深度：激光烧结快速成型技术在泵制造中的应用

来源：上海东方泵业

导读：在现代市场经济全球一体化背景下的今天，企业要在竞争日益激烈的市场经济中掌握先机，占据有利地位，需要有技术和产品上的创新，把握并引导市场的发展方向。与此同时，对于市场的需求，企业需要做出快速的响应。而目前大多数水泵企业都是用传统的方法来开发新产品，产品研发的周期比较长，更难以实现小批量、多品种、改型快的要求。

激光烧结快速自动成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD 模型快速生产样件或零件的成组技术总称。它集中了计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，是先进制造技术的重要组成部分。随着越来越多的水泵企业引进快速成型系统，在降低新产品开发和生产成本、缩短研发周期、提高市场快速响应能力等方面起到了积极的作用，从而保持了强大的市场竞争力。

一、HRPS-IV 快速成型系统在泵制造中的工艺技术
1.1系统原理
我公司选用的是华中科技大学武汉滨湖机电技术产业有限公司生产的HRPS-IV快速成型系统。该设备采用激光烧结快速自动成型技术，其基本工作原理是离散与堆积，在使用该技术时，设计者首先借助现有的主流三维设计软件或者通过逆向工程所采集的几何数据，建立一个产品的三维模型，这是完成快速成型制造的一项基本条件。然后导出相应的STL 文件格式输入快速成型机当中，再从STL 文件“切”出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD 文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来便是所设计零件的原型件。部件完成后，再经过必要的后续处理，使完成的部件在性能、形状尺寸、外观等方面达到设计要求。应用激光烧结快速自动成型技术来进行产品制造，可以忽略产品部件的外形复杂程度(这也是与传统机械加工方式制造产品的最大区别之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度可达±0.2mm 200mm。如图1所示，整个成型过程是在成型活塞筒内完成，在成型活塞筒的两侧各有一个供粉活塞筒。成型步骤如下：

图1 HRPS-IV 设备原理和外观

HRPS-IV设备使用的材料（PS）是一种粉末状的高分子材料，粉粒直径为50-125靘。零件制作时，首先供粉活塞上移一定量，铺粉滚轮将粉末均匀地铺在加工平面上。激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束以一定的速度和能量密度在加工平面上扫描。激光器的开与关以及扫描器的角度是与待成型的零件的片层的第一层信息相关。激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的片层，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样零件的第一层就制造出来了。这时，成型活塞下移一定距离，这个距离等于待成型零件的切片厚度，而供粉活塞上移一定量（上移的量与模型的切出的片层厚度有关，一般是略大于片层厚度）。铺粉滚轮再次将粉末铺平后，激光束依照零件的片层的第二层信息加工。激光扫过之后，所形成的第二个片层也烧结在第一层上，如此反复，一个三维实体就叠加制造出来了。

在上述原型件的制作过程中，有几项设置参数可以帮助说明。首先，因为零件是在高温下烧结成型的，成型以后回到常温下，零件都有一个收缩。因此，为了抵消这种收缩，需要进行模型放大补偿，一般沿Z 向放大1.005倍。另外，切片处理参数的设置，HRPS-IV快速成型系统的层厚设置根据精度要求，一般为0.2mm。该系统所用的刀具指的是激光束，在烧结零件外轮廓时，激光束成型的并不是理论上的一条线，因此需要进行刀具补偿，该补偿为0.15mm。零件进行切片处理，扫描参数一般选择扫描线宽为0.15mm，即激光束扫描轨迹之间的间隔。扫描线宽太大，不容易烧结成型，扫描线宽太小，容易导致烧结区温度过高。

1.2 泵零件制作的工艺过程
如图2 所示为叶轮制作的简要工艺过程说明，叶轮是泵中的核心部件，我们可以应用激光烧结快速成型技术制作浸树脂件，然后进行产品的装配和性能测试；也可以制作蜡模，继而获得金属铸造件。我公司先使用Pro-Engineer 进行三维造型，将其转换成STL 文件格式，导入快速成型设备。设置系统的零件制作参数，进行原型件的制作。待做完的零件冷却后，从工作缸中取出，用工具小心清除未烧结的粉末，然后用压缩空气把原型件表面的浮尘吹干净。接下来的后处理工艺分为浸树脂件和蜡模的制作两种情况，在这里首先阐明浸树脂件的制作工艺。在原型件的表面用刷子反复涂抹树脂，使零件完全浸透，并用吸水纸将零件表面多余的树脂吸干，然后放入60℃的烘箱中烘干。我们再看一下蜡模的后处理工艺，将预热均匀的原型件放入65℃的蜡池中，待无气泡溢出后，把蜡模取出，静置，使多余蜡析出。然后放入30℃的烘箱中缓慢冷却，再放置空气中冷却至室温，最后精整处理就能得到表面光滑的蜡模。

上述是零件制作和后处理工艺的简要说明，接下来我们结合激光烧结快速成型技术的实践积累就泵件制作在几方面重点剖析。

1.2.1 大型泵零件制作的工艺要求
对于激光烧结快速自动成型技术来说，其加工工艺、参数设置随着成型件结构尺寸而呈现不同的变化。RPS-IV成型机的最大成型空间500×500×400（长×宽×高，单位：mm），需要制作的原型一般应小于这个尺寸。如图3所示为一双吸泵叶轮，其直径为φ760mm，无法在成型机中一次性烧结制作。在这里我们将其剖分成四块，然后逐一烧结。成型蜡模制好后，再按工艺要求进行整体组合、粘接，其粘合强度足以满足制壳的强度需求。在这里我们特别说明是，在激光烧结成型时遇到象这样的大件，采取提高成型质量的措施就显得尤为重要了。在激光烧结过程中，未烧结的松散的粉末对成型件起到了自然支架的作用。对这些松散的粉末进行加热处理可以使之粘结，加热温度越高其板结程度越高，其对零件的支撑作用就越显著，可以更好地防止零件（蜡模）变形；但是要注意，加热温度越高，未烧结粉末越板结，随后的清理就越困难了。另外，在成型缸上部装有加热器，并由温控表控制粉末表面温度，加热的作用是减小成型过程中的变形、节省激光能量。对于PS粉末，其加工时的粉末表面温度设定为98～102℃。为了防止零件变形，一般成型件底部的温度要高于此值20℃，也就是120℃左右。具体办法是当红外测温仪测得成型缸表面的粉末温度达到120℃时就可以进行烧结，然后在前25 层烧结成型过程中，逐渐降低加热温度的值，也就是逐渐降低加热器的功率。目的是使成型缸粉末的表面温度恒定在98～120℃成型所需的温度范围内。因为刚开始激光器烧结粉末，在成型缸内热积累较少，因此加热器需要大功率加热。经过一定层数的激光烧结以后，成型缸内具备了一定的热积累，因此加热器功率减小，这样可以保证成型件上下成型时的温度恒定，有利于防止底部热变形，提高成型质量。

图3 大尺寸零件，剖分成几块烧结

1.2.2 浸树脂零件制作的工艺要求　
制作的浸树脂零件可以用于普通功能件，在HRPS-IV快速成型系统中由PS粉末直接成型的零件强度低、韧性差，容易遭破坏。通过后处理工艺过程的清粉、浸胶（浸入树脂）、烘干、抛光后方能应用于产品装配、干涉检验、性能测试，从而验证设计零件的结构合理性、制造工艺的可行性。但是浸树脂零件有一定的适用范围，根据我们长期的实践积累，如果成型制作的浸树脂零件用于性能测试，只适用于如图4 所示左侧的叶轮，其直径小于315mm，出口流道宽度控制在15mm以内。而承压件，如图示右侧的泵体如若用于性能试验，就不能够进行浸树脂零件制作了。

1.2.3 蜡模制作的工艺要求
激光烧结快速成型技术制作的蜡模，可以应用于金属精密铸造。具体方法是制出蜡模原型后，首先要把附在原型上未烧结的粉末清理干净，然后放入65℃的蜡池中，浸透，待无气泡溢出后把蜡模取出置，使多余蜡析出。待蜡模冷却至室温，再进行精整处理后就能得到表面光滑的蜡模。在HRPS-IV快速型系统中制作蜡模要控制其尺寸，根据合金收缩率、模壳膨胀系数、工艺方案调整蜡模X、Y、Z 方向上的线收缩率，给予模型放大补偿。这样即可得到理想尺寸的蜡模，继而获得铸件。在这里，我们是用PS粉末作为成型材料做消失模，根据模具铸造材料的不同选择不同的缩放比例，如果消失模是用来铸造铝件，那么要CAD 模型整体放大1%；如果消失模是用来铸造钢件，那么要给CAD 模型整体放大2%。在实际制作工艺过程中，通过对铸件尺寸的测定反过来可再次对蜡模尺寸进行协调，最终获得合格的蜡模和铸件。例如图4 所示的叶轮，按最初的工艺方案生产，设定其综合收缩率为2％，经过对铸件的实际测量，其综合收缩率变为2.7％，只需要在系统中对模型的放缩进行调整即可校正蜡模尺寸。如果采用压型生产，该收缩率的调整将可能导致其报废，除造成成本大幅提高，其生产周期至少耽误半年以上。另外，对于铸件生产过程中存在阻碍收缩等非自由收缩情况，导致铸件非线性收缩严重，继而影响到铸件尺寸精度时，我们可以在使用Pro_Engineer进行三维造型时考虑，直接根据其收缩关系绘出实际使用的蜡模尺寸，最终获得合格的铸件。

1.3 HRPS-IV 快速成型系统提升泵制造技术
制造快速：激光烧结快速成型技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新产品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小、异形的产品尤其适用。

CAD/CAM 技术的集成设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM 完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。
完全再现三维数据：经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要借助外部设备进行修复。　　

创造显著的经济效益：与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10 倍以上。同时，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使得在新产品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。[9,10]

二、HRPS-IV 快速成型系统与传统精密铸造技术的组合应用　
快速成型与传统精密铸造技术相结合，产生了快速铸造。快速成型技术在熔模精密铸造中的应用可以分为三种：一是消失成型件（模）过程，用于小量件生产；二是直接型壳法，也用于小量件生产；三是快速蜡模模具制造，用于大批量生产。目前在我公司，激光烧结快速成型技术主要是与现有的精密铸造工艺相结合，生产用于熔模铸造的蜡模。

对精铸工艺而言，蜡模用于后续工序的有蜡模组合、涂料、脱蜡。

2.1 模组组合　
激光成型蜡模制好后，需要按工艺要求进行浇冒口组合。根据我们的经验，使用车间现有的中温蜡料即可对激光成型蜡模进行修补、组合、粘接，两者的粘合强度足以满足制壳的强度需求。因此，根据成本、机加、生产周期考虑，浇冒口一般选用车间现有浇注系统。由于浇冒口形状简单，即使车间浇注系统不合适，加工其压型也很方便、快捷。

2.2 模组涂料制壳
经过试验，快速成型蜡模的涂挂性很好，完全可以利用原有工艺进行涂料配制，模组涂挂制壳，面层硅溶胶+锆英粉涂料，加强层硅酸乙酯+煤矸石涂料。

2.3 脱蜡　
由于快速成型蜡模的熔化温度高，不能使用蒸气脱蜡工艺。为此设计了专用工艺，首先利用车间现有的坭芯烘烤炉脱去模组中的中温蜡料制作的浇冒口，然后将模壳装入一自制的简易工装，放入井式电阻炉，在开放的环境中对其进行烘烤，脱掉快速成型蜡模。通过脱蜡后的目视检查，同时参考浇注后的铸件表面质量，发现脱模（烘烤）后快速成型蜡模基本能够挥发干净，其残留物对最终铸件没有影响。

2.4 模壳焙烧、浇注、铸件清理
模壳焙烧、浇注、铸件清理和原精铸工序相同。我公司在引进快速成型技术前，采用传统精铸工艺生产。对于新产品的研制，生产周期相当长，其中压型的设计及生产又占据了较长的时间。例如图4所示的泵体，如果采用设计压型进行生产，其模具的设计、生产周期约需2～3个月，模具投入生产得到铸件还需半个月的时间。而快速成型设备恰好具备这方面的优势，3天内可以得到零件蜡模样件，再花半个月即可得到铸件。

三、结束语　
我公司通过引进HRPS-IV快速成型系统，建立了为企业服务的快速成型服务平台，有力地推动了新产品研发工作。新研发的水泵叶轮、蜗壳等，利用快速成型平台将设计结果直接转化为零部件，并进行多方案比较，从中选优，最大可能地提高水泵性能、减少造价，降低了模具制造风险，缩短了新产品开发周期。模型或样件可直接用于新产品的设计验证、功能验证、外形验证、工程分析、市场订货等，非常有利于优化产品设计，从而大大提高新产品研发的一次成功率。

快速自动成型技术与铸造车间现有的精密铸造工艺相结合，对一些任务紧、时间急的单件小批量熔模密铸件的生产，相比传统的精密铸件生产周期减少60%。同时对于单件、小批量熔模精密铸件的生产可以不用模具，从而节省大量模具加工费用，大大缩短生产周期，而且也使铸造车间精密铸造水平有所提高。

近年来，在国家科学技术部的支持下，我国快速自动成型技术的发展走上了专业化、市场化的轨道。自主研发应用于快速成型的材料也逐步趋于完善，我国已初步形成了快速成型设备和材料的制造体系。随着市场竞争的日趋激烈，快速成形技术作为一种具有广泛应用前景并且正在不断完善的高新技术，将会被越来越多的企业所采用，为我国制造型企业的发展起到有力的支撑作用，给企业带来直接的巨大经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展。因此大力推行发展我国快速成型技术，建立创新技术自我知识产权，对提升我国企业的民族品牌效应，矗立世界行业之巅必将打下坚实的基础。