輕便材料及加工技術：利用RP技術量產中空鋁鑄件

 

　　日本鑄造部件廠商KOIWAI正在致力于RP（Rapid Prototyping，快速成型）技術在量產中的應用。該技術與利用母模進行制造相比可提高精度，實現薄壁鑄件。作為其中的一環(huán)，該公司試制了對鋁合金進行中空鑄造的副車架。

 

　　車輛及產業(yè)用鋁部件的試制鑄件通常采用砂模來制造。因為類似試制這樣的少量生產中使用金屬模具的話，則無望收回模具成本。而且從交貨所需時間來看，利用砂模時可以更短。

 

　　在制造砂模的方法中，目前出現了一種稱為層積砂模制造工藝的技術。該技術不利用母模來制造砂模，而是通過RP裝置的一種、即層積裝置，由三維CAD數據直接制造砂模。

 

　　與原有的制造法相比，這種制造法可將形成鑄件的工期縮短一半。由于無需母模，因此制造時還可省去初期成本。另外也無需通過母模進行的造型、倒模等高難度技術，可制造出精度更高的任意形狀的砂模。復雜形狀的鑄件通常要通過熟練的手工作業(yè)來形成，在拆分后分別制造，然后用粘合劑將各部分粘合起來。而利用層積砂模時則不同，可在不進行拆分的情況下一體制造完成。

 

　　KOIWAI主要制造供汽車、舷外馬達及水上摩托等使用的各種鑄造部件，材料以鋁為主。目前KOIWAI正致力于層積砂模制造法，并且有了實際供貨的業(yè)績。已經在提供試制品。

 

    區(qū)別使用兩種層積砂模制造法

 

　　層積砂模制造法大致分為激光層積制造法和噴墨制造法兩種。

 

　　在激光燒結法方面，KOIWAI使用德國EOS公司制造的名為“EOSINT-S”的裝置。操作時鋪設一層鑄砂與樹脂的混合物，只向想要保留下來的地方照射激光，使樹脂熔化再凝固起來。然后一層層地反復這一操作。在激光未照射到的部分上，樹脂不會熔化，鑄砂仍呈分散狀態(tài)，可輕松去除。

 

　　由于可形成強度與利用金屬模制造的殼型砂芯相同的砂模，因此激光燒結法通常用于與材料及形狀相比更注重強度的場合。不過，在利用激光進行燒結之后，還需要放入烘烤爐中，對整個砂模進行二次燒結工序，因此前導時間勢必會加長。該制造法可形成最大尺寸為750×350×350mm的砂模。

 

　　而在噴墨法方面，KOIWAI使用的是美國PROMETAL公司制造的名為“S-Print”的裝置。操作時以噴墨方式向鋪好的薄薄一層鑄砂上噴射熔化的樹脂。由于樹脂的粒子微細，像霧一樣噴射出來，因此浸透性很高。然后與激光燒結法一樣，一層層地反復這一操作，并將沒有樹脂浸透到的鑄砂去除掉。

 

　　與激光燒結法相比，噴墨法所獲得的強度較低，而且表面也略顯粗糙，不過不需要二次燒結，因此能夠縮短前導時間。該制造法可以制造最大為750×380×400mm的砂模，所以兩種制造法在尺寸上相差不大。

 

　　KOIWAI是日本唯一一家設置兩種層積裝置制造砂模，并通過自己鑄造來積累技術的廠商。本公司能夠在權衡兩種制造法的利害得失后，根據現場的情況對使用哪一種做出判斷。這樣便可對兩種制造法區(qū)別使用，比如用噴墨法制造上模和下模，用激光燒結法制造砂芯，等等。

 

　　KOIWAI已成功利用“S-Print”對AC4C鋁料進行了鑄造，鑄造的是逆變器外殼的試制品。照片中的工件為了用于拍攝而切去了一部分，可以看到由砂芯脫模后形成的復雜的冷卻水路。該試制品的尺寸為480×320×175mm，重量為5kg。

 

　　KOIWAI還試制了略扁平一些的逆變器散熱外殼。尺寸為520×320×160mm，重量為4kg。以上兩部件在獲得三維數據后用3天完成了鑄模，用6天完成了鑄造。

 

　　另外還制造了尺寸為300×200×180mm，重量為1.5kg的壓縮機殼體。獲得三維數據后用2天完成了鑄模，在第4天完成了鑄造。

 

　　KOIWAI利用“EOSINT-S”對AC4C進行制造的是馬達的外殼。尺寸為直徑350×125mm，重量為3.2kg。另外還制造了在軸方向上稍長的馬達外殼。尺寸為直徑280×350mm，重量為2.5kg。兩部件在獲得三維數據后均用3天完成了鑄模，用5天完成了鑄造。

 

此外還可利用“SPrint”制造了鑄鐵渦輪殼體（圖13）。尺寸為200×200×180mm，重量為2kg。在獲得三維數據后用3天時間完成了鑄模，用5天完成了制造。既用于試制也用于量產 層積砂模制造法原本就是為制造試制品而開發(fā)的。只要有CAD數據，即便是1件產品也能制造，無需準備母模。正適于試制用途。KOIWAI也正是為了在試制部門使用才購買上述設備的。

 

　　但KOIWAI逐漸意識到，如果能夠自如使用這些設備的話，只將其專用于制造1件產品或者是試制就太浪費了。當然，如果有一定量產規(guī)模的話，制造木模及樹脂模會使成本更低。但是，即便為了超過盈虧平衡點而決定制造木模及樹脂模，也不能保證獲得與這些模具的壽命相當的訂單。而且對模具進行管理時還要投入設備及工時。這樣的話，即使是量產規(guī)模為2000個/月的量產產品，KOIWAI也會考慮使用層積砂模制造法。

 

　　另外，如果能夠充分利用精度高這一優(yōu)勢的話，也就不存在盈虧平衡點的問題了。精度高的話就不必過多預留富余度，可將壁厚最大限度地減薄，從而有望實現輕質產品。這樣的話，即使投入某種程度的成本也是值得采用的。

利用中空鋁鑄件來減輕車輛

　　在量產產品中，KOIWAI考慮充分運用層積砂模制造法的是供汽車的車身及行駛部分使用的中空部件。設想的首款產品是用于支撐懸掛臂的副車架。

　　從汽車行業(yè)的常識來看，如果量產規(guī)模大的話，鋁鑄件就利用金屬模來制造，但中空件未必如此。利用金屬模制造砂芯的話在鑄造后無法取出，只能利用砂模。也就是說要用層積砂模制造法來制造砂芯。

　　選擇該部件的背景在于KOIWAI作為鑄件廠商所具有的危機感。今后EV（電動汽車）等將成為主流，發(fā)動機的作用很可能相對減少。目前KOIWAI供應的鑄造部件大多與發(fā)動機有關，存在數量趨于減少的危險。而構成車身及行駛部分的部件不同，無論汽車以什么為動力，都有望出現與輛數相應的需求。

　　其中，KOIWAI致力于懸掛部件的原因在于輕量化的效果巨大。業(yè)內普遍認為，減輕簧下重量的話，可提高操縱穩(wěn)定性，與減輕簧上重量相比，能夠獲得3倍的功效。但這樣很可能會使成本出現某種程度的上升。副車架與其說位于簧下，實際上不如說位于“簧中”，而簧上則是指以襯套進行彈性支撐的部分，因此副車架可以說相對位于“簧下”。

　　在鋁化處理的選項中，鑄鋁具有優(yōu)點。這就是，與沖壓材及板材等不同，原料可以使用循環(huán)再生材料。日本目前已形成資源循環(huán)再生體制，市面上流通的金屬錠有近50％為循環(huán)再生材料。與利用原材料即鋁土礦進行提煉的鋁相比，再生鋁塊能夠以5％以下的能量進行生產，因此能源價格高漲的話，價格競爭力就會上升。

試制副車架并展出

　目前的副車架以沖壓鋼板后通過焊接來接合的構造為主流。有時也通過與液壓成型鋼管組合來制造。該部件存在改用鋁合金以實現輕量化的趨勢。雖然此前出現過利用焊接等手段將板材及管材的焊接構造及壓鑄件組合起來，形成中空的先例，但尚未發(fā)現中空的一體鑄件。

　　因此，KOIWAI設想以市售高檔跑車的行駛部分為對象，找來了一個副車架（圖14）。該副車架是在沖壓鋼板并彎曲鋼管之后再將它們焊接起來而制成的?？梢酝茢嗥浜馁M的工時相當大。KOIWAI以該部件與支座的位置等能夠對準并調整為前提制作了CAD數據（圖15）。然后根據這一數據，用層積砂模分別制造了上模和下模（圖16、17）。

　　整體用普通砂模制造，砂模使用7號篩眼的普通砂。砂芯用層積砂模制造，使用8號篩眼的細砂。材質為AC4C、鑄造溫度為740℃、平均壁厚為3mm。

　　在實際進行鑄造并對需要處理的部分進行機床加工后測量了重量，與實際車輛上配備的部件進行了比較（圖18）。前副車架的加工產品約為15.5kg，而鋁一體鑄造產品為8.9kg。后副車架的加工產品約為27.5kg，而鋁一體鑄造產品為14.5kg。前、后副車架分別大幅減輕了44％和46％。

　　此外，KOIWAI還試制了FF（前置發(fā)動機，前輪驅動）車型的前副車架。該部件從14.2kg降至6.9kg，減輕了52％。

　　2010年5月KOIWAI在“人與車科技展”上KOIWAI展出了上述3種副車架試制品，并對眾多汽車廠商進行了介紹。并且也有廠商表示出了興趣。

　　在副車架之后，KOIWAI的下一課題是車身。目標是以中空方式一體鑄造EV用小型車架。EV的電池性能目前還處于發(fā)展階段，要想延長持續(xù)行駛距離，只有大量配備高價電池或減輕車身重量。從目前的常識來看，EV的持續(xù)行駛距離尚且較短。KOIWAI將從鑄件廠商的立場出發(fā)，為解決這一課題提供支援。

　　車架的外側利用金屬模來制造，而用以實現中空的砂芯則通過層積砂模來制造。雖然金屬模成本較高，但其精度極為出色。這樣，壁厚就會比利用砂模制造外側時更薄，估計可減至2～2.5mm。這一臂厚與利用板材制造時無不同。

另外，對于與具有強度要求的其他部件進行接合的部分，將通過局部性混合鑄入鋼等高強度的材料來進行彌補。這種處理在利用沖壓材及板材時很難實現，而這里正因是鑄造所以能夠做到。KOIWAI預定通過改進鑄造設備并對鑄造條件進行最佳設定，確立具備量產產品制造條件的制造方法。而且生產效率及成本也會充分滿足量產車的嚴格要求