轻便材料及加工技术：利用RP技术量产中空铝铸件

 

　　日本铸造部件厂商KOIWAI正在致力于RP（Rapid Prototyping，快速成型）技术在量产中的应用。该技术与利用母模进行制造相比可提高精度，实现薄壁铸件。作为其中的一环，该公司试制了对铝合金进行中空铸造的副车架。

 

　　车辆及产业用铝部件的试制铸件通常采用砂模来制造。因为类似试制这样的少量生产中使用金属模具的话，则无望收回模具成本。而且从交货所需时间来看，利用砂模时可以更短。

 

　　在制造砂模的方法中，目前出现了一种称为层积砂模制造工艺的技术。该技术不利用母模来制造砂模，而是通过RP装置的一种、即层积装置，由三维CAD数据直接制造砂模。

 

　　与原有的制造法相比，这种制造法可将形成铸件的工期缩短一半。由于无需母模，因此制造时还可省去初期成本。另外也无需通过母模进行的造型、倒模等高难度技术，可制造出精度更高的任意形状的砂模。复杂形状的铸件通常要通过熟练的手工作业来形成，在拆分后分别制造，然后用粘合剂将各部分粘合起来。而利用层积砂模时则不同，可在不进行拆分的情况下一体制造完成。

 

　　KOIWAI主要制造供汽车、舷外马达及水上摩托等使用的各种铸造部件，材料以铝为主。目前KOIWAI正致力于层积砂模制造法，并且有了实际供货的业绩。已经在提供试制品。

 

    区别使用两种层积砂模制造法

 

　　层积砂模制造法大致分为激光层积制造法和喷墨制造法两种。

 

　　在激光烧结法方面，KOIWAI使用德国EOS公司制造的名为“EOSINT-S”的装置。操作时铺设一层铸砂与树脂的混合物，只向想要保留下来的地方照射激光，使树脂熔化再凝固起来。然后一层层地反复这一操作。在激光未照射到的部分上，树脂不会熔化，铸砂仍呈分散状态，可轻松去除。

 

　　由于可形成强度与利用金属模制造的壳型砂芯相同的砂模，因此激光烧结法通常用于与材料及形状相比更注重强度的场合。不过，在利用激光进行烧结之后，还需要放入烘烤炉中，对整个砂模进行二次烧结工序，因此前导时间势必会加长。该制造法可形成最大尺寸为750×350×350mm的砂模。

 

　　而在喷墨法方面，KOIWAI使用的是美国PROMETAL公司制造的名为“S-Print”的装置。操作时以喷墨方式向铺好的薄薄一层铸砂上喷射熔化的树脂。由于树脂的粒子微细，像雾一样喷射出来，因此浸透性很高。然后与激光烧结法一样，一层层地反复这一操作，并将没有树脂浸透到的铸砂去除掉。

 

　　与激光烧结法相比，喷墨法所获得的强度较低，而且表面也略显粗糙，不过不需要二次烧结，因此能够缩短前导时间。该制造法可以制造最大为750×380×400mm的砂模，所以两种制造法在尺寸上相差不大。

 

　　KOIWAI是日本唯一一家设置两种层积装置制造砂模，并通过自己铸造来积累技术的厂商。本公司能够在权衡两种制造法的利害得失后，根据现场的情况对使用哪一种做出判断。这样便可对两种制造法区别使用，比如用喷墨法制造上模和下模，用激光烧结法制造砂芯，等等。

 

　　KOIWAI已成功利用“S-Print”对AC4C铝料进行了铸造，铸造的是逆变器外壳的试制品。照片中的工件为了用于拍摄而切去了一部分，可以看到由砂芯脱模后形成的复杂的冷却水路。该试制品的尺寸为480×320×175mm，重量为5kg。

 

　　KOIWAI还试制了略扁平一些的逆变器散热外壳。尺寸为520×320×160mm，重量为4kg。以上两部件在获得三维数据后用3天完成了铸模，用6天完成了铸造。

 

　　另外还制造了尺寸为300×200×180mm，重量为1.5kg的压缩机壳体。获得三维数据后用2天完成了铸模，在第4天完成了铸造。

 

　　KOIWAI利用“EOSINT-S”对AC4C进行制造的是马达的外壳。尺寸为直径350×125mm，重量为3.2kg。另外还制造了在轴方向上稍长的马达外壳。尺寸为直径280×350mm，重量为2.5kg。两部件在获得三维数据后均用3天完成了铸模，用5天完成了铸造。

 

此外还可利用“SPrint”制造了铸铁涡轮壳体（图13）。尺寸为200×200×180mm，重量为2kg。在获得三维数据后用3天时间完成了铸模，用5天完成了制造。既用于试制也用于量产 层积砂模制造法原本就是为制造试制品而开发的。只要有CAD数据，即便是1件产品也能制造，无需准备母模。正适于试制用途。KOIWAI也正是为了在试制部门使用才购买上述设备的。

 

　　但KOIWAI逐渐意识到，如果能够自如使用这些设备的话，只将其专用于制造1件产品或者是试制就太浪费了。当然，如果有一定量产规模的话，制造木模及树脂模会使成本更低。但是，即便为了超过盈亏平衡点而决定制造木模及树脂模，也不能保证获得与这些模具的寿命相当的订单。而且对模具进行管理时还要投入设备及工时。这样的话，即使是量产规模为2000个/月的量产产品，KOIWAI也会考虑使用层积砂模制造法。

 

　　另外，如果能够充分利用精度高这一优势的话，也就不存在盈亏平衡点的问题了。精度高的话就不必过多预留富余度，可将壁厚最大限度地减薄，从而有望实现轻质产品。这样的话，即使投入某种程度的成本也是值得采用的。

利用中空铝铸件来减轻车辆

　　在量产产品中，KOIWAI考虑充分运用层积砂模制造法的是供汽车的车身及行驶部分使用的中空部件。设想的首款产品是用于支撑悬挂臂的副车架。

　　从汽车行业的常识来看，如果量产规模大的话，铝铸件就利用金属模来制造，但中空件未必如此。利用金属模制造砂芯的话在铸造后无法取出，只能利用砂模。也就是说要用层积砂模制造法来制造砂芯。

　　选择该部件的背景在于KOIWAI作为铸件厂商所具有的危机感。今后EV（电动汽车）等将成为主流，发动机的作用很可能相对减少。目前KOIWAI供应的铸造部件大多与发动机有关，存在数量趋于减少的危险。而构成车身及行驶部分的部件不同，无论汽车以什么为动力，都有望出现与辆数相应的需求。

　　其中，KOIWAI致力于悬挂部件的原因在于轻量化的效果巨大。业内普遍认为，减轻簧下重量的话，可提高操纵稳定性，与减轻簧上重量相比，能够获得3倍的功效。但这样很可能会使成本出现某种程度的上升。副车架与其说位于簧下，实际上不如说位于“簧中”，而簧上则是指以衬套进行弹性支撑的部分，因此副车架可以说相对位于“簧下”。

　　在铝化处理的选项中，铸铝具有优点。这就是，与冲压材及板材等不同，原料可以使用循环再生材料。日本目前已形成资源循环再生体制，市面上流通的金属锭有近50％为循环再生材料。与利用原材料即铝土矿进行提炼的铝相比，再生铝块能够以5％以下的能量进行生产，因此能源价格高涨的话，价格竞争力就会上升。

试制副车架并展出

　目前的副车架以冲压钢板后通过焊接来接合的构造为主流。有时也通过与液压成型钢管组合来制造。该部件存在改用铝合金以实现轻量化的趋势。虽然此前出现过利用焊接等手段将板材及管材的焊接构造及压铸件组合起来，形成中空的先例，但尚未发现中空的一体铸件。

　　因此，KOIWAI设想以市售高档跑车的行驶部分为对象，找来了一个副车架（图14）。该副车架是在冲压钢板并弯曲钢管之后再将它们焊接起来而制成的。可以推断其耗费的工时相当大。KOIWAI以该部件与支座的位置等能够对准并调整为前提制作了CAD数据（图15）。然后根据这一数据，用层积砂模分别制造了上模和下模（图16、17）。

　　整体用普通砂模制造，砂模使用7号筛眼的普通砂。砂芯用层积砂模制造，使用8号筛眼的细砂。材质为AC4C、铸造温度为740℃、平均壁厚为3mm。

　　在实际进行铸造并对需要处理的部分进行机床加工后测量了重量，与实际车辆上配备的部件进行了比较（图18）。前副车架的加工产品约为15.5kg，而铝一体铸造产品为8.9kg。后副车架的加工产品约为27.5kg，而铝一体铸造产品为14.5kg。前、后副车架分别大幅减轻了44％和46％。

　　此外，KOIWAI还试制了FF（前置发动机，前轮驱动）车型的前副车架。该部件从14.2kg降至6.9kg，减轻了52％。

　　2010年5月KOIWAI在“人与车科技展”上KOIWAI展出了上述3种副车架试制品，并对众多汽车厂商进行了介绍。并且也有厂商表示出了兴趣。

　　在副车架之后，KOIWAI的下一课题是车身。目标是以中空方式一体铸造EV用小型车架。EV的电池性能目前还处于发展阶段，要想延长持续行驶距离，只有大量配备高价电池或减轻车身重量。从目前的常识来看，EV的持续行驶距离尚且较短。KOIWAI将从铸件厂商的立场出发，为解决这一课题提供支援。

　　车架的外侧利用金属模来制造，而用以实现中空的砂芯则通过层积砂模来制造。虽然金属模成本较高，但其精度极为出色。这样，壁厚就会比利用砂模制造外侧时更薄，估计可减至2～2.5mm。这一臂厚与利用板材制造时无不同。

另外，对于与具有强度要求的其他部件进行接合的部分，将通过局部性混合铸入钢等高强度的材料来进行弥补。这种处理在利用冲压材及板材时很难实现，而这里正因是铸造所以能够做到。KOIWAI预定通过改进铸造设备并对铸造条件进行最佳设定，确立具备量产产品制造条件的制造方法。而且生产效率及成本也会充分满足量产车的严格要求