增材制造技術(shù)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件上的應(yīng)用

楊帆，亓洋洋，劉聰靈，戚瑩

（201600 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing,AM）是20 世紀(jì)80 年代新興的一種基于離散堆積原理的加工工藝[1-2]，它打破了傳統(tǒng)的“減材制造”“等材制造”的生產(chǎn)方式，是一種無(wú)需工裝夾具協(xié)作、不經(jīng)機(jī)床設(shè)備加工的新型制造技術(shù)[3]。從基礎(chǔ)理論的探討到涉及關(guān)鍵技術(shù)裝置的研發(fā)，世界各國(guó)都在積極努力地推進(jìn)這種顛覆性的制造技術(shù)。隨著生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、原材料技術(shù)的成熟等限制因素的解決，增材制造技術(shù)依托于智能技術(shù)和基礎(chǔ)學(xué)科的交叉在汽車(chē)行業(yè)、航空航天、生物工程等領(lǐng)域得到廣泛的拓展，具有巨大的價(jià)值和市場(chǎng)潛力[4-5]。

1 增材制造技術(shù)

1.1 增材制造技術(shù)的流程

增材制造技術(shù)是通過(guò)CAD 軟件對(duì)要加工的零部件進(jìn)行三維建模，根據(jù)零部件的各項(xiàng)參數(shù)利用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，然后利用計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)地將每一層進(jìn)行連接形成層面堆積，快速實(shí)現(xiàn)零部件的增材制造。圖1 所示為增材制造過(guò)程。

圖1 增材制造技術(shù)的流程圖Fig.1 Flow chart of additive manufacturing technology

1.2 增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

全球增材制造技術(shù)的產(chǎn)值呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，產(chǎn)值從2013 年的30.3 億美元增長(zhǎng)到2019 年的158 億美元，在短短的6 年時(shí)間內(nèi)，全球增材制造技術(shù)的產(chǎn)值增長(zhǎng)了近5 倍，其產(chǎn)值發(fā)展情況如圖2 所示。

圖2 全球增材制造技術(shù)的產(chǎn)值Fig.2 Global output value of additive manufacturing technology

在全球增材制造發(fā)展前期，我國(guó)對(duì)成形材料的研究、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新以及設(shè)備的研發(fā)均落后于國(guó)外，但是自從1988 年清華大學(xué)創(chuàng)建激光快速成形中心以來(lái)，我國(guó)便開(kāi)始了對(duì)增材制造技術(shù)的探索，并逐漸生成、完善增材制造的生態(tài)鏈。到2017 年時(shí)，我國(guó)的增材制造領(lǐng)域相關(guān)的企業(yè)已達(dá)500 多家，產(chǎn)業(yè)規(guī)模高達(dá)14.5 億美元。預(yù)計(jì)到2020 年，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入將超過(guò)200 億元，年增長(zhǎng)速率保持在30%以上，增長(zhǎng)速度較前期雖有減緩，但依舊高于全球增速，發(fā)展形勢(shì)尤為可觀。

1.3 增材制造技術(shù)的應(yīng)用

增材制造技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用可以分為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)2 個(gè)階段。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，需要經(jīng)歷手工制作樣件以及設(shè)計(jì)和制作模具的過(guò)程。制作手工樣件是為了讓主機(jī)廠檢測(cè)零部件設(shè)計(jì)的合理性，但是制作手工件大大增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，減緩了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，使得開(kāi)發(fā)成本也大幅度增加，因此，目前一些品牌汽車(chē)公司在汽車(chē)開(kāi)發(fā)階段選擇使用增材制造技術(shù)，達(dá)到了快速驗(yàn)證和優(yōu)化零部件的目的；在小批量生產(chǎn)汽車(chē)零部件時(shí)，常常會(huì)涉及一些薄壁、內(nèi)部腹腔的復(fù)雜零部件，傳統(tǒng)的鍛造和鑄造工藝在加工上具有局限性，無(wú)法滿足生產(chǎn)要求。由于增材制造技術(shù)具有逐點(diǎn)、逐線、逐域的局部成形特性，在制造復(fù)雜零部件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高柔性近凈成形的增材制造[6-8]。因此，增材制造技術(shù)在復(fù)雜零部件的制造方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景也十分可觀。

航空航天領(lǐng)域是各國(guó)科技實(shí)力展現(xiàn)的一個(gè)平臺(tái)，該領(lǐng)域集結(jié)了一個(gè)國(guó)家的高精端技術(shù)，增材制造技術(shù)作為一個(gè)先進(jìn)的制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。2020 年，我國(guó)發(fā)射的長(zhǎng)征五號(hào)B 火箭上就搭載著增材制造打印出的返回艙防熱大底框架，在保證安全性能的同時(shí)，降低了工藝造價(jià)；歐洲航天局聯(lián)合瑞士公司開(kāi)發(fā)首個(gè)基于增材制造的雙反射天線原型，在確保零部件輕量化的同時(shí)，增強(qiáng)了天線的精度[9]；英國(guó)的Orbex 公司摒棄了傳統(tǒng)的CNC 加工生產(chǎn)方式，使用了增材制造技術(shù)加工了全球最大單件火箭引擎，與傳統(tǒng)加工方法相比，只消耗了1/10 的制造時(shí)間和1/2 的制造成本。

2 增材制造技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上的應(yīng)用

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋作為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中較為重要的部分，一方面是因?yàn)樗惺軄?lái)自于燃燒室高達(dá)70 MPa 的燃爆壓力和接近350 ℃的高溫，工作環(huán)境極其惡劣。另一方面是缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且壁面較薄[10-11]。在傳統(tǒng)的制作工藝中常采用鑄造的手段來(lái)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，需要對(duì)它進(jìn)行開(kāi)模處理，由于嚴(yán)苛的要求導(dǎo)致模具需要進(jìn)行多次優(yōu)化改進(jìn)，導(dǎo)致了開(kāi)發(fā)和制造模具的工期過(guò)長(zhǎng)，開(kāi)模的成本過(guò)于高昂[12]。而增材制造技術(shù)直接使用打印機(jī)對(duì)復(fù)雜的缸蓋進(jìn)行打印，省去了中間的開(kāi)模、澆注等一系列工序，為解決小批量生產(chǎn)缸蓋耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題提供了思路。

制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋常用的增材制造技術(shù)是選區(qū)激光熔融技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）。選區(qū)激光熔融技術(shù)是利用激光釋放的能量使得粉末完全熔化冷卻凝固成型的一項(xiàng)技術(shù)，用這種方法制造的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋在性能上也與鍛件相差無(wú)幾[13]，致密度也比較高，因此，不會(huì)出現(xiàn)鑄造時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的縮孔和裂紋現(xiàn)象。

選區(qū)激光熔融技術(shù)制作成形件的原理如圖3 所示。（1）利用CAD 軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行三維建模，選擇合適的輔助支撐結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)對(duì)三維模型的切片處理；（2）利用送粉輥將金屬粉末從供粉缸中帶出并平鋪在基礎(chǔ)板上形成粉末層，控制系統(tǒng)通過(guò)讀取切片數(shù)據(jù)控制高能量源對(duì)基板上的粉末層進(jìn)行掃描熔合，形成缸蓋的第一層形狀；（3）供粉缸向上移動(dòng)一個(gè)截面層的高度，成形基板向下降一個(gè)截面層的高度；（4）上一層為基礎(chǔ)，將后一層燒結(jié)在它的上面，如此往復(fù)逐層掃描累加直到發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋完成[14]。

圖3 激光選區(qū)熔融技術(shù)原理Fig.3 Principle of selective laser melting

傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)具有流程長(zhǎng)、制造難度大的缺點(diǎn)，而利用選區(qū)激光熔融技術(shù)對(duì)單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行制造可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的近凈成形。從三維建模到打印產(chǎn)品完成只需耗時(shí)7 天左右，在時(shí)間和成本方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的鑄造成型技術(shù)的耗費(fèi)。增材制造技術(shù)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋簡(jiǎn)化了制造工藝，縮短了生產(chǎn)周期、降低了制造成本，為新產(chǎn)品的研發(fā)與制造提供了極大的幫助[12]。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，一方面是因?yàn)楦左w內(nèi)部具有水套和水平孔等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，另一方面是缸體的工作環(huán)境較惡劣、質(zhì)量要求較高。缸套在缸體內(nèi)做高速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此要求缸體要有較強(qiáng)的抗疲勞特性，為了保證活塞和曲軸的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)位置，缸體要有較高的制造精度，在高溫、高壓環(huán)境下工作缸體要有較佳的散熱性。針對(duì)缸體這一復(fù)雜的零部件，傳統(tǒng)的制造方法是采用砂型組芯重力澆注工藝[15]，這一制造方法涉及到很多工序，如制芯、組芯以及造型等工序，每一步工序都要準(zhǔn)確才能保證鑄件整體的精度和質(zhì)量。傳統(tǒng)的缸體鑄造工序如圖4 所示。為了減少制造模具所消耗的時(shí)間，提高缸體鑄件的精度和質(zhì)量，部分企業(yè)開(kāi)始利用增材制造技術(shù)直接打印出砂型進(jìn)行缸體鑄造。

圖4 鑄造生產(chǎn)工序Fig.4 Process of casting

針對(duì)缸體砂芯的增材制造技術(shù)常采用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（Selected Laser Sintering，SLS），其技術(shù)原理如圖5 所示。激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)是利用2 種熔點(diǎn)不同的成形粉末燒結(jié)制取，熔點(diǎn)較低的粉末作為粘結(jié)材料，熔點(diǎn)較高的粉末充當(dāng)成結(jié)構(gòu)材料[16]，激光束以較快的速度掃描材料粉末，熔點(diǎn)較低的粉末迅速融化，形成的熔融液體在熔點(diǎn)較高的粉末顆粒間流動(dòng)，使得高熔點(diǎn)的粉末顆粒之間發(fā)生重排、靠攏和轉(zhuǎn)動(dòng)等現(xiàn)象，熔化的低熔點(diǎn)粉末冷卻凝固后，高熔點(diǎn)的粉末顆粒也相互粘結(jié)，即待成形部件完成燒結(jié)過(guò)程。但是激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)具有致密度低和力學(xué)性能較差的缺點(diǎn)，因此在激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上提出了激光選區(qū)熔融技術(shù)[17]。

圖5 激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)原理Fig.5 Principle of selected laser sintering

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)與傳統(tǒng)的鑄造成型相結(jié)合可以制造出發(fā)動(dòng)機(jī)缸體這一復(fù)雜的零部件，在保證了產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，也降低了制造成本，縮短了制造的周期。

2.3 變速器殼體

變速器是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中較為重要的一部分，而變速器殼體又是構(gòu)成變速器的基礎(chǔ)件，因此，變速器殼體的加工質(zhì)量與汽車(chē)傳統(tǒng)系統(tǒng)的使用壽命有著密切的關(guān)系，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。一方面，殼體支撐和固定著變速器關(guān)鍵零部件。在動(dòng)力傳遞過(guò)程中，軸承上的扭矩和齒輪之間嚙合的反作用力使得殼體承受著復(fù)雜的載荷；另一方面，殼體通過(guò)螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，當(dāng)車(chē)輛在復(fù)雜的路面情況下行駛，會(huì)使得殼體不斷遭受到?jīng)_擊[18]。這樣會(huì)對(duì)殼體造成疲勞損傷甚至是破壞，進(jìn)而無(wú)法保證變速器內(nèi)的關(guān)鍵零部件始終保持在可靠位置，因此，在制造變速器殼體時(shí)，要保證殼體具有足夠的剛度，同時(shí)，也要提高殼體的加工質(zhì)量，從而確保軸和齒輪等關(guān)鍵部件的相對(duì)位置[19]。

變速器殼體的制造和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的制造均是采用鑄造生產(chǎn)的方式，這里主要介紹的是使用增材制造技術(shù)打印型芯的方法增材制造打印型芯的工藝，主要有2 種，分別是激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)和三維噴印技術(shù)（Three-Dimensional Printing,3DP），兩者均可以在無(wú)需開(kāi)模的情況下快速打印砂芯，并且打印出的砂芯比傳統(tǒng)鑄造工藝得到的砂芯尺寸精度更高一些，得到的鑄件在形位尺寸方面也較佳。兩者的工作原理大致一樣。激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)是利用激光使熔點(diǎn)較低的粉末顆粒融化充當(dāng)粘結(jié)劑，而三維噴印技術(shù)是直接將粘結(jié)劑噴涂在原砂上層層累加得到砂芯[20]。三維噴印技術(shù)原理如圖6 所示。從成本和生產(chǎn)速度兩方面對(duì)兩者進(jìn)行比較，三維噴印技術(shù)會(huì)比激光燒結(jié)技術(shù)更優(yōu)，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)講，三維噴印技術(shù)會(huì)比激光燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用得更加廣泛。

圖6 三維噴印技術(shù)原理Fig.6 Principle of three-dimensional printing

2.4 渦輪葉片

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中較為關(guān)鍵的熱端零部件，整機(jī)能否安全工作、能否高效推進(jìn)很大程度上取決于渦輪葉片的制造水平的高低和葉片型面的優(yōu)良。渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中較為重要的組成部分，因?yàn)樗墓ぷ鳝h(huán)境是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中較為嚴(yán)苛的。渦輪葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)要承受高速旋轉(zhuǎn)的離心力，同時(shí)還要承受氣流流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的作用力，承受的應(yīng)力具有變化幅度大和變化頻率高的特點(diǎn)。

渦輪葉片是典型的自由線型的薄壁件，就當(dāng)前的制造水平，主要有高溫鑄造和鍛造這兩種方式。就鍛造這一制造方式而言，經(jīng)過(guò)鍛造后的葉片毛坯在留有很多加工余量的同時(shí)，也要保證成品渦輪葉片的質(zhì)量誤差在±4 g 左右，最重要的一點(diǎn)是，要確保成品的重心沒(méi)有發(fā)生偏移，因此，要求后續(xù)對(duì)葉片毛坯進(jìn)行的銑、磨、切割、刨光等工序的設(shè)計(jì)尺寸要非常準(zhǔn)確，對(duì)控制定位誤差、尺寸精度方面都要進(jìn)行嚴(yán)格推敲，從毛坯的鍛造到后續(xù)繁瑣的制造過(guò)程都要求準(zhǔn)確，否則就會(huì)造成生產(chǎn)出的渦輪葉片精度低、質(zhì)量不穩(wěn)定以及廢品率高的問(wèn)題；而通過(guò)鑄造的方式生產(chǎn)渦輪葉片時(shí)，需要進(jìn)行蠟型壓制、制殼、燒結(jié)、澆注、脫芯等一系列機(jī)械加工和手工完成的工藝過(guò)程，生產(chǎn)制造周期較長(zhǎng)，精度也無(wú)法保證。

快速鑄造技術(shù)是將增材制造技術(shù)中的光固化成型技術(shù)（Stereo Lithography，SLA）和精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，突破了精密鑄造技術(shù)在模具制造上的短板，充分發(fā)揮了光固化成型技術(shù)加工精度高的優(yōu)勢(shì)[21-22]。快速鑄造技術(shù)用來(lái)制造形狀復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣的渦輪葉片是一種非常合適的手段，與傳統(tǒng)的鑄造成形相比，快速鑄造是利用光固化技術(shù)制作SLA 原型代替蠟?zāi)＿M(jìn)行掛砂、制殼，再利用高溫蒸汽使得高分子的SLA 原型受熱分解，然后高溫焙燒得到型殼。快速精密鑄造技術(shù)流程圖如圖7 所示。

圖7 渦輪葉片鑄造流程圖Fig.7 Flow chart of turbine blade casting

光固化技術(shù)具有表面精度、尺寸精度高和制造周期短的優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)鑄造工藝很難加工復(fù)雜零部件的困難。快速鑄造結(jié)合了光固化成形和鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)，為復(fù)雜零部件的鑄造生產(chǎn)提供了一個(gè)新的途徑，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)

增材制造技術(shù)具有縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低成本等一系列優(yōu)勢(shì)，獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和高度評(píng)價(jià)。客觀來(lái)說(shuō)，增材制造相較于傳統(tǒng)制造工藝而言仍舊是一種新興的制造方式，理論的研究和技術(shù)的成熟度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如切削、鍛造、鑄造等技術(shù)，甚至在一些方面還有未解決問(wèn)題，例如，使用激光選區(qū)熔融技術(shù)制造大尺寸結(jié)構(gòu)件時(shí)，會(huì)有嚴(yán)重的熱應(yīng)力等一些會(huì)造成構(gòu)件失效的因素。增材制造技術(shù)的理論研究、裝備設(shè)計(jì)以及成形材料創(chuàng)新仍舊任重道遠(yuǎn)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和資金投入，增材制造技術(shù)會(huì)取得全方位的發(fā)展。