摘 要：快速成型技术（Rapid Prototyping）是继NC技术之后制造领域先进技术制造群中的关键技术，快速成型与快速制造技术应用于船舶发动机制造，能显著缩短新品上市的时间，节约产品开发与模具制造的费用。本文主要讨论基于快速成型技术的选择性激光烧结工艺（SLS）在船舶发动机零部件制造中的应用。
关键词：船舶发动机；快速成型；快速制造
当前，发动机制造业逐步向国际化方向发展，市场竞争进一步激烈，生产技术不断更新，生产经营国际化，产品更新换代周期缩短。市场对发动机的功能、排放水平、耐久性提出了更高的要求，用户的需求也逐渐多样化。因而，如何有效提升发动机的质量、缩短开发周期、降低开发成本，是发动机制造业面临的首要难题。随着快速成型（RP）技术的发展与完善，集CAD、激光、数控、新材料等现代科学技术于一身，可以由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的新兴技术，在制造业领域中的应用越来越广泛，在小型船舶发动机制造领域，快速成型与快速铸造技术和传统制造技术相比，优势明显。
一、快速成型与快速制造技术
RP技术在美国、日本、以及欧洲一些国家研究与应用起步较早。美国有众多的高等学府、公司和国家实验室从事RP技术的研发，如The University of Texas at Austin以Prof.Joseph J.Beaman为首，主要进行SLS工艺的研究；日本SONY公司下属的D一MEC，研发了用于SL工艺的SCS型设备；德国EOS从事于SL以及SLS工艺的研发。而我国则在上世纪90年代初才开始RP技术的研发，但由于成品的引进较多，价格高昂，难以满足国内制造业的迫切需求，在政府资助支持下，清华大学、西安交通大学、华中理工以及北京隆源自动成型系统有限公司等学府与机构最早开展RP技术的研发。经过长时间的努力，无论是工艺、设备、软件、材料还是应用，我国RP研发发展迅速，众多的企业开始应用这一新型的制造技术，取得了良好的效益。
RP采用离散/堆积（叠加）成型原理，其流程为：CAD模型→Z向离散化（分层）→层面信息处理→层面加工与粘结→层层堆积。依据三维CAD模型以及具体工艺的需求，按照某一厚度进行分层，将三维数字模型转变为很薄的二维平面模型，并进一步处理数据，加入加工参数，产生数控代码，基于数控系统控制，通过平面加工的方式连续加工出一系列的薄层，粘结成型。其本质是离散叠加制造，将原材料从低到顶完成零件的制造。发动机的结构复杂，开发阶段各种零件模具的生产周期长、花费多，使得发动机的新品开发周期很长。而利用RP技术，从CAD设计到发动机原型制作，通常只需几个小时到几十个小时，节省了制造模具的工序，极大地缩短了研发周期。制造工艺与零件的复杂度无关，制造费用可降低50%，同时可以加个任何形状的零件，发动机的缸体、缸头、进排气管等复杂的零件在很短的时间内便可完成，适合新产品的开发，支持小批量的生产，甚至单件生产。由于RP高集成化的特点，零件可以随时修改制造，短期内就可制作出修改后样机。当前国内发展成熟的快速成型技术已有十多种，与船舶发动机制造密切相关的是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功的选择性激光烧结工艺（SLS，Selective Laser Sintering）。
SLS是指利用激光器对热塑粉末进行分层烧结固化堆积成形零件。加工过程是采用铺粉棍将一层很薄的热塑性粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末熔点的温度，计算机控制激光束按照该层信息扫描，与下面已成型的部分实现粘结，然后进行新一层的烧结，重复上述工序直至完成最后一层的烧结，一个完整的实体零件便制造出来了。能够直接制作金属制品，可采用多种材料、制造工艺比较简单、精度高、生产周期短、材料利用率高（可以认为是100%），与传统工艺方法相结合，可用于发动机缸体、缸盖、进排气管等零部件的快速铸造。
发动机的缸体、缸头一般都可利用快速铸造（Quick Casting / Rapid Casting）技术，在短期内得到发动机样品。基于SLS的快速铸造有两种途径，用热固化树脂砂砂型铸造铸件以及利用可消失的树脂粉末或蜡粉，通过精密铸造工艺得到铸件。砂型制作是根据零件的三维 CAD 毛坯模型设计出组合砂型模型，砂型铸造是发动机零部件铸造的重要方式。而采用快速精密铸造制作的零件具有表面质量好、精度高、工艺简单、成本低的优势，但是熔模铸造一般比较适合于薄壁零件，对于厚壁零件往往因冷却速度慢导致出现缩松等铸造缺陷，一般用于进排气管等相对壁厚较薄的零件铸造。
二、快速成型技术在船舶发动机制造中的应用
将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来，特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造，如铝合金进气管零件的快速制造。一般情况下，10天时间便可完成进气管零件的 CAD 数据到毛坯的成形，用1天时间便可完成零件熔模的快速成型、再经7天时间完成熔模铸造、2天时间进行相关后处理、检验。船舶发动机的进气道由复杂的自由曲面构成，对进气效率、燃烧效率的提高至关重要，是发动机极其重要的组成部分。在发动机的设计过程中，需要对不同的进气道方案进行气道试验。之前的试验方法是加工大量截面的气道木模或石膏模，再翻制成砂模铸造出气道。一旦出现问题则必须修改模型，浪费了大量的人力、物力、财力，依旧无法保证产品的精度。采用快速成型方法，可以很快做出原型，供设计人员和用户审查，使得外形设计及检验更直观、有效、快捷。可一次性地提供一组不同曲面的 CAD 数据，通过快速铸造，同时得到一组进气管零件，从不同气道结构的全面的数据中筛选出最佳方案。相对于小型船舶进气管，发动机的缸体和缸盖结构更为复杂，但是RP适用于结构复杂的零部件制造，而且成本低廉、精度高。缸体、缸盖的内部结构复杂且壁厚相对较厚，可选用快速砂型铸造的方法制造。缸体、缸盖等零件的制作周期平均约两到三周。由于铸造工艺与最终生产工艺极其相近，零件的尺寸精度和机械性能与最终产品零件具有很强的可比性。因此，快速砂型铸造的缸体缸盖可直接用于发动机的各种评价试验，如对气道进行流动分析，对水道进行冷却性能测试。
结语
本文首先分析了快速成型以及快速制造技术，继而介绍了快速成型技术在船舶发动机制造领域的应用。RP与传统制造技术相比，具有制造工艺简单、精度高、生产周期短、材料利用率高等优势，可广泛应用于发动机缸体、缸盖、进排气管等零部件的快速制造，对船舶发动机的研发有重大的实用价值。
参考文献
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