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作者：广东峰华卓立科技股份有限公司
本文分析了汽车发动机复杂铸件试制的技术难点，并提出了先进的解决方案——利用无模快速制造技术可以完全突破传统工艺及技术的局限（周期长、成本高、风险大、多次试模等），具有快速、精确、高效、经济的特点，非常适合单件、小批量、个性化、形状复杂金属零件的快速制造和新产品开发（以铸铁缸体为例说明）。
一、前言
21世纪以来我国汽车行业迅猛发展，汽车发动机的质量及可靠性取得了较大的进步，但是发动机的关键技术远低于国外先进水平，尤其在节能减排方面，平均油耗高于国外发动机10%以上。在我国经济保持快速增长的背景下，未来汽车行业仍将保持快速增长，人们更加追求个性,更加挑剔,思想更加多元化,这也导致多种风格同时涌现，呈现“百花齐放、百家争鸣”的局面,汽车市场也随之蕴含着巨大商机。随着我国汽车燃油经济性标准和排放法规日益严格，再加上国内汽车企业参与国际竞争、走向国际市场的需要，汽车发动机的研发迫在眉睫。
发动机作为汽车的“心脏”，它的研发是一个系统工程，但主要瓶颈在于复杂铸件（例如缸体缸盖、进排气管、壳体支架等）的制造。传统方法就是开模具（木模或者金属模）然后翻砂造型浇注，存在周期长、成本高、风险大、多次试模修模等特点，对产品的试制造成很大的影响。比如国内某自主品牌汽车企业2009年研发的1.3L和2.0L发动机，由于复杂铸件无法按时完成导致项目推迟几乎一年，大大超出了预期，错失发展良机，损失惨重。
现代工业生产正在从大规模批量化生产转变为中小批量和个性化生产，产品的生命周期和投放市场的时间越来越短。比如汽车行业，十年前开发一款新车型需要两年以上的时间，而现在同一个汽车制造厂商每年就有几款新车型问世，开发一款新车型不到一年时间。市场的严酷竞争要求应尽可能缩短产品的设计和制造周期，同时应尽量降低成本和风险。
二、快速制造技术
20世纪80年代中发展起来的快速成形技术（Rapid Prototyping，简称RP技术）是制造科学上制造理念的突破，是制造技术发展的重要里程碑。RP技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。RP的基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体（参见图1）。
图1 快速成形技术过程示意图
经过二十几年的发展， RP技术已经到了快速制造（Rapid Manufacturing，简称RM）和快速模具（Rapid Tooling，简称RT）阶段，涌现出了SLA（光固化/立体光刻）、SLS（激光选区烧结）、FDM（熔融沉积成形）、LOM（叠层实体制造）、3DP（三维打印）、LENS（激光近净成形制造）、EBM（电子束选区熔化）、 SLM（激光选区熔化）等多种工艺，其中在复杂铸件的快速制造方面优势最明显、应用最广泛的是无模铸型快速制造技术（Patternless Casting Manufacturing,简称PCM技术），与之类似的还有美国Exone公司的快速铸造技术(Rapid Casting Technology简称RCT技术)。
三、无模快速制造技术及装备
1、PCM技术
无模铸型快速制造技术是将CAD计算机绘图、快速成形技术与传统砂型铸造工艺有机结合而设计开发出的一种数字化制造的综合技术。它无需模具，能够快速、柔性、准确地制造内腔、表面较为复杂的铸型（芯），特别适合单件、小批量、个性化、形状复杂的大中型铸件的试制和新产品开发。
PCM技术基本原理是：利用RP技术的离散/堆积成形原理，采用轮廓扫描、喷射固化工艺，实现铸型的快速直接成形而无需模样，如图2所示。
首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型；由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息；造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘结剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂；两者发生交联反应，一层层固化型砂堆积成形。这样在粘结剂和催化剂共同作用的地方，型砂被粘结在一起，其它地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有层粘接完后就得到一个空间实体。在粘结剂和催化剂没有喷射的地方仍是散砂，比较容易清除。清理出散砂，就得到铸型（芯），在铸型（芯）的表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注得到铸件。
图2 PCM基本原理图
PCM技术的主要特点：
a)无需模具，直接堆积制作铸型（芯）；
b)易于制造含任意自由曲面（曲线）的铸型（芯），越复杂越能体现其优势；
c)无需拔模斜度，减轻铸件重量；
d)减少设计约束和加工余量，完美体现设计者意图；
e)型、芯可一体化成形，提高定位精度；
f)可实现全自动，劳动强度低，运行成本低；
g)可制造黑色金属（HT/QT/RuT）、有色金属（铜合金、铝合金、镁合金）、铸钢（不锈钢）等多种材料金属零件,也可制作模具毛坯,减少加工余量,提高模具寿命；
h)在RP、RM、RT上都得到广泛应用,比如制作复杂陶瓷卫生洁具原型和原胎模、翻制树脂模等。
2、PCM装备
随着PCM技术的不断发展，我们成功研发出PCM系列装备并推向市场，主要有两种规格——PCM-1200和PCM-800，具体见图3、图4和表1：
图3 全自动PCM-800装备
图4 半自动PCM-1200装备
表1 PCM系列装备主要参数一览表：
本文未完待续……
第一作者介绍：
金枫，男， 1978年11月出生，高级工程师，毕业于北京科技大学，现任佛山市峰华卓立制造技术有限公司常务副总经理，主要从事快速制造技术及装备的研发和应用研究，拥有8项发明专利和1项实用新型专利，发表论文多篇，希望能为提升我国装备制造业的综合技术水平和国际竞争力贡献绵薄之力。Web:www.fsfenghua.com