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WMEM|3D打印技術(shù)在軍工裝備零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用
WMEM|3D打印技術(shù)在軍工裝備零部件生產(chǎn)中的應(yīng)用
近幾年，3D打印技術(shù)不斷深入發(fā)展，其與傳統(tǒng)制造相融合，能夠在無模具生產(chǎn)情況下，保證鑄件質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本。
結(jié)合軍工企業(yè)較多科研研制、單件樣機(jī)、中小批量、多品種、打仗式生產(chǎn)等特點(diǎn)，迫切需要采用該技術(shù)解決傳統(tǒng)模具高價、低效的問題；迫切需要通過相關(guān)知識介紹和相關(guān)案例的展示，引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用。
以某廠科研和批量為例，介紹相應(yīng)的方法、質(zhì)量、成本、生產(chǎn)周期和應(yīng)用情況，驗證工業(yè)級3D打印、融合配套技術(shù)用于企業(yè)的科研和生產(chǎn)，可成為一種較理想的生產(chǎn)方式，對于后續(xù)探索和推廣應(yīng)用具有重要意義。
一直以來，存在著一些認(rèn)為3D打印成本高、不適合用于實(shí)際生產(chǎn)的誤解，在軍工企業(yè)這種情況更加嚴(yán)重。但隨著客戶招標(biāo)訂貨、交貨周期需求變化，以及單件樣機(jī)、小批量、多品種、打仗式生產(chǎn)在科研和生產(chǎn)中日益廣泛，采用傳統(tǒng)的先模具再生產(chǎn)零件的方式，從成本和生產(chǎn)周期方面很難滿足發(fā)展需要。
從2018年8月開始，筆者所在企業(yè)采用幾種工業(yè)級3D打印設(shè)備生產(chǎn)塑料和金屬零件，完成了300余種近10000件零件的研發(fā)和生產(chǎn)，3D技術(shù)發(fā)揮了較好作用。
1．工業(yè)級3D打印和融合配套技術(shù)
3D打印技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，從產(chǎn)品概念設(shè)計樣件到功能驗證零件，從外飾件到核心功能件，從單一零件到整體打印組裝，從打印塑料件到直接打印金屬零件。主要成型材料有ABS、PP、PC、石蠟、尼龍玻纖、橡膠、陶瓷、砂、鋁基合金、鐵基合金、鎳基、鈦合金等。
3D打印技術(shù)有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)光固化（SLA）、粘合劑噴射（3DP）等幾種主要方式，可針對不同材料和零件特征選用不同的打印方法。融合配套技術(shù)主要有硅溶膠熔模精密鑄造、石膏型真空增壓鑄造、電磁低壓鑄造、砂型差壓鑄造等。
采用SLS技術(shù)配合硅溶膠熔模精密鑄造生產(chǎn)鑄鋼、鑄鐵、鑄鈦、鑄銅等合金，生產(chǎn)周期為10-15天，尺寸精密優(yōu)于CT7，光表面粗糙度Ra6.3μm；SLS技術(shù)配合石膏型真空增壓鑄造生產(chǎn)薄壁鋁合金、大型鋁合金鑄件，優(yōu)點(diǎn)在于造形制殼簡單，生產(chǎn)周期為7-12天，尺寸精密優(yōu)于CT7，光表面粗糙度Ra5.0μm；3DP技術(shù)配合電磁低壓鑄造、砂型差壓鑄造生產(chǎn)復(fù)雜內(nèi)腔鑄件，生產(chǎn)周期為3-5天，尺寸精密優(yōu)于CT12，光表面粗糙度Ra12.5μm。
3D打印和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)融合配套，解決了無模具快速鑄造問題，降低了3D打印制造金屬類零件成本。
2．3D打印技術(shù)在軍用裝備零部件生產(chǎn)方面的應(yīng)用
在科研階段，3D打印技術(shù)主要用于產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計驗證、功能驗證、樣機(jī)模型制作、樣機(jī)生產(chǎn)。采用不同3D打印方法快速生產(chǎn)塑料和金屬部件，滿足科研階段不同需要。
在設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)評估時，產(chǎn)品的相對比例、顏色搭配等是否合理，往往在電腦顯示中無法很好體現(xiàn)，通過3D打印SLA技術(shù)按照要求比例打印出較高強(qiáng)度的塑料（整個打印過程僅需要幾個小時或1-2個工作日），再通過噴漆和烤漆等上色手段，裝配各部件，最后得到可拆裝的產(chǎn)品設(shè)計模型（如圖）。
在功能驗證、招標(biāo)樣機(jī)生產(chǎn)時，傳統(tǒng)開模具生產(chǎn)各零部件的方法，制作成本和時間成本往往很大，浪費(fèi)也比較大。采用3D打印SLS、SLA、SLM和3DP技術(shù)進(jìn)行直接或間接生產(chǎn)樣機(jī)的塑料件和金屬件，將零部件的提供時間縮短為10-15個工作日。采用這種工藝方法使得該廠新研某型招標(biāo)樣機(jī)順利生產(chǎn)和交付，整個零件生產(chǎn)和整機(jī)裝配僅用60天，大部分零件在只有二維零件加工圖的情況下，20天內(nèi)提供合格鑄件毛坯。
某些采用3D打印的成本遠(yuǎn)低于模具成本。經(jīng)鑄件成本核算得知：中大型、中等復(fù)雜鑄件毛坯需求在30件內(nèi)，3D打印費(fèi)用與模具費(fèi)用相當(dāng)；小型、復(fù)雜鑄件毛坯需求在50-100件，3D打印費(fèi)用與模具費(fèi)用相當(dāng)，但生產(chǎn)時間與大小和復(fù)雜程度關(guān)系不大，生產(chǎn)時間均為10-20個作日。結(jié)合某些軍品生產(chǎn)特點(diǎn)，采用3D打印方式，優(yōu)勢明顯。
該廠對所生產(chǎn)的300余種近10000件零件進(jìn)行了生產(chǎn)驗證，通過外形尺寸、化學(xué)成分、機(jī)械性能、CT缺陷等檢測，整機(jī)裝配并通過整機(jī)實(shí)際驗證。
在批生產(chǎn)階段，3D打印技術(shù)主要用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件、中小批量、模具成本高零部件、模具開發(fā)前期和復(fù)雜內(nèi)腔等生產(chǎn)情況。結(jié)合軍品生產(chǎn)特點(diǎn)，3D打印技術(shù)在批生產(chǎn)階段，優(yōu)勢也十分明顯。用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件和模具成本高零部件生產(chǎn)，成本和時間優(yōu)勢更為明顯。
在模具開發(fā)前期，由于材料收縮、變形、成型工藝合理性等情況的不可預(yù)見性，模具開發(fā)往往需要幾次的尺寸調(diào)整，增加了模具的開發(fā)成本，生產(chǎn)周期很難確定。采用3D打印技術(shù)將模具生產(chǎn)的蠟?zāi)！⑸靶偷却蛴〕鰜恚冗M(jìn)行成型性試驗，通過試驗確定最佳的模具尺寸、反變形量、合理成型工藝等，這種方式既保證了前期小批零件的供給，又大大降低模具開發(fā)成本和縮短模具開發(fā)周期。模具開發(fā)時間將控制在30個工作日內(nèi)，首批零件20天內(nèi)提供，大批量在45個工作日內(nèi)提供。本體為變形和成型工藝無法預(yù)見的典型案例，本體SLS打印蠟?zāi)：凸枞苣z精密鑄件毛坯如下圖所示。
在復(fù)雜內(nèi)腔零件生產(chǎn)過程中，內(nèi)腔往往是通過組芯形成，組芯都是人為完成，精度較差，通過3DP進(jìn)行整體打印，解決了模具整體無法出芯的問題，同時拓寬了研發(fā)設(shè)計人員思路，增加了復(fù)雜內(nèi)腔零件生產(chǎn)能力。
3．結(jié)論
工業(yè)級3D打印、融合配套技術(shù)用于軍工企業(yè)的科研和批生產(chǎn)，無疑是一種較好的生產(chǎn)方式，它解決了制造周期長、模具成本高、加工量大、補(bǔ)焊、尺寸不穩(wěn)定、內(nèi)部缺陷多、反修次數(shù)多等現(xiàn)有制造問題，在新產(chǎn)品開發(fā)，單件、小批量/復(fù)雜零部件生產(chǎn)方面優(yōu)勢明顯。
工業(yè)級3D打印、融合配套技術(shù)的使用，改變了純模具生產(chǎn)模式，打破了產(chǎn)品設(shè)計人員圍繞“先制造再功能”的老舊設(shè)計思維，樹立圍繞“先功能再制造”的嶄新開發(fā)模式。
工業(yè)級3D打印、融合配套技術(shù)有利于充分發(fā)揮設(shè)計人員的想象力，有利于結(jié)構(gòu)合理化、功能結(jié)構(gòu)一體化和輕量化的發(fā)展，有利于產(chǎn)品的快速研發(fā)和生產(chǎn)。
工業(yè)級3D打印、融合配套技術(shù)在以兵器為代表的軍工企業(yè)進(jìn)行探索和推廣應(yīng)用，具有十分重要的意義。
（來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2019年第6期 作者：馬寧 田冬梅 湖北江山重工有限責(zé)任公司；徐宏 宋彬 中國兵器工業(yè)增材制造應(yīng)用創(chuàng)新中心 責(zé)編：梅峰）
