56個孔的型芯，節省 2/3 的成本，3D打印深刻影響備品備件生產
蒸汽機是工業化的第一個重要里程碑，那么今天是否還有蒸汽機車在工作呢？這些機車發生故障怎么辦？歷史上有留存至今的備品備件用于維修保嗎？本期，通過3D打印的案例，3D科學谷與谷友分享3D 打印和砂型鑄造如何影響備品備件生產。
3D打印砂型鑄造的機車零件
© Tyseley
3D打印創造附加值
今天，蒸汽機車這一曾經的工業化推動者仍在英國工作，時不時地在國家的主要線路上工作，有趣的是這類機車的維修保養工作也有專門的公司負責。位于英國的 Tyseley Locomotive Works 是一家專業的歷史蒸汽機車修復和維護中心。2022 年初，華威大學的研究小組建議 Tyseley Locomotive Works 考慮使用3D打印模具，因此委托 Boro 鑄造為其其中一輛蒸汽機車制造新的過熱器集管。
使用 3D 打印砂模生產備件。對于歷史悠久的蒸汽機車，Boro鑄造根據 1950 年代的原始工程圖制造了一個新的過熱器集管。通過使用 3D 砂型打印，與傳統制造相比，鑄造廠能夠節省 2/3 的成本，并將模具包的組裝時間從 14 多個小時減少到僅 3.5 小時。像這樣的項目令人印象深刻地展示了增材制造如何為備件生產提供價值創造。
3D打印砂型模具
© 維捷-voxeljet
實現復雜形狀設計
過熱器在蒸汽機車的運行中起著至關重要的作用，精度和質量是過熱器的制造重點，過熱器用于將從鍋爐輸送到汽缸的蒸汽加熱到遠高于蒸汽飽和溫度的溫度。在這種情況下，鍋爐產生 202 °C 的蒸汽，其過熱器將溫度升高到 340 °C，從而增加蒸汽中包含的能量（熱函），然后可用于有效地增加發動機的汽缸在鍋爐中所做的功。此外，過熱最大限度地減少了蒸汽在汽缸中膨脹時可能發生的冷凝現象，從而降低了因過多冷凝水而造成損壞的風險。
不過過熱器已經在機車行業使用了幾十年，原來的制造工藝已經過時、成本高、效率低。
這是因為原始部件包含許多孔（總共 56 個），在運行期間蒸汽通過這些孔。這些孔極大地復雜化了鑄造過程。最大的挑戰是型芯，它被插入模具中以將孔集成到鑄件中。型芯由夾具、螺栓支撐，并使用型芯塞在鑄造過程中將其固定到位。然而，在鑄造過程中型芯移動的風險和可能性很大。此外，不均勻的厚壁和薄壁部分帶來額外的后續加工。
3D打印砂型的設計
© Boro
傳統制造的模具包（包括制模）的報價高達 34,000 英鎊，除此之外，估計組裝模具大約需要 14 個小時，所有這一切，再加上零件最終容易出現缺陷或完全無法使用的風險，促使制造商尋找替代制造解決方案。通過voxeljet-維捷的3D打印砂型打印中找到了解決方案。
3D打印砂型的設計
© Boro
Boro鑄造與另外一家工程公司一起開發了一套模具，其中僅包含三個砂型模具和一個型芯。這些模具是在慕尼黑附近的voxeljet-維捷按需打印中心生產的。
節約2/3成本
根據Boro鑄造，特別令人高興的結果是真正的附加值是所有 56 個孔這樣的復雜設計對于3D打印來說并不增加成本，消除了后續鉆孔的需要，最終再次節省了時間和金錢。
創新是成功的關鍵，3D建模、鑄造模擬和 3D打印砂型模具的使用極大地改善了零件的質量、制造周期和制造成本。Boro鑄造通過應用這些新技術取得了壓倒性的成功。這為更好的發展鋪平了道路，奠定了為此類應用開發更大、更復雜鑄件的前景。
得益于 3D 砂打印，Boro鑄造能夠將模具的組裝時間縮短至 3.5 小時，總成本僅為傳統模具報價的三分之一。
3D打印砂型模具
© 維捷-voxeljet
盡管 3D 打印模具也存在型芯因鑄造壓力而脫落和上浮的風險，但 Boro鑄造能夠通過將用于螺栓連接的凹槽直接集成到 CAD 文件中，從而在實際中使用螺栓將型芯和模具固定到位，在實際鑄造之前，Boro 模擬了鑄造過程以設計澆注系統，以降低鑄造壓力和相關的型芯侵蝕或移動風險。此外，該模擬有助于預測鑄造過程中的氣體波動并降低氣體滯留的風險。然后，Boro 在大約 1330 °C 的溫度下鑄造了大約 550 公斤的鐵鑄件，最終獲得了Tyseley 機車廠的新型過熱器，尺寸為 1300 mm x 600 mm x 400 mm，重量為 406 kg。
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