輕便材料及加工技術(shù)：利用RP技術(shù)量產(chǎn)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(shù)在量產(chǎn)中的應(yīng)用。該技術(shù)與利用母模進(jìn)行制造相比可提高精度，實(shí)現(xiàn)薄壁鑄件。作為其中的一環(huán)，該公司試制了對(duì)鋁合金進(jìn)行中空鑄造的副車架。

　　車輛及產(chǎn)業(yè)用鋁部件的試制鑄件通常采用砂模來制造。因?yàn)轭愃圃囍七@樣的少量生產(chǎn)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(shí)間來看，利用砂模時(shí)可以更短。

　　在制造砂模的方法中，目前出現(xiàn)了一種稱為層積砂模制造工藝的技術(shù)。該技術(shù)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(shù)據(jù)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(shí)還可省去初期成本。另外也無需通過母模進(jìn)行的造型、倒模等高難度技術(shù)，可制造出精度更高的任意形狀的砂模。復(fù)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(shí)則不同，可在不進(jìn)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(dá)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(shí)際供貨的業(yè)績(jī)。已經(jīng)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(jié)法方面，KOIWAI使用德國(guó)EOS公司制造的名為“EOSINT-S”的裝置。操作時(shí)鋪設(shè)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(fù)這一操作。在激光未照射到的部分上，樹脂不會(huì)熔化，鑄砂仍呈分散狀態(tài)，可輕松去除。

　　由于可形成強(qiáng)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(jié)法通常用于與材料及形狀相比更注重強(qiáng)度的場(chǎng)合。不過，在利用激光進(jìn)行燒結(jié)之后，還需要放入烘烤爐中，對(duì)整個(gè)砂模進(jìn)行二次燒結(jié)工序，因此前導(dǎo)時(shí)間勢(shì)必會(huì)加長(zhǎng)。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(guó)PROMETAL公司制造的名為“S-Print”的裝置。操作時(shí)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(xì)，像霧一樣噴射出來，因此浸透性很高。然后與激光燒結(jié)法一樣，一層層地反復(fù)這一操作，并將沒有樹脂浸透到的鑄砂去除掉。

　　與激光燒結(jié)法相比，噴墨法所獲得的強(qiáng)度較低，而且表面也略顯粗糙，不過不需要二次燒結(jié)，因此能夠縮短前導(dǎo)時(shí)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(shè)置兩種層積裝置制造砂模，并通過自己鑄造來積累技術(shù)的廠商。本公司能夠在權(quán)衡兩種制造法的利害得失后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況對(duì)使用哪一種做出判斷。這樣便可對(duì)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(jié)法制造砂芯，等等。

　　KOIWAI已成功利用“S-Print”對(duì)AC4C鋁料進(jìn)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(fù)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(shù)據(jù)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(jī)殼體。獲得三維數(shù)據(jù)后用2天完成了鑄模，在第4天完成了鑄造。

　　KOIWAI利用“EOSINT-S”對(duì)AC4C進(jìn)行制造的是馬達(dá)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(zhǎng)的馬達(dá)外殼。尺寸為直徑280×350mm，重量為2.5kg。兩部件在獲得三維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后用3天時(shí)間完成了鑄模，用5天完成了制造。既用于試制也用于量產(chǎn) 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(shù)據(jù)，即便是1件產(chǎn)品也能制造，無需準(zhǔn)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(gòu)買上述設(shè)備的。

　　但KOIWAI逐漸意識(shí)到，如果能夠自如使用這些設(shè)備的話，只將其專用于制造1件產(chǎn)品或者是試制就太浪費(fèi)了。當(dāng)然，如果有一定量產(chǎn)規(guī)模的話，制造木模及樹脂模會(huì)使成本更低。但是，即便為了超過盈虧平衡點(diǎn)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(dāng)?shù)挠唵?。而且?duì)模具進(jìn)行管理時(shí)還要投入設(shè)備及工時(shí)。這樣的話，即使是量產(chǎn)規(guī)模為2000個(gè)/月的量產(chǎn)產(chǎn)品，KOIWAI也會(huì)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(shì)的話，也就不存在盈虧平衡點(diǎn)的問題了。精度高的話就不必過多預(yù)留富余度，可將壁厚最大限度地減薄，從而有望實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)產(chǎn)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(chǎn)產(chǎn)品中，KOIWAI考慮充分運(yùn)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(shè)想的首款產(chǎn)品是用于支撐懸掛臂的副車架。

　　從汽車行業(yè)的常識(shí)來看，如果量產(chǎn)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(jī)感。今后EV（電動(dòng)汽車）等將成為主流，發(fā)動(dòng)機(jī)的作用很可能相對(duì)減少。目前KOIWAI供應(yīng)的鑄造部件大多與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)，存在數(shù)量趨于減少的危險(xiǎn)。而構(gòu)成車身及行駛部分的部件不同，無論汽車以什么為動(dòng)力，都有望出現(xiàn)與輛數(shù)相應(yīng)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(nèi)普遍認(rèn)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(huì)使成本出現(xiàn)某種程度的上升。副車架與其說位于簧下，實(shí)際上不如說位于“簧中”，而簧上則是指以襯套進(jìn)行彈性支撐的部分，因此副車架可以說相對(duì)位于“簧下”。

　　在鋁化處理的選項(xiàng)中，鑄鋁具有優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行提煉的鋁相比，再生鋁塊能夠以5％以下的能量進(jìn)行生產(chǎn)，因此能源價(jià)格高漲的話，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)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(gòu)造為主流。有時(shí)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(shí)現(xiàn)輕量化的趨勢(shì)。雖然此前出現(xiàn)過利用焊接等手段將板材及管材的焊接構(gòu)造及壓鑄件組合起來，形成中空的先例，但尚未發(fā)現(xiàn)中空的一體鑄件。

　　因此，KOIWAI設(shè)想以市售高檔跑車的行駛部分為對(duì)象，找來了一個(gè)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(fèi)的工時(shí)相當(dāng)大。KOIWAI以該部件與支座的位置等能夠?qū)?zhǔn)并調(diào)整為前提制作了CAD數(shù)據(jù)（圖15）。然后根據(jù)這一數(shù)據(jù)，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(hào)篩眼的普通砂。砂芯用層積砂模制造，使用8號(hào)篩眼的細(xì)砂。材質(zhì)為AC4C、鑄造溫度為740℃、平均壁厚為3mm。

　　在實(shí)際進(jìn)行鑄造并對(duì)需要處理的部分進(jìn)行機(jī)床加工后測(cè)量了重量，與實(shí)際車輛上配備的部件進(jìn)行了比較（圖18）。前副車架的加工產(chǎn)品約為15.5kg，而鋁一體鑄造產(chǎn)品為8.9kg。后副車架的加工產(chǎn)品約為27.5kg，而鋁一體鑄造產(chǎn)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(dòng)機(jī)，前輪驅(qū)動(dòng)）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(duì)眾多汽車廠商進(jìn)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(biāo)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(zhǎng)持續(xù)行駛距離，只有大量配備高價(jià)電池或減輕車身重量。從目前的常識(shí)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(chǎng)出發(fā)，為解決這一課題提供支援。

　　車架的外側(cè)利用金屬模來制造，而用以實(shí)現(xiàn)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(huì)比利用砂模制造外側(cè)時(shí)更薄，估計(jì)可減至2～2.5mm。這一臂厚與利用板材制造時(shí)無不同。

另外，對(duì)于與具有強(qiáng)度要求的其他部件進(jìn)行接合的部分，將通過局部性混合鑄入鋼等高強(qiáng)度的材料來進(jìn)行彌補(bǔ)。這種處理在利用沖壓材及板材時(shí)很難實(shí)現(xiàn)，而這里正因是鑄造所以能夠做到。KOIWAI預(yù)定通過改進(jìn)鑄造設(shè)備并對(duì)鑄造條件進(jìn)行最佳設(shè)定，確立具備量產(chǎn)產(chǎn)品制造條件的制造方法。而且生產(chǎn)效率及成本也會(huì)充分滿足量產(chǎn)車的嚴(yán)格要求