事例 l 3DPテクノロジーは、重工業における大型で複雑な部品の鋳造の課題を解決します

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-30 09:46 に最後に編集されました。

一般的に、鋳造サイズが大きいほど、製造する必要がある砂中子の数も多くなります。大型鋳造用の砂型の製造に 3DP 技術を使用すると、砂中子の排出、砂中子の固定、外部チラーの設定と固定などの課題が生じます。それだけでなく、これらの砂型は通常、金属鋳造プロセス中の超高温、超厚くて広い断面、高圧支持、清潔さ、非破壊性の要件を満たす必要があります。次に、voxeljet と Yuchai の鋳造アプリケーションのいくつかの典型的なアプリケーション事例を組み合わせて、3DP テクノロジーが大規模コンポーネントの鋳造の課題にどのように対応できるかを確認します。

MANディーゼルエンジンシリンダーヘッド
3D プリント技術は、複雑さの課題に対応します。ディーゼルエンジンの鋳造では、砂型に対する要件が非常に高く、砂型の形状とサイズ、および形状間の相対的な位置を確保して、鋳造品の壁厚を均一にする必要があります。

ディーゼルエンジンの部品の 70% ～ 80% は鋳造です。MAN はディーゼルエンジンのシリンダーヘッド用の砂型を開発しました。この型は上部フレームと下部フレーム、および 19 個のコア部品で構成され、そのうち 7 個は幾何学的形状が異なります。砂型は 2 つの半分に分かれており、オーバーフローポート、ライザー、排気口も備えています。 MANは2週間以内に砂型を製造し、エンジンのシリンダーヘッドを鋳造したいと考えている。

エンジンのシリンダーヘッドの設計には多くの干渉部品が含まれていたため、MAN の要件を満たすことは大きな課題でした。 voxeljet が使用する印刷材料は、平均粒径が 190μm、印刷層の厚さが 0.4 mm の砂です。このようなシステムは 29 時間稼働し、完全な外寸が 1460×1483×719 mm の砂型 2 つを印刷しました。

輸送中に損傷が発生しないように、金型設計プロセス中にさまざまな輸送保護対策も講じられました。これらの保護部品は砂型と一緒に印刷されており、簡単に取り外すことができます。さらに、金型部品の安定性が優れているため、輸送プロセス全体で損傷が発生しないことも保証されます。その後、MAN ディーゼルエンジンシリンダーヘッドは、EN-GJS 400-15 鋳鉄を使用して 1360°C で鋳造されました。

さらに、中国はディーゼルエンジンの研究開発と試作にも3DP技術を応用し始めており、広西玉柴は一体型複合シリンダーヘッドの鋳造用の砂中子群を積極的に研究し、部品の複雑度が高い一体型複合シリンダーヘッドの鋳造に成功しました。一体型複合シリンダーヘッドの複雑さには、吸気ポートと排気ポート、インジェクター取り付け穴、シリンダーヘッド上部ウォータージャケット、シリンダーヘッド下部ウォータージャケット、シリンダーボア、シリンダーボアウォータージャケット、およびカムリフター穴が含まれます。 3Dプリントの役割は、シリンダーヘッド上部ウォータージャケット砂型、シリンダーヘッド下部ウォータージャケット砂型、吸気ダクト砂型、排気ダクト砂型の複合砂型を全て3Dプリントで出力することです。 Yuchai は、シリンダーヘッドウォータージャケットの吸気ダクトと排気ダクト、および吸気ダクトと排気ダクトシェルの複雑な形状が一致し、壁の厚さが均一であることを保証します。さらに、シリンダーヘッド上部ウォータージャケット、シリンダーヘッド下部ウォータージャケット、吸気ダクト、排気ダクトが一度に精密に成形されるため、鋳造工程で吸気ダクトと排気ダクトが浮き上がらないことが保証され、各エアダクトの位置の一貫性の問題が解決され、良好なエアダクトパラメータが確保されます。

オランダ、ナイハウスのポンプの羽根車
3Dプリント技術で砂型の型なし製造を実現

世界的に有名なポンプメーカーには、ITT、TACO、GORMAN-RUPP、オランダのNijhuisなどがあります。Nijhuisが重工業や水処理に使用しているポンプは非常に大型です。たとえば、Nijhuisのポンプとインペラの重量は800キログラムです。このような製品の設計反復プロセスには、高価な型開きコストと非常に長いサイクルが伴います。

大型のポンプ本体とインペラは、過酷な作業環境による大きな変動荷重に耐える必要があります。そのため、これらの大型部品は、優れた外観品質と高い寸法精度だけでなく、保証された内部品質と、特に耐腐食性と耐疲労性など、より優れた総合的な機械的特性を備えている必要があります。さらに、これらの部品には、多くの湾曲した流路、複数の渦室、複雑な構造、高い試験圧力、複雑な鋳造プロセスがあり、鋳造成形プロセスの制御が難しく、これらすべてが砂型の製造に課題をもたらします。

従来の試作では、図面から鋳造の完成まで数か月かかります。 voxeljet の 3D プリンターでは、CAD 設計が完了すると、その情報が電子メールで voxeljet の注文処理部門に送信されます。モデリング情報が確認され、印刷パラメータが設定されると、残りの砂型印刷作業は VX4000 デバイスによって行われます。

voxeljet は、金属鋳造用の砂型のオンデマンド製造において、VX4000 に大きな市場可能性があると考えています。特に、Nijhuis のような企業の場合、製品の位置付けは非常に特殊であり、勝つためにはテクノロジーに依存しています。高性能 VX4000 プリンターの造形体積は最大 4 x 2 x 1 メートルです。砂型のサイズは 852 x 852 x 428 mm、重量は 269 kg です。4 つのパーツに分けて印刷され、印刷には 13 時間かかります。

3D プリント機能のおかげで、ポンプメーカーは新製品をより早く開発し、在庫も削減することができます。複雑な形状でも、高い詳細精度で生成できます。鋳物の表面は滑らかで、気孔、砂穴、ひび割れなどの欠陥がないようにする必要があります。その後の鋳造工程では、voxeljet で印刷した砂型は鋳物にひび割れや収縮穴がなく、良好な性能を示しました。テスト中に漏れや発汗はありませんでした。

3D プリンターの砂型鋳造金型は、大型部品の設計反復に大きな利点をもたらします。納期の短縮から後処理作業の削減、さらには表面品質の向上まで、大型部品の鋳造は「高速、高品質、経済的な」モデルへと移行しています。

フランシス水車インペラの迅速な反復
複雑なインペララジアンの完全な製造

インペラ設計の反復では、それぞれの新しい幾何学的設計がタービンの動作性能に関係します。 3D プリント砂型技術によってもたらされた利便性のおかげで、鋳造所は新しく設計されたインペラモデルの CAD データを voxeljet に送信するだけで済みます。

設計モデルデータを受け取った後、voxeljet はそれをチェックし、データを処理して 3D 印刷装置に読み込みます。わずか数時間以内に、インペラの砂型が装置によって印刷されます。

印刷作業が完了したら、余分な砂を取り除き、砂型を圧縮空気で洗浄してから鋳造工場に輸送します。鋳造工場では、これらの砂型を黒く塗装し、組み立てられた砂型を1650℃の鋳造環境に送り、耐腐食性ステンレス鋼製のインペラを鋳造します。

このプロセスは主にインペラのプロトタイプの製造に使用されます。3D プリントされた砂型では、従来の方法を使用して高価な砂型を製造する必要がないため、コストを大幅に節約でき、新しい設計の反復で変更が必要になった場合でも、マウスをクリックするだけで新しい砂型を再び開始できるためです。

木型を作ってから砂型を作るという従来の方法とは異なり、3D プリントではデザインの自由度も高まります。従来の方法でインペラを製造する場合、インペラの設計が曲面であるため、干渉の問題を解決するために、インペラを複数の部品に分割して製造する必要がありました。しかし、3D プリントを使用すると、これらの複雑な設計を完全に製造できます。
これにより、鋳造精度が向上し、洗浄の必要性が減り、鋳造欠陥が減少します。高品質、低コスト、短納期により、鋳造所では砂型製造を完了するために 3D プリントを利用するケースが増えています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
中国の鋳造業界における最初の3Dプリント製品が正式に発売されました。ポンプインペラ製造の時間とコストの比較：従来の鋳造プロセスと3D Systems QuickCastプロセス

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