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3D打印小知識|通過砂型3D打印與仿真、無損檢測的結合實現數字化鑄造

2020-09-01 11:17:06 來源:

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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?,F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。

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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??梢越洕貥嫿ㄒ酝鶐韽碗s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。

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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??焖俚靥畛淠>?,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。

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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?!?/span>

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。



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