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增材制造技术及其在发动机关键零部件上的应用(2)
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摘要：选区激光熔融技术制作成形件的原理如图3 所示。（1）利用CAD 软件对发动机缸盖进行三维建模，选择合适的辅助支撑结构，计算机对三维模型的切片处理
选区激光熔融技术制作成形件的原理如图3 所示。（1）利用CAD 软件对发动机缸盖进行三维建模，选择合适的辅助支撑结构，计算机对三维模型的切片处理；（2）利用送粉辊将金属粉末从供粉缸中带出并平铺在基础板上形成粉末层，控制系统通过读取切片数据控制高能量源对基板上的粉末层进行扫描熔合，形成缸盖的第一层形状；（3）供粉缸向上移动一个截面层的高度，成形基板向下降一个截面层的高度；（4）上一层为基础，将后一层烧结在它的上面，如此往复逐层扫描累加直到发动机缸盖完成[14]。
图3 激光选区熔融技术原理Fig.3 Principle of selective laser melting
传统的铸造生产具有流程长、制造难度大的缺点，而利用选区激光熔融技术对单个发动机缸盖进行制造可以实现产品的近净成形。从三维建模到打印产品完成只需耗时7 天左右，在时间和成本方面远远低于传统的铸造成型技术的耗费。增材制造技术生产发动机缸盖简化了制造工艺，缩短了生产周期、降低了制造成本，为新产品的研发与制造提供了极大的帮助[12]。
2.2 发动机缸体
发动机缸体是发动机的关键零部件之一，一方面是因为缸体内部具有水套和水平孔等复杂的结构，另一方面是缸体的工作环境较恶劣、质量要求较高。缸套在缸体内做高速的往复运动，因此要求缸体要有较强的抗疲劳特性，为了保证活塞和曲轴的准确运动位置，缸体要有较高的制造精度，在高温、高压环境下工作缸体要有较佳的散热性。针对缸体这一复杂的零部件，传统的制造方法是采用砂型组芯重力浇注工艺[15]，这一制造方法涉及到很多工序，如制芯、组芯以及造型等工序，每一步工序都要准确才能保证铸件整体的精度和质量。传统的缸体铸造工序如图4 所示。为了减少制造模具所消耗的时间，提高缸体铸件的精度和质量，部分企业开始利用增材制造技术直接打印出砂型进行缸体铸造。
图4 铸造生产工序Fig.4 Process of casting
针对缸体砂芯的增材制造技术常采用激光选区烧结技术（Selected Laser Sintering，SLS），其技术原理如图5 所示。激光选区烧结技术是利用2 种熔点不同的成形粉末烧结制取，熔点较低的粉末作为粘结材料，熔点较高的粉末充当成结构材料[16]，激光束以较快的速度扫描材料粉末，熔点较低的粉末迅速融化，形成的熔融液体在熔点较高的粉末颗粒间流动，使得高熔点的粉末颗粒之间发生重排、靠拢和转动等现象，熔化的低熔点粉末冷却凝固后，高熔点的粉末颗粒也相互粘结，即待成形部件完成烧结过程。但是激光选区烧结技术具有致密度低和力学性能较差的缺点，因此在激光选区烧结技术基础上提出了激光选区熔融技术[17]。
图5 激光选区烧结技术原理Fig.5 Principle of selected laser sintering
激光选区烧结技术与传统的铸造成型相结合可以制造出发动机缸体这一复杂的零部件，在保证了产品可靠性的同时，也降低了制造成本，缩短了制造的周期。
2.3 变速器壳体
变速器是汽车传动系统中较为重要的一部分，而变速器壳体又是构成变速器的基础件，因此，变速器壳体的加工质量与汽车传统系统的使用寿命有着密切的关系，在传统系统中扮演着举足轻重的角色。一方面，壳体支撑和固定着变速器关键零部件。在动力传递过程中，轴承上的扭矩和齿轮之间啮合的反作用力使得壳体承受着复杂的载荷；另一方面，壳体通过螺栓与发动机连接，当车辆在复杂的路面情况下行驶，会使得壳体不断遭受到冲击[18]。这样会对壳体造成疲劳损伤甚至是破坏，进而无法保证变速器内的关键零部件始终保持在可靠位置，因此，在制造变速器壳体时，要保证壳体具有足够的刚度，同时，也要提高壳体的加工质量，从而确保轴和齿轮等关键部件的相对位置[19]。
变速器壳体的制造和发动机缸体的制造均是采用铸造生产的方式，这里主要介绍的是使用增材制造技术打印型芯的方法增材制造打印型芯的工艺，主要有2 种，分别是激光选区烧结技术和三维喷印技术（Three-Dimensional Printing,3DP），两者均可以在无需开模的情况下快速打印砂芯，并且打印出的砂芯比传统铸造工艺得到的砂芯尺寸精度更高一些，得到的铸件在形位尺寸方面也较佳。两者的工作原理大致一样。激光选区烧结技术是利用激光使熔点较低的粉末颗粒融化充当粘结剂，而三维喷印技术是直接将粘结剂喷涂在原砂上层层累加得到砂芯[20]。三维喷印技术原理如图6 所示。从成本和生产速度两方面对两者进行比较，三维喷印技术会比激光烧结技术更优，因此从长远角度来讲，三维喷印技术会比激光烧结技术应用得更加广泛。
文章来源：《时代汽车》 网址: http://www.sdqczz.cn/qikandaodu/2021/0623/2164.html