修復具有以下特點：

(1)熱影響區(qū)小，不影響基體組織應力分布;

(2)無需加熱及后續(xù)熱處理;

(3)3D打印組織與基體冶金結(jié)合致密，性能接近零件原組織;

(4)3D打印區(qū)域組織性能達到鍛件水平;

(5)自動化控制，加工余量少。

1.1 大型鍛件局部3D打印成形

以AP1000核電主管道為例，設計要求采用超低碳控氮不銹鋼整體鍛造，鍛件生產(chǎn)的主要難點是兩個管嘴的成形，鍛件材料利用率在15%以下。受3D打印技術修復渦扇發(fā)動機葉片的啟發(fā)，核電主管道的成形可以簡化為鍛造或擠壓不銹鋼管+3D打印管嘴成形，該方法能夠極大的降低核電主管道的生產(chǎn)難度及成本。

類似核電主管道及多管嘴封頭等具有局部難成形特征的大型鍛件都可以采用鍛件主體+3D打印局部的方式成形，該方法將在保證鍛件整體質(zhì)量的情況下大大降低鍛件的生產(chǎn)難度、成本和周期。另外，還可將大型鍛件局部3D打印成形的思路拓展到大型零件3D打印拼焊技術。如果3D打印區(qū)域以及3D打印區(qū)域與基體結(jié)合區(qū)域的金屬材料性能都能達到鍛件要求，這就預示著未來完全可以采用3D打印拼焊鍛件代替整體大鍛件。

1.2 大型鍛件缺陷修復

大型鍛件表面及內(nèi)部的超標缺陷、由于缺料造成的鍛件加工余量不足等質(zhì)量問題，都可能導致鍛件的整體報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失和能源浪費。由于焊接組織的性能低于鍛件組織，因此鍛件一般不容許補焊，而金屬3D打印技術的出現(xiàn)卻能改變這一現(xiàn)狀。目前，金屬3D打印的某些材料性能已經(jīng)能夠達到鍛件水平，如果3D打印組織與鍛件基體的結(jié)合能達到鍛件要求，就可以采用3D打印技術局部修補大型鍛件的缺陷區(qū)域，從而提高鍛件合格率。未來，隨著3D打印技術的提高，類似大型鑄件容許補焊一樣，大型鍛件也容許3D打印修復，這對于大型鍛件生產(chǎn)工藝將是革命性的突破。

1.3 大型零件在線修復

發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機葉片、船用曲軸等大型零件在使用過程中會出現(xiàn)局部裂紋、磨損及變形等失效問題，傳統(tǒng)的補焊方法需要通過機加工→預熱→焊接→機加工→熱處理等流程才能修復。修復工作需要在大型專業(yè)設備上進行，但是修復區(qū)域性能低于零件原組織，增加了維修成本、維修周期，維修效果也不理想。而采用機器人與3D打印技術相結(jié)合構(gòu)成的便攜式可移動金屬3D打印設備能改變這一現(xiàn)狀，實現(xiàn)大型零件的現(xiàn)場修復，甚至在線修復。機器人金屬3D打印技術修復大型零件的具體操作步驟是：

(1)確定修復方案，對修復區(qū)域進行預處理;

(2)采用三維成像技術對修復區(qū)域進行三維反求建模;

(3)將修復區(qū)域三維模型轉(zhuǎn)化為機械手移動路徑;

(4)確定3D打印參數(shù)，機械手定位，進行修復;

(5)修復區(qū)域表面處理及檢測。

1.4 大型零件表面處理

金屬3D打印技術的一個重要發(fā)展方向就是多材料以及漸變材料的3D打印成形，該領域的研究成果可以在大型零件，特別是在結(jié)構(gòu)復雜或功能復雜零件的表面處理上得到應用。相比于電鍍、熱噴涂以及化學氣相沉積等傳統(tǒng)的金屬表面處理方式，金屬3D打印技術被看作是激光涂覆工藝的延伸，具有結(jié)合層牢固、涂層厚度大且可控、數(shù)字化控制、材料范圍廣等優(yōu)勢，特別是在大型零件的局部改性和強化方面優(yōu)勢明顯。

1.5 金屬材料3D打印技術的研究重點

根據(jù)目前金屬3D打印技術的發(fā)展情況，以上研究方向在技術上都有很大的可行性，而且許多技術已在小型零件上得到應用。為了使金屬3D打印技術在大型鑄鍛件領域早日得到應用，當前應在以下幾個方面進行重點研究：

(1)材料方面。相對于鈦合金及高溫合金，大型鑄鍛件使用的鐵基合金較為簡單，關鍵是材料成本的控制。

(2)設備方面。目前3D打印設備的工作臺面尺寸及承重有限，無法滿足大型鑄鍛件局部加工要求，未來需要開發(fā)更加靈活便捷的加工設備。

(3)系統(tǒng)方面。3D打印制造及修復需要三維反求、建模、二維路徑轉(zhuǎn)化等操作，而大型鑄鍛件多為單件小批量生產(chǎn)，缺陷出現(xiàn)隨機性大，因此未來需要對相應軟件及操作進行集成，從而提高生產(chǎn)效率。

(4)工藝方面。不斷優(yōu)化金屬3D打印工藝參數(shù)，使其更好適應大型鑄鍛件的特殊要求，預防開裂、變形以及脫落等缺陷的產(chǎn)生。

(5)性能方面。為了使3D打印技術在核電、火電以及大型壓力容器等大型零件上得到持久應用，類似持久蠕變、低周疲勞等材料基礎實驗數(shù)據(jù)需要長期積累。

(6)標準問題。不同于小型零件，安全生產(chǎn)是大型鑄鍛件修復及制造的重點，而各種生產(chǎn)和質(zhì)量標準的缺失是3D打印技術在該領域發(fā)展的重要瓶頸，標準的制定也需要較長的時間。

2.非金屬材料3D打印技術

以蠟?？焖俪尚魏蜕靶涂焖俪尚螢橹鞯?D打印技術在小型精密鑄件以及鑄件快速成形領域已得到廣泛的應用，并且有向大型化發(fā)展的趨勢，目前已經(jīng)可以制作2m以上的模型。重量在(20～500)t之間的汽輪機缸體、水電機組的葉片以及冶金設備機架等大型鑄件一般采用木模+砂型鑄造生產(chǎn)，目前還未使用3D打印技術進行生產(chǎn)制造。

2.1 大型鑄件模型3D打印

非金屬材料3D打印技術可以實現(xiàn)復雜模型的快速建立，對于生產(chǎn)批量大、形狀復雜、表面要求高的大型鑄件，可以整體或局部替代木模，從而有效縮短大型鑄件生產(chǎn)周期，提高鑄件生產(chǎn)質(zhì)量。針對3D打印技術在大型模型建立過程中出現(xiàn)的成形速度慢、變形嚴重以及成本較高等問題，目前的解決方法有幾種：

(1)增大3D打印線材直徑以提高加工速度;

(2)采用多噴頭設計以提高加工速度;

(3)多個小設備并行工作，拼粘成大型模型以提高加工速度;

(4)在3D打印設備上增加熱保溫裝置，減少零件變形翹曲;

(5)優(yōu)化3D打印參數(shù)，從而減少模型變形及開裂等問題;

(6)優(yōu)化3D打印材料，在保證模型質(zhì)量的同時降低材料成本及使用量;

(7)采用木?；w拼粘3D打印局部方案，降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期。

2.2 大型鑄件砂型3D打印

砂型材料3D打印技術的原理是通過低功率激光器對樹脂砂進行逐層燒結(jié)最終形成復雜砂型，目前主要用于中小型復雜鑄件的快速制造。采用3D打印技術生產(chǎn)大型鑄件砂型有以下優(yōu)點：

(1)大型鑄件目前使用的反箱制模型方法對拔模角度有很高要求，而3D打印砂型對拔模角度無要求，甚至可以實現(xiàn)負拔模角度;

(2)3D打印砂型無需制模、反模等過程，就可以制作非常復雜的鑄件，擺脫了工藝方法對鑄件形狀的約束;

(3)3D打印砂型使單件小批量生產(chǎn)的大型鑄件的生產(chǎn)周期縮短，成本降低。

3.3D打印砂型在大型鑄件中使用的主要難點有：

(1)性能問題。大型鑄件幾何尺寸很大，3D打印砂型的強度需要提高。3D打印的砂型致密性較高，發(fā)氣量較大，在大型鑄件生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)很多缺陷，因此，需要通過實驗方式分析具體工藝措施或原材料配比來解決缺陷。

(2)速度問題。目前的3D打印速度較慢，提高加工速度的方法基本與模型3D打印一致。

(3)設備問題。大型砂型強度較低，應盡量減少運輸過程，其生產(chǎn)設備最好設置在鑄造車間內(nèi)。目前，還不能使用3D打印技術直接生產(chǎn)大型鑄件的整體砂型，但是可以將3D打印砂型作為大型鑄件砂型的鑲件或砂芯，用于成形鑄件局部復雜區(qū)域。

未來，最經(jīng)濟有效的大型鑄件生產(chǎn)方式將會是非金屬材料3D打印技術、鑄件傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以及數(shù)值模擬技術三者的結(jié)合，具體的工藝步驟是：

(1)生產(chǎn)單位收到零件圖紙及模型，開始鑄件及澆鑄系統(tǒng)初步設計;

(2)綜合考慮鑄件變形、開裂等因素，采用有限元軟件對鑄件結(jié)構(gòu)和澆鑄系統(tǒng)設計進行優(yōu)化;

(3)將優(yōu)化后的模型進行分解，模型基體部分采用傳統(tǒng)木模成形，復雜幾何尺寸部分采用模型3D打印成形，二者通過粘接形成鑄件最終模型;

(4)將鑄件中形狀復雜、負拔模角度部分采用砂型3D打印成形;

(5)將3D打印砂型鑲嵌在大型鑄件砂型中，結(jié)合模型生成最終的大型鑄件砂型。

由于采用3D打印技術生產(chǎn)的模型及砂型是由數(shù)模直接轉(zhuǎn)化成實體模型，無需人工操作，因此可以提高模型表面質(zhì)量，縮短鑄件生產(chǎn)周期，擺脫傳統(tǒng)工藝方法對鑄件結(jié)構(gòu)的限制，從而提高鑄件的材料利用率、減少鑄件缺陷、降低鑄件成本。

3D打印技術作為一種通用的零件加工手段，極大的擺脫了傳統(tǒng)工藝方法對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本等生產(chǎn)要素的束縛，為傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級開辟了一種新的思路。3D打印技術在大型鑄鍛件生產(chǎn)領域有很大的發(fā)展空間，金屬3D打印技術在大型鑄鍛件的制造及修復領域發(fā)揮了重要作用，非金屬3D打印技術改進了大型鑄件生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了降本增效、縮短生產(chǎn)周期、提高鑄件質(zhì)量。從目前3D打印技術的發(fā)展情況來看，3D打印技術在大型鑄鍛件領域的應用還需要經(jīng)歷一個由小型到大型，由非關鍵部位到關鍵部位，由普通零件到重要零件的發(fā)展過程。

目前，我國大型鑄鍛件行業(yè)處于產(chǎn)能嚴重過剩、低端產(chǎn)品惡性競爭，高端產(chǎn)品受制于人的不利局面。采用傳統(tǒng)的方法對大型鑄鍛件生產(chǎn)工藝進行改進已不能有效降低生產(chǎn)成本、提高零件質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、拓展市場空間。因此必須引進新的技術和方法才能大幅提高我國大型鑄鍛件行業(yè)的競爭力。3D打印技術又稱增材制造技術，是以數(shù)字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機遇。