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摘 要：报告阐述了风机蜗壳金属3D打印工艺技术其中一项研究方案，并对此3D打印技术的金属材料及工艺流程、成型后蜗壳随整机进行的各类试验进行研究说明。
中图分类号：TH43 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）14-0216-02
1 引 言
3D打印技术在快速原型、航空、航天、生物医疗领域被广泛运用，其中金属3D打印机已经被运用于制造飞机零部件和医疗植入物。例如，GE航空集团计划到2020年3D打印约10万个Leep发动机的燃料喷嘴。而在医疗领域，Arcam迄今已经3D打印了超过50000件骨科植入物。除此之外，其它大规模应用金属3D打印技术的行业还包括牙科和电力。例如，领先的牙科合金供应商ArgenDigital就已经在用金属3D打印制造牙内冠和牙桥，其属性与铸造件不相上下。西门子也在使用该技术为电站上的燃气轮机打印零部件。有据数据显示金属3D打印技术目前已经成为增材制造行业中增长最快的部分。去年，全球金属3D打印市场中机器销售增长了48%，材料销售增长32%。
2 研究对象
本文选取某风机用蜗壳零件进行3D打印工艺技术研究，其形状如图1所示。此类蜗壳原采用铸造的工艺加工方式进行制造，一般选材为铸铝ZL101A。采用铸造成型工艺需新制模具，生产周期较长，制作效率低。从此类蜗结构上进行分析，此蜗壳外形为不同心圆弧壳设计，内腔镂空，受尺寸限制、无法采用数控铣直接加工成形，为此、考虑使用3D打印（快速成型技术）进行加工制作。
3D打印技术是将三维设计数据进行分层切片，然后将数据输入制造设备，通过逐层制造并层层堆积的方式，直接制造出最终产品的过程。区别于传统制造技术“做减法”的方式，3D打印技术是一种“做加法”的增量制造技术，从设计直接到成品，省略中间各种类加工环节，实现了从“设计”到“产品”的最短途径。
3D打印技术主要分为熔融堆积（FDM）、光固化（SLA）、激光烧结（SLS）三类。本文论述的该零件采用的是激光烧结（SLS）快速成型技术（激光烧结，又称为选择性激光烧结，是指利用激光对粉末材料进行高温熔融固化，并层层堆积在一起，最终制造出实体产品的过程）。与其余两种快速成型技术相比较，其优点是加工制造速度快、制作成本低，使用材料种类丰富，产品性能优异。缺点则是设备尺寸大，购买价格昂贵，设备普及度不高。
3 产品选用设备及材料、工艺
3.1 制造设备
目前市面上的3D打印公司在金属打印方面多采用的是进口德国280型金属快速成型设备。它适用于铝合金、钛合金、模具钢、不锈钢等多种金属的快速制造，是目前全球较领先的直接用于金属制造的设备。其制造的最大零件尺寸为250×250×325（mm），最薄壁厚接近0.3～0.4mm，制造尺寸精度为±0.1mm（100mm内），可以满足本文蜗壳零件制造使用。
3.2 材料性能分析
对打印的零件材料进行分析。其使用的材料为定制铝粉（铝硅镁合金），其粉末颗粒度为3～20？滋m，具有良好的铸造性能，通常用于薄壁以及复杂几何部件的制作。该金属具有良好的强度、硬度，可以作为高负荷零件使用。制作后的零件可以根据需要进行多种后加工，包括电火花、焊接、喷砂以及抛光等多种处理工艺。
激光烧结技术是一个迅速融化再冷却的过程，这种过程得到的部件类似于T6处理的效果，通常使用该技术制作的零部件不需要再次退火，但是需要做应力释放（2h 300℃）。
对此材料进行分析，此定制铝粉材料接近ZL104。根据航标铸造铝合金技术标准（HB962-2001）中规定的要求（砂型或金属型铸造试棒标准）制作试棒，并与使用金屬快速成型设备及其定制铝粉制造的试棒进行比对。试棒样件采用两种状态，即未进行热处理和进行热处理（应力释放）。试棒样件试验测试机械性能结果见表1。
从表1试验结果可以看出，金属快速成型方法制造的试件，在抗拉强度、断后伸长率、布氏硬度三个方面的材料性能都高于航标铸造铝合金技术标准（HB 962-2001）中铸铝ZL101A、铸铝ZL104的标准要求。
3.3 零件工艺性分析
3.3.1 工艺特性分析
蜗壳结构为整体内外腔均曲面设计、且蜗壳壁较薄，在后续加工流程中极易发生壳体变性，导致尺寸超差。
蜗壳接口部分尺寸要求精度较高，3D打印技术打印精度只能保证±0.1mm，不能满足本型号蜗壳接口部分尺寸精度要求，通过分析可将该零件在打印完成后，再进行部分尺寸精加工。其工艺流程可安排如图2所示。
为进一步保证成品零件的合格率，在零件精加工完成后，还可增加对零件进行X射线探伤检测，以保证制作零件的可靠性。
3.3.2 工艺制作薄弱环节的分析
该零件壁较薄，再进行打印制作时，可对该零件的薄弱处增加支撑，但如果支撑结构的设计或支撑位置设置的不合理，则会造成后期去除困难，支撑面设计不足，产品又易变形，造成成型失败。
针对此蜗壳结构，增加的支撑结构可设计为蜂窝式结构，强度较低，便于后续去除；支撑位置设计在如图3所示。加工完成后还可对生成支撑的零件切片后，逐层检查确认，防止支撑缺漏。导致成型后零件尺寸偏差。
4 整机测试
3D打印制作的蜗壳装配整机后，按规范要求通过了热循环、老练、力学等环境试验，热循环试验次数为12.5次，温度在-25～+60℃，热循环试验时间与老练试验时间累计不少于300h。试验后蜗壳也未出现变形、损坏等刚度、强度不够的情况。
5 结 论
通过对3D打印技术的原理、材料、工艺特性等机理分析、性能测试等分析，说明该类似的风机蜗壳采用快速成型技术（3D打印）工艺制作的零件性能均优于常规铸铝ZL101A及ZL104。
收稿日期：2018-4-15
中图分类号：TH43 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）14-0216-02
1 引 言
3D打印技术在快速原型、航空、航天、生物医疗领域被广泛运用，其中金属3D打印机已经被运用于制造飞机零部件和医疗植入物。例如，GE航空集团计划到2020年3D打印约10万个Leep发动机的燃料喷嘴。而在医疗领域，Arcam迄今已经3D打印了超过50000件骨科植入物。除此之外，其它大规模应用金属3D打印技术的行业还包括牙科和电力。例如，领先的牙科合金供应商ArgenDigital就已经在用金属3D打印制造牙内冠和牙桥，其属性与铸造件不相上下。西门子也在使用该技术为电站上的燃气轮机打印零部件。有据数据显示金属3D打印技术目前已经成为增材制造行业中增长最快的部分。去年，全球金属3D打印市场中机器销售增长了48%，材料销售增长32%。
2 研究对象
本文选取某风机用蜗壳零件进行3D打印工艺技术研究，其形状如图1所示。此类蜗壳原采用铸造的工艺加工方式进行制造，一般选材为铸铝ZL101A。采用铸造成型工艺需新制模具，生产周期较长，制作效率低。从此类蜗结构上进行分析，此蜗壳外形为不同心圆弧壳设计，内腔镂空，受尺寸限制、无法采用数控铣直接加工成形，为此、考虑使用3D打印（快速成型技术）进行加工制作。
3D打印技术是将三维设计数据进行分层切片，然后将数据输入制造设备，通过逐层制造并层层堆积的方式，直接制造出最终产品的过程。区别于传统制造技术“做减法”的方式，3D打印技术是一种“做加法”的增量制造技术，从设计直接到成品，省略中间各种类加工环节，实现了从“设计”到“产品”的最短途径。
3D打印技术主要分为熔融堆积（FDM）、光固化（SLA）、激光烧结（SLS）三类。本文论述的该零件采用的是激光烧结（SLS）快速成型技术（激光烧结，又称为选择性激光烧结，是指利用激光对粉末材料进行高温熔融固化，并层层堆积在一起，最终制造出实体产品的过程）。与其余两种快速成型技术相比较，其优点是加工制造速度快、制作成本低，使用材料种类丰富，产品性能优异。缺点则是设备尺寸大，购买价格昂贵，设备普及度不高。
3 产品选用设备及材料、工艺
3.1 制造设备
目前市面上的3D打印公司在金属打印方面多采用的是进口德国280型金属快速成型设备。它适用于铝合金、钛合金、模具钢、不锈钢等多种金属的快速制造，是目前全球较领先的直接用于金属制造的设备。其制造的最大零件尺寸为250×250×325（mm），最薄壁厚接近0.3～0.4mm，制造尺寸精度为±0.1mm（100mm内），可以满足本文蜗壳零件制造使用。
3.2 材料性能分析
对打印的零件材料进行分析。其使用的材料为定制铝粉（铝硅镁合金），其粉末颗粒度为3～20？滋m，具有良好的铸造性能，通常用于薄壁以及复杂几何部件的制作。该金属具有良好的强度、硬度，可以作为高负荷零件使用。制作后的零件可以根据需要进行多种后加工，包括电火花、焊接、喷砂以及抛光等多种处理工艺。
激光烧结技术是一个迅速融化再冷却的过程，这种过程得到的部件类似于T6处理的效果，通常使用该技术制作的零部件不需要再次退火，但是需要做应力释放（2h 300℃）。
对此材料进行分析，此定制铝粉材料接近ZL104。根据航标铸造铝合金技术标准（HB962-2001）中规定的要求（砂型或金属型铸造试棒标准）制作试棒，并与使用金屬快速成型设备及其定制铝粉制造的试棒进行比对。试棒样件采用两种状态，即未进行热处理和进行热处理（应力释放）。试棒样件试验测试机械性能结果见表1。
从表1试验结果可以看出，金属快速成型方法制造的试件，在抗拉强度、断后伸长率、布氏硬度三个方面的材料性能都高于航标铸造铝合金技术标准（HB 962-2001）中铸铝ZL101A、铸铝ZL104的标准要求。
3.3 零件工艺性分析
3.3.1 工艺特性分析
蜗壳结构为整体内外腔均曲面设计、且蜗壳壁较薄，在后续加工流程中极易发生壳体变性，导致尺寸超差。
蜗壳接口部分尺寸要求精度较高，3D打印技术打印精度只能保证±0.1mm，不能满足本型号蜗壳接口部分尺寸精度要求，通过分析可将该零件在打印完成后，再进行部分尺寸精加工。其工艺流程可安排如图2所示。
为进一步保证成品零件的合格率，在零件精加工完成后，还可增加对零件进行X射线探伤检测，以保证制作零件的可靠性。
3.3.2 工艺制作薄弱环节的分析
该零件壁较薄，再进行打印制作时，可对该零件的薄弱处增加支撑，但如果支撑结构的设计或支撑位置设置的不合理，则会造成后期去除困难，支撑面设计不足，产品又易变形，造成成型失败。
针对此蜗壳结构，增加的支撑结构可设计为蜂窝式结构，强度较低，便于后续去除；支撑位置设计在如图3所示。加工完成后还可对生成支撑的零件切片后，逐层检查确认，防止支撑缺漏。导致成型后零件尺寸偏差。
4 整机测试
3D打印制作的蜗壳装配整机后，按规范要求通过了热循环、老练、力学等环境试验，热循环试验次数为12.5次，温度在-25～+60℃，热循环试验时间与老练试验时间累计不少于300h。试验后蜗壳也未出现变形、损坏等刚度、强度不够的情况。
5 结 论
通过对3D打印技术的原理、材料、工艺特性等机理分析、性能测试等分析，说明该类似的风机蜗壳采用快速成型技术（3D打印）工艺制作的零件性能均优于常规铸铝ZL101A及ZL104。
收稿日期：2018-4-15