通過砂型3D打印與仿真、無損檢測的結合實現數字化鑄造

魔猴君  行業資訊   1516天前

鑄造行業一直在使用數據，數字化現在帶來了數據量、粒度和可處理性的根本性轉變，也開辟了新的機會。 尤其是3D打印砂型模具的出現，使得鑄造業的數字化特征更加明顯。通過3D打印的砂模與仿真模擬軟件，X射線無損檢測技術相結合，可以實現以數字化工作流程鑄造零件。本期文章，通過發動機缸體等產品的小批量和原型鑄件制造商TEI的案例，來領略砂型3D打印對實現數字化鑄造的價值。

讓鑄造更簡單

TEI每年為數百種新的設計生產首批鋁鑄件，除了用于試制領域的快速制造服務，TEI還設計、制造工裝和自動化系統，幫助其客戶將復雜的鑄件投入生產。現在，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）掃描相結合，實現數字化原型零件鑄造的工作流程。

3D打印搭建競爭優勢

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雜的鑄件，無需冒口，金屬成品率達95%。無污染，易實現自動化。但設備費用較高，生產效率較低。一般用于鑄造有色合金。

當然，低壓鑄造是一門由來已久的技術，低壓鑄造是最早的反重力鑄造技術，如今，低壓鑄造主要用于生產銷合金、鎂合金件，如汽車工業的汽車輪轂、內燃發動機的氣缸體、氣缸蓋、活塞、導彈外殼、葉輪、導風輪等形狀復雜、質量要求高的鑄件。

提供的發動機缸體快速制造服務。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打印系統的幫助下，TEI將提高從設計到制造的速度，為工業生產提供設計、3D打印、鑄造、熱處理、加工和檢測等各個階段的制造服務。

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能夠重新設計直升機齒輪箱的模具，將砂芯的數量從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每小時172升。可以經濟地構建以往帶來復雜制造挑戰的零件砂型模具：例如發動機缸體缸蓋、泵體、閥體、排氣歧管、殼體、閉式葉輪、結構件等。

工業級砂型3D打印設備。來源：TEI

為了設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。其模擬結果最接近實際鑄件，這是當今進行小批量和快速迭代工作的必要工具。

通過將3D打印技術與仿真結合在一起。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打印模具進行所有測試迭代，而是在屏幕上進行。設計師可以在幾個小時內進行高達10次的迭代，然后完成設計并3D打印整個模具。

仿真和3D打印相結合，有助于縮短交貨時間，從而使從CAD設計到金屬鑄造的過程變得更快、更便宜且更容易。TEI每周要開發約四款新產品，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確而自信地進行生產。

據了解，TEI控制零件最終質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常快速地填充模具，然后在整個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生具有良好材料性能的高質量鑄件，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生產的零件中大約有一半在大批量生產的過程中將采用高壓壓鑄件，然而開發用于大型車輛副車架或底盤的壓鑄模具可能需要長達8個月的時間，成本高達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周內完成零件交付。

實現閉環數據流

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，其數字線程都不會以計算機控制的澆鑄結束。在取出鑄件后，還需要根據所需的詳細性能，通過各種無損檢測（NDT）方法并結合軟件對鑄件進行檢查。

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

Test_TEITEI的檢測。來源：TEI

目前，掃描獲得的 CT數據已加載到Volume Graphics的VGStudio Max中，可以在其中疊加到CAD上并根據結果進行分析，鑄件與其原始設計進行比較。

這就是數字化鑄造的整個閉環過程，通過仿真模擬預判會發生什么，然后通過CT掃描來了解具體發生了什么。您可以在不切割零件的情況下確認鑄件中有什么。”

對于需要檢查的較大批量零件，TEI通過X射線系統進行檢測，如果在特定鑄件中發現問題，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據庫中并與TEI的客戶共享。

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