3D打印将不可能变为现实,看3.2吨重的叶轮如何轻松实现铸造

一般来说,铸件尺寸越大,需要制造的砂芯数量就越多。3D打印技术用于大型铸件砂模制造方面存在着砂芯排气、砂芯固定,以及外冷铁设置和固定等挑战。

不仅如此,这些砂模在金属铸造过程中通常还要满足超高温、超厚宽断面、高承压、干净、无损等要求。最近,voxeljet-维捷通过与泵制造商的合作成功制造了3.2吨重的佩尔顿式水轮机用叶轮。

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图片:完整的钢铸件,来源voxeljet-维捷

block VX4000的大承诺

Kirloskar Brothers Limited(KBL)是一家总部位于印度浦那的流体管理泵制造商,现已转向通过3D打印-增材制造技术来制造备件,从而节约成本和时间。

而最近,KBL通过与德国工业级3D打印设备制造商voxeljet-维捷合作,为3.2吨(3200千克)佩尔顿式水轮机用叶轮制造3D打印铸件。

使用传统的制造技术,通常需要超过两个月才能生产出该叶轮部件所需的完整模具。使用voxeljet-维捷3D打印,加上开发过程仅需几周时间。

根据KBL企业研究工程与发展副总裁兼副总裁Ravi Birajdar,通过3D打印技术,不仅可以实现更高的精度,在非常短的时间内交货,还可以实现更好的可重复性并突破传统加工的尺寸限制。

voxeljet-维捷的特点是基于粘结剂喷射的大幅面3D打印技术,对于这款佩尔顿式水轮机用叶轮来说,由于尺寸巨大,通过传统制造方法通常需要分拆成不同的部分来完成铸造过程,再通过焊接将18个叶片焊接到叶轮上,这个过程非常复杂、耗时且昂贵。

通过voxeljet-维捷大型工业级3D打印机VX4000一次性完成了全部工作,VX4000的打印面积为4,000 x 2,000 x 1,000 mm(长x宽x高)。打印过程为72小时,之后只需要KBL的专有涂层技术进行后期处理。

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图片:完整voxeljet 3D打印砂型铸件,来源voxeljet-维捷

通过voxeljet-维捷的设备打印的模具用于铸造直径为2000mm的材料为CA6NM不锈钢的佩尔顿式水轮机用叶轮。

KBL是印度第一家使用3D打印砂模进行金属铸造的公司。除了佩尔顿式水轮机之外,该公司还通过voxeljet-维捷的设备制造其他种类的叶轮,包括像弗朗西斯型水轮机叶轮这样复杂的产品。由于叶轮设计弧度的问题,传统制造方式常常不得不将叶轮分为几块来生产,而通过3D打印,这些复杂的设计可以被完整的制造出来。

block 3D科学谷Review

谈起3D打印与铸造相结合的应用,还需要从理解3D打印的优势来着眼,3D打印有两大特点:1是无模化,对应的优势是作为研发试制阶段的捷径,加速迭代过程,减少研发成本;2是对产品的复杂性成本不敏感,对应的优势是适合创新颠覆产品的设计,使得产品设计以功能实现为主导。

国内铸造业存在的普遍误区是,仅仅发挥了3D打印的第一个优势,将3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于产品的试制开发阶段,也就是说加工的还是传统设计的产品,而没有将3D打印从源头上用于创新产品的设计。

3D打印的最大优势是用来制造那些传统方式实现不了的设计,包括薄壁,复杂的形状这样的设计,用在汽车领域来说,可以通过3D打印经过特殊设计的冷却系统(这样的设计通过传统制造工艺无法制造出来),从而实现产品更高的性能。

3D科学谷的判断是随着3D打印与铸造的结合,铸造作为产品“诞生”的“源头”,其决定产品核心竞争力的价值将显现,3D打印可以从源头决定一个产品的创新程度,很多大型企业将改变将铸造外包给铸造厂的模式,而是将铸造将作为核心关键的一环纳入到企业内部的生产运营中,这个过程中或将发生铸造厂被并购的现象。

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不仅仅是文中提到的大型叶轮的铸造应用,voxeljet-维捷正在走向产业化生产的应用方向。就在2018年,voxeljet-维捷通过与德国领先的汽车制造商的合作,实现自动化3D打印复杂的砂模和砂芯,该生产线有望成为世界上首次汽车关键零件生产领域的集成增材制造解决方案,该项目将利用3D打印的砂芯来铸造关键发动机部件。

从制造原型到制造传统技术难以制造的小批量应用,再到创造新的产品,3D打印正在推动一场从制造到创造的工业革命。

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3D打印铸造模具正在成为制造中的一个环节,越来越多的公司开始提供涵盖设计、3D打印、铸造、热处理、加工和检测的全方位服务。深度了解3D打印技术与铸造工艺的结合方式,3D打印技术在铸造业应用的发展路线图,请前往:《3D打印在铸造领域的价值与应用趋势》白皮书

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