光固化3D打印复杂零件快速铸造技术

本书是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的“3D打印前沿技术丛书”中的一本。丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，多名3D打印领域专家共同研讨策划。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者在光固化3D打印快速铸造领域有着多年研究，总结分析了光固化3D打印快速铸造技术，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。 

D打印技术能将复杂三维形状快速转化为实物，与传统铸造结合形成快速铸造技术。3D打印技术经过二十多年的发展，已形成快速砂铸、快速精铸、快速石膏型铸造和快速陶瓷型铸造，成为复杂零件快速制造的重要支撑技术。在本书中，作者结合十五年来在“十五”国家重点科技攻关计划项目、863计划项目、高档数控机床与基础制造装备重大专项课题、陕西省工业攻关项目中，自己完成一百多个复杂铸件的科研经验，围绕“缩短开发周期、降低开发成本、保证工作性能”的目标，主要介绍了光固化技术在车用变速箱、航空活塞发动机、涡轮壳体、机匣等零件快速开发中的应用。通过解决不同快速铸造工艺中铝合金、不锈钢、高温合金、钛合金材料的成形控性问题，揭示了快速铸造技术的内涵。本书可供光固化成形技术、3D打印设备开发、应用的研究者、工程技术人员，以及相关专业的研究生参考，亦可作为从事新产品开发、复杂零件设计制造、铸造行业的相关工程技术人员的参考书。

目录

 

 

第1章绪论(1)

 

1.1概述(1)

 

1.2快速成形技术与应用现状(3)

 

1.2.1快速成形原理(3)

 

1.2.2典型工艺(5)

 

1.2.3产业痛点与技术应用(7)

 

1.2.4非金属材料制模工艺(9)

 

1.3复杂零件制造技术现状(10)

 

1.3.1复杂零件制造的基本方法(10)

 

1.3.2铸造技术的进展(11)

 

1.3.3凝固仿真原理与应用进展(15)

 

1.4科研问题与研究内容(16)

 

1.4.1科研问题识别(16)

 

1.4.2研究内容(19)

 

1.4.3书中叙述约定(22)

 

小结(22)

 

参考文献(23)

 

第2章快速铸造技术基础(27)

 

2.1快速铸造的基本问题(27)

 

2.1.1复杂铸型制造面临的问题(27)

 

2.1.2铸型材料转换问题(28)

 

2.1.3复杂零件快速铸造品质分析与控制(30)

 

2.1.4技术有效性评价(32)

 

2.2光固化技术原理(33)

 

2.2.1光固化成形机理与增材方式(33)

 

2.2.2面曝光固化成形技术研究现状(36)

 

2.2.3光固化成形技术的发展(42)

 

2.3快速铸造精度分析(43)

 

2.3.1影响原型精度的因素(43)

 

2.3.2影响铸型精度的因素(45)

 

2.3.3影响复杂铸件精度的因素(45)

 

2.4细化变质技术(46)

 

2.4.1细化变质原理(46)

 

2.4.2变质对组织的影响(47)

 

2.4.3变质对韧度、高温耐磨性的影响(49)

 

2.5空心叶片定向凝固技术基础(50)

 

2.5.1真空电磁悬浮熔炼原理(50)

 

2.5.2磁悬浮熔炼技术应用(54)

 

2.5.3选晶器的设计与制造(56)

 

2.6光固化铸造常用材料(58)

 

2.6.1光固化树脂(58)

 

2.6.2快速砂铸造型材料(63)

 

2.6.3快速熔模精密铸型材料(69)

 

2.6.4快速陶瓷型铸型材料(76)

 

2.6.5快速石膏型铸型材料(79)

 

2.6.6特种铸型材料(82)

 

小结(85)

 

参考文献(86)

 

 

光固化3D打印复杂零件快速铸造技术

 

目录

第3章常用铸造合金性能控制基础(92)

 

3.1铝合金的组织和性能控制(92)

 

3.1.1合金化与性能(92)

 

3.1.2熔炼工艺与性能(96)

 

3.1.3热处理与组织性能(98)

 

3.2不锈钢的组织和性能控制(100)

 

3.2.1合金化与性能(100)

 

3.2.2冶炼技术与性能控制(103)

 

3.2.3热处理与组织性能(110)

 

3.3铸造高温合金的组织和性能控制(112)

 

3.3.1合金化与性能(112)

 

3.3.2熔炼工艺、设备与性能(114)

 

3.3.3热处理与组织性能(116)

 

3.3.4高温合金的热处理设备(118)

 

3.4钛合金的组织和性能控制(118)

 

3.4.1铸造钛合金的合金化和性能(118)

 

3.4.2熔炼工艺与性能(121)

 

3.4.3热处理与组织性能(124)

 

小结(131)

 

参考文献(132)

 

第4章复杂零件快速铸造精度控制系统(136)

 

4.1研究对象与复型解析(136)

 

4.1.1研究对象与总体研究方案(136)

 

4.1.2复杂零件复型路径解析(140)

 

4.1.3材料收缩与密度分析(142)

 

4.2实物复型数模的建立(146)

 

4.2.1实物复型链的描述方法(146)

 

4.2.2实物复型表面耦合因素分析(151)

 

4.2.3复型链传递分析(156)

 

4.3快速铸造工艺精度控制策略(158)

 

4.3.1精度前馈控制系统(158)

 

4.3.2精度控制系统的关键技术(160)

 

4.3.3快速铸造工艺评价与稳定性(161)

 

4.4复型精度控制试验系统验证(161)

 

4.4.1复型精度控制试验系统(161)

 

4.4.2空心手柄一体化快速石膏型验证(163)

 

小结(167)

 

参考文献(167)

 

第5章脉冲激光SL精度的形成机理与工艺(169)

 

5.1脉冲激光与树脂吸收机理研究(169)

 

5.1.1光吸收导论(169)

 

5.1.2激光脉冲与树脂作用形态(171)

 

5.1.3激光吸收与发射机理(173)

 

5.2微时间尺度的光斑物理化学机理分析(175)

 

5.2.1光物理化学机理(175)

 

5.2.2脉冲光斑作用区的收缩轴线(178)

 

5.2.3累加过程的光散射(181)

 

5.3脉冲微固化体液面精度与扫描研究(183)

 

5.3.1光斑连续扫描条件(183)

 

5.3.2微固化体空间形状与光斑直径(184)

 

5.3.3液面轮廓精度与扫描参数(185)

 

5.3.4fθ透镜扫描矢量场与收缩轴线变动(187)

 

5.4复杂原型制作工艺与后处理研究(190)

 

5.4.1快速铸造工艺原型制作研究路线(190)

 

5.4.2大型复杂SL原型工艺故障及对策(190)

 

5.4.3后处理与涂敷试验研究(194)

 

小结(196)

 

参考文献(197)

 

第6章基于SL原型的铸型快速制造关键技术(199)

 

6.1SL模型的机械与热特性分析(199)

 

6.1.1高分子材料导论(199)

 

6.1.2SL模型温度谱研究(201)

 

6.1.3SL模型性能的演化(202)

 

6.2三维数模结构单元优化设计(205)

 

6.2.1支撑结构设计分析(205)

 

6.2.2复杂零件镂空与支撑设计优化(206)

 

6.2.3纯电动轿车变速器数模优化实例(210)

 

6.3SL模样制壳热特性试验研究(211)

 

6.3.1不同环境热裂解速度和残重试验(211)

 

6.3.2热胀试验(213)

 

6.3.3焙烧数值仿真与试验验证(216)

 

6.4快速铸造工艺路线与评价(220)

 

6.4.1快速铸造工艺路线(220)

 

6.4.2快速铸件缺陷控制与评价内容(222)

 

小结(223)

 

参考文献(224)

 

第7章复杂SL模样快速熔模精密铸造工艺(226)

 

7.1SL模样与型壳作用机理研究(226)

 

7.1.1快速熔模工艺适配性问题(226)

 

7.1.2SL模样与型壳作用机理(227)

 

7.1.3SL模样汽化影响分析(228)

 

7.2制备SL模样型壳工艺分析(229)

 

7.2.1型壳不破裂条件(229)

 

7.2.2复杂型壳煅烧试验与破裂点(231)

 

7.2.3减少型壳破裂的工艺措施(231)

 

7.3复杂SL模样快速熔模铸造工艺评价(232)

 

7.3.1涡轮导向器快速熔模铸造工艺与缺陷(232)

 

7.3.2黑匣子装配壳体快速熔模铸造工艺与缺陷评价(234)

 

7.3.3黑匣子铸件装配精度评价(238)

 

7.4快速陶瓷型定向凝固的科研问题(239)

 

7.4.1单晶空心叶片精铸难点与对策分析(239)

 

7.4.2快速陶瓷精铸流程(241)

 

7.4.3铸型内腔残留物清除方法研究(242)

 

小结(243)

 

参考文献(243)

 

第8章复杂结构壳体SL模具快速砂型铸造工艺(245)

 

8.1SL模具快速砂型铸造工艺适配性(245)

 

8.1.1基本问题与SL模具造型因素(245)

 

8.1.2黏土砂型脱模力影响因素(246)

 

8.1.3树脂砂造型因素分析(248)

 

8.2SL模具不同砂铸造型工艺参数试验(250)

 

8.2.1SL模具试样设计(250)

 

8.2.2砂型脱模试验设备与方案(251)

 

8.2.3试验数据分析(252)

 

8.3简单结构壳体不同快速铸造工艺验证试验(255)

 

8.3.1纯电动轿车变速器壳体快速铸造工艺设计(255)

 

8.3.2铸件生产工艺与精度控制(259)

 

8.4复杂结构壳体不同砂型铸造工艺试验(262)

 

8.4.1SL模具设计与不同快速砂型铸造工艺测试(262)

 

8.4.2浇铸系统仿真与小批次工艺方案研究(268)

 

8.4.3精度测试与加工装车评价(272)

 

8.5复杂结构树脂砂铸件整体精度前馈评价(277)

 

8.5.1自由曲面测量与误差评价方法(277)

 

8.5.2整体点云测量设备与数据处理流程(279)

 

8.5.3铸件整体偏差分析与精度评价(282)

 

小结(288)

 

参考文献(289)

 

第9章快速铸造应用案例(291)

 

9.1航空活塞发动机缸盖快速铸造工艺(291)

 

9.1.1零件及其服役分析(291)

 

9.1.2铸造方法选择(292)

 

9.1.3造型材料、原型与铸型制备(292)

 

9.1.4低压浇铸系统设计(294)

 

9.1.5模具设计(295)

 

9.1.6铸造工艺仿真优化(296)

 

9.1.7浇铸验证(297)

 

9.2不锈钢快速接头的快速铸造工艺(298)

 

9.2.1快速铸造工艺分析(298)

 

9.2.2铸件缺陷及其性能控制(304)

 

9.3高温涡轮壳体(305)

 

9.3.1铸件材料选择(305)

 

9.3.2快速铸造工艺设计(306)

 

9.3.3铸型制备(306)

 

9.3.4不同浇铸系统设计(307)

 

9.3.5铸造工艺优化(308)

 

9.3.6浇铸工艺验证(312)

 

9.4钛合金机匣(313)

 

9.4.1快速铸造工艺(313)

 

9.4.2复合型壳制备(314)

 

9.4.3离心浇铸与后处理(316)

 

小结(317)

 

参考文献(318)

 

 

 

附录1多动力（柴油、汽油、液化气）通用变速器壳体工程图(319)

 

附录2多动力（柴油、汽油、液化气）通用离合器壳体工程图(322)

 

附录3空心手柄一体化铸件用户证明(325)

 

附录4纯电动轿车变速器与离合器铸件用户证明(326)

 

附录5通用变速器与离合器壳体铸件用户证明(327)

 

附录6变速驱动桥壳体铸件用户证明(328)

 

总序一“中国制造2025”提出通过三个十年的“三步走”战略，使中国制造综合实力进入世界强国前列。近三十年来，3D打印（增材制造）技术是欧美日等高端工业产品开发、试制、定型的重要支撑技术，也是中国制造业创新、重点行业转型升级的重大共性需求技术。 新的增材原理、新材料的研发、设备创新、标准建设、工程应用，必然引起各国“产学研投”界的高度关注。　　3D打印是一项集机械、计算机、数控、材料等多学科于一体的，新的数字化先进制造技术，应用该技术可以成形任意复杂结构。其制造材料涵盖了金属、非金属、陶瓷、复合材料和超材料等，并正在从3D打印向4D、5D打印方向发展，尺度上已实现8 m构件制造并向微纳制造发展，制造地点也由地表制造向星际、太空制造发展。这些进展促进了现代设计理念的变革，而智能技术的融入又会促成新的发展。3D打印应用领域非常广泛，在航空、航天、航海、潜海、交通装备、生物医疗、康复产业、文化创意、创新教育等领域都有非常诱人的前景。中国高度重视3D打印技术及其产业的发展，通过国家基金项目、攻关项目、研发计划项目支持3D打印技术的研发推广，经过二十多年培养了一批老中青结合、具有国际化视野的科研人才，国际合作广泛深入，国际交流硕果累累。作为“中国制造2025”的发展重点，3D打印在近几年取得了蓬勃发展，围绕重大需求形成了不同行业的示范应用。通过政策引导，在社会各界共同努力下，3D打印关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，技术生态和产业体系初步形成；涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区，整个产业呈现快速发展局面。　　华中科技大学出版社紧跟时代潮流，瞄准3D打印科学技术前沿，组织策划了本套“3D打印前沿技术丛书”，并且，其中多部将与爱思唯尔（Elsevier）出版社一起，向全球联合出版发行英文版。本套丛书内容聚焦前沿、关注应用、涉猎广泛，不同领域专家、学者从不同视野展示学术观点，实现了多学科交叉融合。本套丛书采用开放选题模式，聚焦3D打印技术前沿及其应用的多个领域，如航空航天、工艺装备、生物医疗、创新设计等领域。本套丛书不仅可以成为我国有关领域专家、学者学术交流与合作的平台，也是我国科技人员展示研究成果的国际平台。　　近年来，中国高校设立了3D打印专业，高校师生、设备制造与应用的相关工程技术人员、科研工作者对3D打印的热情与日俱增。由于3D打印技术仅有三十多年的发展历程，该技术还有待于进一步提高。希望这套丛书能成为有关领域专家、学者、高校师生与工程技术人员之间的纽带，增强作者、编者与读者之间的联系，促进作者、读者在应用中凝练关键技术问题和科学问题，在解决问题的过程中，共同推动3D打印技术的发展。　　我乐于为本套丛书作序，感谢为本套丛书做出贡献的作者和读者，感谢他们对本套丛书长期的支持与关注。西安交通大学教授中国工程院院士卢秉恒2018年11月总序二3D打印是一种采用数字驱动方式将材料逐层堆积成形的先进制造技术。它将传统的多维制造降为二维制造，突破了传统制造方法的约束和限制，能将不同材料自由制造成空心结构、多孔结构、网格结构及功能梯度结构等，从根本上改变了设计思路，即将面向工艺制造的传统设计变为面向性能优的设计。3D打印突破了传统制造技术对零部件材料、形状、尺度、功能等的制约，几乎可制造任意复杂的结构，可覆盖全彩色、异质、功能梯度材料，可跨越宏观、介观、微观、原子等多尺度，可整体成形甚至取消装配。3D打印正在各行业中发挥作用，极大地拓展了产品的创意与创新空间，优化了产品的性能；大幅降低了产品的研发成本，缩短了研发周期，极大地增强了工艺实现能力。因此，3D打印未来将对各行业产生深远的影响。为此，“中国制造2025”、德国“工业4.0”、美国“增材制造路线图”，以及“欧洲增材制造战略”等都视3D打印为未来制造业发展战略的核心。基于上述背景，华中科技大学出版社希望由我组织全国相关单位撰写“3D打印前沿技术丛书”。由于3D打印是一种集机械、计算机、数控和材料等于一体的新型先进制造技术，涉及学科众多，因此，为了确保丛书的质量和前沿性，特聘请卢秉恒、王华明、聂祚仁等院士作为顾问，聘请3D打印领域的著名专家作为编审委员会委员。各单位相关专家经过近三年的辛勤努力，即将完成20余部3D打印相关学术著作的撰写工作，其中已有2部获得国家科学技术学术著作出版基金资助，多部将与爱思唯尔（Elsevier）联合出版英文版。本丛书内容覆盖了3D打印的设计、软件、材料、工艺、装备及应用等全流程，集中反映了3D打印领域的新研究和应用成果，可作为学校、科研院所、企业等单位有关人员的参考书，也可作为研究生、本科生、高职高专生等的参考教材。由于本丛书的撰写单位多、涉及学科广，是一个新尝试，因此疏漏和缺陷在所难免，殷切期望同行专家和读者批评与指正！华中科技大学教授史玉升2018年11月前言3D打印技术是实现任意空间形状数模快速制造的新技术，它集成了三维设计、计算机、激光、精密机械、材料、控制科学技术的新成果，能自动快速将设计数模转化为实物原型，从而便于对产品设计进行快速评估、修改以及功能试验，是近三十年来制造技术领域的革命性突破。由于可打印材料种类有限，人们将3D打印技术和铸造技术结合，实现客户需求指定材料的转换，形成了快速铸造技术（简称RCT）。美国、英国早在20世纪90年代初，就开始对航空、航天、航海、潜海、导弹等军工需求的单晶叶片叶轮、轻合金薄壁壳体等零件开展3D打印技术应用研究，德国、日本更多在民用复杂零件开发上开展3D打印技术研究，材料种类涉及铝合金、高温合金、钛合金和非金属材料。俄罗斯在20世纪90年代开始对3D打印技术在航空发动机热端叶片上的应用展开研究。我国自主3D打印技术（分层实体制造（LOM）、熔融沉积成形（FDM）、激光选区烧结（SLS）、光固化成形（SLA））的发展经历了三个阶段，分别是20世纪90年代中期的技术研发形成阶段、21世纪初期的推广/应用/改进阶段和2011年以来的普及发展阶段。基于LOM的RCT研究早开始于20世纪90年代中期，研究者主要有清华大学颜永年教授团队、华中科技大学黄树槐教授团队；基于SLA的RCT的研究开始于20世纪90年代后期，研究者主要有卢秉恒院士团队。应用的对象从铝合金、钢铁合金拓展到不锈钢、高温合金、钛合金，应用的对象由民品到军品，涉及家电、汽车、电子、航空、航天、兵器、光机等行业。本书具有以下特点：（1）新颖性和先进性。本书取材于学科前沿的新研究应用成果，直接展示了各单元技术在复杂零件快速铸造工艺中的运用过程，基于常规方法又体现了应用上的差异点，展示了快速铸造技术的新水平。（2）理论与实际结合。作者是长期在一线科研岗位上从事项目研究的专职教学科研人员，基础理论研究有一定深度，同时实践了零件开发全流程，既参与教学科研过程又结合企业需求推广应用，对工程应用有深刻的经验体会。（3）注意学科交叉渗透。本书力求从新材料、激光加工、化学化工、计算机应用等新技术角度论述工程问题，从工程问题中凝练技术问题，在技术问题中提取科学问题，揭示交叉学科的内在联系。（4）适用性广，兼顾技术升级和服务转型。本书以性能控制为基础，精度控制为主线，关键技术作为科研点，结合多种工艺来介绍铸件品质控制方法，按需求实现“控形控性”目标；不仅包含常见的熔体充型仿真、缺陷治理，还从用户需求角度评价铸件质量指标；既适合高等院校师生和研究院所的科研人员参考，还可供企业高端产品开发人员、快速铸造技术人员阅读参考。本书的特色在于案例研究。前3章介绍3D打印技术、铸造技术和常用的铸造合金的性能控制等基础知识。第4章围绕不同零件需求，建立统一的模型，给出工艺选择的基本方法。第5章给出点扫描脉冲激光成形技术的理论体系，第6章围绕SL模型的机械动态热特性研究， 给出铸型数模再设计方法及工艺选择评价。第7、8章分别研究光固化原型在快速精铸和快速砂铸中的基础问题，并给出相应的实现方案。第9章给出不同合金复杂零件的实现案例。根据读者的类别，给出如下建议：关注前沿问题的重点看第1、2章，关注快速铸造控性基础的重点看第2、3章，关注精度控制的重点看第4、5章，关注应用研究与解决方案的重点看第4、7、8、9章。由于读者差异大，书中涉及但没有详述的问题，在本科专业课程教科书中都可以找到系统的介绍，不过快捷的方法是在百度中输入关键词即可有答案。本书由宗学文（西安科技大学）、屈银虎（西安工程大学）、王小丽（西安交通大学城市学院）撰写。其中，第1、2（2.5、2.6节除外）、5、6、7、8章由宗学文撰写，第2.6节、第3章、第9章由屈银虎撰写，2.5节、第4章由王小丽撰写，全书由宗学文、屈银虎统稿。研究生徐文博、王丹、张斌、权坤、熊聪、周思君、刘晓妮、梅超、左文婧、袁建才对本书的文献整理、编排、校核有贡献，在此一并感谢。在2017年9月29日西安审稿会议上，史玉升教授（华中科技大学）、林鑫教授（西北工业大学）、董世运教授（中国人民解放军陆军装甲兵学院）等对本书提出了宝贵建议和中肯评价，促使作者在繁重的教学科研之余完成了本书的整理。在本书出版之际，衷心感谢卢秉恒老师对作者在科研工作上的谆谆教诲和悉心指导。案例研究中得到西安交通大学快速制造国家工程研究中心、一汽铸造有限公司、天津一汽夏利汽车研究所、西北工业大学凝固技术国家重点实验室、258厂精铸分公司、第七二五研究所钛合金研究室、中国航发工业西安航空发动机有限公司叶片车间、陕西黄河集团有限公司铸造车间等很多工艺技术人员的协助，作者心存感激，向他们表示衷心的谢意。在本书成稿过程中，参考了国内外专家学者的相关文献与著作，尽力列举但难免有遗漏之处，在此对所引用文献的作者表示衷心感谢。由于作者水平限制，书中难免存在错误之处，欢迎读者批评指正，项目合作交流邮箱[email protected]，电话13319267506,微信同号。作者2018年10月