【WMEM】3D打印技术在军工装备零部件生产中的应用
2020-6-3 来源：-- 作者：-
近几年，3D打印技术不断深入发展，其与传统制造相融合，能够在无模具生产情况下，保证铸件质量、缩短生产周期和降低生产成本。
结合军工企业较多科研研制、单件样机、中小批量、多品种、打仗式生产等特点，迫切需要采用该技术解决传统模具高价、低效的问题；迫切需要通过相关知识介绍和相关案例的展示，引导企业进行相关应用。
以某厂科研和批量为例，介绍相应的方法、质量、成本、生产周期和应用情况，验证工业级3D打印、融合配套技术用于企业的科研和生产，可成为一种较理想的生产方式，对于后续探索和推广应用具有重要意义。
一直以来，存在着一些认为3D打印成本高、不适合用于实际生产的误解，在军工企业这种情况更加严重。但随着客户招标订货、交货周期需求变化，以及单件样机、小批量、多品种、打仗式生产在科研和生产中日益广泛，采用传统的先模具再生产零件的方式，从成本和生产周期方面很难满足发展需要。
从2018年8月开始，笔者所在企业采用几种工业级3D打印设备生产塑料和金属零件，完成了300余种近10000件零件的研发和生产，3D技术发挥了较好作用。
1．工业级3D打印和融合配套技术
3D打印技术已在工业造型、机械制造等诸多领域得到了广泛应用，从产品概念设计样件到功能验证零件，从外饰件到核心功能件，从单一零件到整体打印组装，从打印塑料件到直接打印金属零件。主要成型材料有ABS、PP、PC、石蜡、尼龙玻纤、橡胶、陶瓷、砂、铝基合金、铁基合金、镍基、钛合金等。
3D打印技术有选择性激光烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、激光选区光固化（SLA）、粘合剂喷射（3DP）等几种主要方式，可针对不同材料和零件特征选用不同的打印方法。融合配套技术主要有硅溶胶熔模精密铸造、石膏型真空增压铸造、电磁低压铸造、砂型差压铸造等。
采用SLS技术配合硅溶胶熔模精密铸造生产铸钢、铸铁、铸钛、铸铜等合金，生产周期为10-15天，尺寸精密优于CT7，光表面粗糙度Ra6.3μm；SLS技术配合石膏型真空增压铸造生产薄壁铝合金、大型铝合金铸件，优点在于造形制壳简单，生产周期为7-12天，尺寸精密优于CT7，光表面粗糙度Ra5.0μm；3DP技术配合电磁低压铸造、砂型差压铸造生产复杂内腔铸件，生产周期为3-5天，尺寸精密优于CT12，光表面粗糙度Ra12.5μm。
3D打印和传统铸造技术融合配套，解决了无模具快速铸造问题，降低了3D打印制造金属类零件成本。
2．3D打印技术在军用装备零部件生产方面的应用
在科研阶段，3D打印技术主要用于产品设计、设计验证、功能验证、样机模型制作、样机生产。采用不同3D打印方法快速生产塑料和金属部件，满足科研阶段不同需要。
在设计产品结构和结构评估时，产品的相对比例、颜色搭配等是否合理，往往在电脑显示中无法很好体现，通过3D打印SLA技术按照要求比例打印出较高强度的塑料（整个打印过程仅需要几个小时或1-2个工作日），再通过喷漆和烤漆等上色手段，装配各部件，最后得到可拆装的产品设计模型（如图）。
在功能验证、招标样机生产时，传统开模具生产各零部件的方法，制作成本和时间成本往往很大，浪费也比较大。采用3D打印SLS、SLA、SLM和3DP技术进行直接或间接生产样机的塑料件和金属件，将零部件的提供时间缩短为10-15个工作日。采用这种工艺方法使得该厂新研某型招标样机顺利生产和交付，整个零件生产和整机装配仅用60天，大部分零件在只有二维零件加工图的情况下，20天内提供合格铸件毛坯。
某些采用3D打印的成本远低于模具成本。经铸件成本核算得知：中大型、中等复杂铸件毛坯需求在30件内，3D打印费用与模具费用相当；小型、复杂铸件毛坯需求在50-100件，3D打印费用与模具费用相当，但生产时间与大小和复杂程度关系不大，生产时间均为10-20个作日。结合某些军品生产特点，采用3D打印方式，优势明显。
该厂对所生产的300余种近10000件零件进行了生产验证，通过外形尺寸、化学成分、机械性能、CT缺陷等检测，整机装配并通过整机实际验证。
在批生产阶段，3D打印技术主要用于复杂结构零部件、中小批量、模具成本高零部件、模具开发前期和复杂内腔等生产情况。结合军品生产特点，3D打印技术在批生产阶段，优势也十分明显。用于复杂结构零部件和模具成本高零部件生产，成本和时间优势更为明显。
在模具开发前期，由于材料收缩、变形、成型工艺合理性等情况的不可预见性，模具开发往往需要几次的尺寸调整，增加了模具的开发成本，生产周期很难确定。采用3D打印技术将模具生产的蜡模、砂型等打印出来，先进行成型性试验，通过试验确定最佳的模具尺寸、反变形量、合理成型工艺等，这种方式既保证了前期小批零件的供给，又大大降低模具开发成本和缩短模具开发周期。模具开发时间将控制在30个工作日内，首批零件20天内提供，大批量在45个工作日内提供。本体为变形和成型工艺无法预见的典型案例，本体SLS打印蜡模和硅溶胶精密铸件毛坯如下图所示。
在复杂内腔零件生产过程中，内腔往往是通过组芯形成，组芯都是人为完成，精度较差，通过3DP进行整体打印，解决了模具整体无法出芯的问题，同时拓宽了研发设计人员思路，增加了复杂内腔零件生产能力。
3．结论
工业级3D打印、融合配套技术用于军工企业的科研和批生产，无疑是一种较好的生产方式，它解决了制造周期长、模具成本高、加工量大、补焊、尺寸不稳定、内部缺陷多、反修次数多等现有制造问题，在新产品开发，单件、小批量/复杂零部件生产方面优势明显。
工业级3D打印、融合配套技术的使用，改变了纯模具生产模式，打破了产品设计人员围绕“先制造再功能”的老旧设计思维，树立围绕“先功能再制造”的崭新开发模式。
工业级3D打印、融合配套技术有利于充分发挥设计人员的想象力，有利于结构合理化、功能结构一体化和轻量化的发展，有利于产品的快速研发和生产。
工业级3D打印、融合配套技术在以兵器为代表的军工企业进行探索和推广应用，具有十分重要的意义。
（来源：《世界制造技术与装备市场（WMEM）》杂志2019年第6期 作者：马宁 田冬梅 湖北江山重工有限责任公司；徐宏 宋彬 中国兵器工业增材制造应用创新中心 责编：梅峰）
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