船舶發動機的快速成型與快速制造技術

孫公文 田樹海 劉順昌

摘 要：快速成型技術（Rapid Prototyping）是繼NC技術之后制造領域先進技術制造群中的關鍵技術，快速成型與快速制造技術應用于船舶發動機制造，能顯著縮短新品上市的時間，節約產品開發與模具制造的費用。本文主要討論基于快速成型技術的選擇性激光燒結工藝（SLS）在船舶發動機零部件制造中的應用。

關鍵詞：船舶發動機；快速成型；快速制造

當前，發動機制造業逐步向國際化方向發展，市場競爭進一步激烈，生產技術不斷更新，生產經營國際化，產品更新換代周期縮短。市場對發動機的功能、排放水平、耐久性提出了更高的要求，用戶的需求也逐漸多樣化。因而，如何有效提升發動機的質量、縮短開發周期、降低開發成本，是發動機制造業面臨的首要難題。隨著快速成型（RP）技術的發展與完善，集CAD、激光、數控、新材料等現代科學技術于一身，可以由三維CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體的新興技術，在制造業領域中的應用越來越廣泛，在小型船舶發動機制造領域，快速成型與快速鑄造技術和傳統制造技術相比，優勢明顯。

一、快速成型與快速制造技術

RP技術在美國、日本、以及歐洲一些國家研究與應用起步較早。美國有眾多的高等學府、公司和國家實驗室從事RP技術的研發，如The University of Texas at Austin以Prof.Joseph J.Beaman為首，主要進行SLS工藝的研究；日本SONY公司下屬的D一MEC，研發了用于SL工藝的SCS型設備；德國EOS從事于SL以及SLS工藝的研發。而我國則在上世紀90年代初才開始RP技術的研發，但由于成品的引進較多，價格高昂，難以滿足國內制造業的迫切需求，在政府資助支持下，清華大學、西安交通大學、華中理工以及北京隆源自動成型系統有限公司等學府與機構最早開展RP技術的研發。經過長時間的努力，無論是工藝、設備、軟件、材料還是應用，我國RP研發發展迅速，眾多的企業開始應用這一新型的制造技術，取得了良好的效益。

RP采用離散/堆積（疊加）成型原理，其流程為：CAD模型→Z向離散化（分層）→層面信息處理→層面加工與粘結→層層堆積。依據三維CAD模型以及具體工藝的需求，按照某一厚度進行分層，將三維數字模型轉變為很薄的二維平面模型，并進一步處理數據，加入加工參數，產生數控代碼，基于數控系統控制，通過平面加工的方式連續加工出一系列的薄層，粘結成型。其本質是離散疊加制造，將原材料從低到頂完成零件的制造。發動機的結構復雜，開發階段各種零件模具的生產周期長、花費多，使得發動機的新品開發周期很長。而利用RP技術，從CAD設計到發動機原型制作，通常只需幾個小時到幾十個小時，節省了制造模具的工序，極大地縮短了研發周期。制造工藝與零件的復雜度無關，制造費用可降低50%，同時可以加個任何形狀的零件，發動機的缸體、缸頭、進排氣管等復雜的零件在很短的時間內便可完成，適合新產品的開發，支持小批量的生產，甚至單件生產。由于RP高集成化的特點，零件可以隨時修改制造，短期內就可制作出修改后樣機。當前國內發展成熟的快速成型技術已有十多種，與船舶發動機制造密切相關的是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功的選擇性激光燒結工藝（SLS，Selective Laser Sintering）。

SLS是指利用激光器對熱塑粉末進行分層燒結固化堆積成形零件。加工過程是采用鋪粉棍將一層很薄的熱塑性粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末熔點的溫度，計算機控制激光束按照該層信息掃描，與下面已成型的部分實現粘結，然后進行新一層的燒結，重復上述工序直至完成最后一層的燒結，一個完整的實體零件便制造出來了。能夠直接制作金屬制品，可采用多種材料、制造工藝比較簡單、精度高、生產周期短、材料利用率高（可以認為是100%），與傳統工藝方法相結合，可用于發動機缸體、缸蓋、進排氣管等零部件的快速鑄造。

發動機的缸體、缸頭一般都可利用快速鑄造（Quick Casting / Rapid Casting）技術，在短期內得到發動機樣品。基于SLS的快速鑄造有兩種途徑，用熱固化樹脂砂砂型鑄造鑄件以及利用可消失的樹脂粉末或蠟粉，通過精密鑄造工藝得到鑄件。砂型制作是根據零件的三維 CAD 毛坯模型設計出組合砂型模型，砂型鑄造是發動機零部件鑄造的重要方式。而采用快速精密鑄造制作的零件具有表面質量好、精度高、工藝簡單、成本低的優勢，但是熔模鑄造一般比較適合于薄壁零件，對于厚壁零件往往因冷卻速度慢導致出現縮松等鑄造缺陷，一般用于進排氣管等相對壁厚較薄的零件鑄造。

二、快速成型技術在船舶發動機制造中的應用

將SLS激光快速成型技術與精密鑄造工藝結合起來，特別適宜具有復雜形狀的金屬功能零件整體制造，如鋁合金進氣管零件的快速制造。一般情況下，10天時間便可完成進氣管零件的 CAD 數據到毛坯的成形，用1天時間便可完成零件熔模的快速成型、再經7天時間完成熔模鑄造、2天時間進行相關后處理、檢驗。船舶發動機的進氣道由復雜的自由曲面構成，對進氣效率、燃燒效率的提高至關重要，是發動機極其重要的組成部分。在發動機的設計過程中，需要對不同的進氣道方案進行氣道試驗。之前的試驗方法是加工大量截面的氣道木模或石膏模，再翻制成砂模鑄造出氣道。一旦出現問題則必須修改模型，浪費了大量的人力、物力、財力，依舊無法保證產品的精度。采用快速成型方法，可以很快做出原型，供設計人員和用戶審查，使得外形設計及檢驗更直觀、有效、快捷。可一次性地提供一組不同曲面的 CAD 數據，通過快速鑄造，同時得到一組進氣管零件，從不同氣道結構的全面的數據中篩選出最佳方案。相對于小型船舶進氣管，發動機的缸體和缸蓋結構更為復雜，但是RP適用于結構復雜的零部件制造，而且成本低廉、精度高。缸體、缸蓋的內部結構復雜且壁厚相對較厚，可選用快速砂型鑄造的方法制造。缸體、缸蓋等零件的制作周期平均約兩到三周。由于鑄造工藝與最終生產工藝極其相近，零件的尺寸精度和機械性能與最終產品零件具有很強的可比性。因此，快速砂型鑄造的缸體缸蓋可直接用于發動機的各種評價試驗，如對氣道進行流動分析，對水道進行冷卻性能測試。

結語

本文首先分析了快速成型以及快速制造技術，繼而介紹了快速成型技術在船舶發動機制造領域的應用。RP與傳統制造技術相比，具有制造工藝簡單、精度高、生產周期短、材料利用率高等優勢，可廣泛應用于發動機缸體、缸蓋、進排氣管等零部件的快速制造，對船舶發動機的研發有重大的實用價值。

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