3D打印和砂型铸造如何影响现代零部件生产

英国铸造厂Boro Foundry Ltd.使用3D打印的砂模来生产备件。对于一个历史悠久的蒸汽机车,Boro根据20世纪50年代的原始工程图纸制造了一个新的过热器头。通过使用3D砂型打印,铸造厂能够比传统制造节省2/3的成本,并将模具包的组装时间从超过14小时减少到仅3.5小时。像这样的项目令人印象深刻地展示了增材制造为备件生产提供的优势–在经济上和建设性方面。

蒸汽机是工业化的第一个重要里程碑。然而,在这方面,蒸汽机车至少具有同样的象征意义。第一次有可能在不使用马匹的情况下长距离运输人员和货物。今天,这些曾经的工业化推动者中的许多人仍在英国工作,不时出现在国家的主干线上,也经常在私人遗产铁路上使用。

过时的、昂贵的和低效的

位于英国的Tyseley机车厂是一家专门修复和维护历史蒸汽机车的中心。2022年初,华威大学的WMG小组建议Tyseley机车厂考虑使用印刷模具,因此委托Boro铸造厂为他们的一台蒸汽机车制造一个新的过热器头。Sam Edwards是Boro铸造厂的销售和业务发展总监,并在铸造厂方面领导该项目。

过热器在蒸汽机车的运行中起着关键作用。它们用于加热从锅炉输送到汽缸的蒸汽,使其温度远远高于蒸汽的饱和温度。

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

在这种情况下,锅炉产生的蒸汽温度为202°C,而过热器可以将温度提高到340°C,从而增加了蒸汽中的能量(热焓),可以有效的提高发动机气缸内的功。此外,过热可以最大限度地减少蒸汽在汽缸中膨胀时发生的冷凝现象,从而减少因冷凝水过多而造成的损失。

"精度和质量显然是这个项目的重点;毕竟,旧的部件完美地工作了几十年,直到它不再适合使用。" Edwards说。"然而,尽管过热器在机车行业已经使用了几十年,但原来的制造工艺已经过时,成本高,效率低"。

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

3D打印确定了方向

这是因为原件上有许多孔(共56个),蒸汽在运行过程中要通过这些孔。这些孔使铸造过程大大复杂化。最大的挑战是芯子,它被插入模具中,将空腔或孔洞整合到铸件中。最初,芯子是由夹子、螺栓和使用芯子塞来支撑的,以便在铸造过程中保持其静态位置。然而,在铸造过程中,芯子移动的风险和可能性是很大的。不均匀的厚壁和薄壁部分以及额外的下游加工将是结果。对原始部件的检查得出结论,这可能是局部变薄的原因,导致原始集管被停止使用。

"传统制造的模具包的报价,包括图案制作,将收取高达34,000英镑。除此之外,我们估计组装模具需要大约14个小时,"Edwards说。"所有这些,再加上零件最终会有缺陷的风险,或者在最坏的情况下,完全无法使用,促使我们寻找替代的制造解决方案。我们在voxeljet的3D沙盘打印中找到了它"。Ed-wards解释说。

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

面向未来,具有成本效益和创新性

原来的设计图纸已经没有了,所以不得不由Tyseley的工程师Bob Manley重新绘制。然后由斯塔福德路设计公司的Elliot Powick将该图纸转换成3D模型,并对3D打印进行了优化。Boro铸造厂与工程公司Cerve Ltd.一起开发了一套模具,其中只包括三个模具部件和一个模芯。这些模具是在慕尼黑附近的voxeljet按需打印中心生产的。

为此而采用的技术是粘结剂喷射3D打印技术。与大多数增材制造工艺一样,Binder Jetting也是基于数字CAD文件。这些文件被打印软件切割成薄如蝉翼的层,每层代表物体的一个横截面。然后打印过程开始。重涂机在一个建筑平台上涂抹一层微米级的待打印粉末材料,在这种情况下是硅砂(平均粒径:140微米)。然后,打印头在构建区域上移动,有选择地将粘合剂涂在代表待打印物体横截面的区域上。现在,构建平台下降了整整一层厚度,再涂抹器又涂抹了一层新的沙子,打印头又选择性地将其粘合。这些过程步骤不断重复,直到物体被完全打印出来,可以从盒子里拆开。

"爱德华兹总结说:"一个具有真正附加值的特别令人高兴的结果是,所有的56号井都是自由的,消除了后续钻孔的需要,最终再次节省了时间和金钱。"创新是这里成功的关键。三维建模、铸造模拟和三维沙盘打印的使用大大改善了整体质量、时间和成本。通过应用这些新技术,我们取得了压倒性的成功。当涉及到制造像这个过热器集管这样的项目时,这为更好的未来铺平了道路,并提供了进展到更大和更复杂的此类应用的铸件的前景。"

Sam Edwards, Director Sales and Business Development ManagerBoro Foundry

由于采用了3D砂打印技术,Boro能够将模具的组装时间减少到3.5小时,总成本仅有传统模具和图案制作报价的三分之一多。

与原始零件不同,Boro还决定打印包括零件底部的56个孔的模具。虽然3D打印的模具也有因铸造压力而导致芯子断裂和浮起的风险,但Boro通过将螺栓连接的凹槽直接整合到CAD文件和打印的模具中,从而能够使用螺栓将芯子和模具固定在一起。

在实际浇注之前,Boro模拟了浇注过程,以设计一个闸门系统,减少浇注压力和相关的岩心侵蚀或移动的风险。此外,模拟有助于预测铸造过程中的气体涌动,并减少气体夹带的风险。Boro随后在大约1330℃的温度下铸造了大约550公斤的铁水。Tyseley机车厂的新过热器尺寸为1300mm x 600mm x 400mm,重量为406公斤。

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