镁合金的熔模铸造

寂静回声

镁合金是工业应用中最轻的结构金属，密度是铝的三分之二，钢的四分之一，具有比强度、比刚度高，导热性、导电性好、阻尼减震、易于加工成型和容易回收的特点。同时，镁合金也存在着容易氧化燃烧、耐蚀性差、常温力学性能差、高温强度及蠕变性能低等缺点。 镁合金多用作结构件，镁合金的铸造水平成为其应用的关键。熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，有些铸件只需要打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。熔模铸造是很有应用前景的镁合金成形技术。 日前，Autodesk位于 San Francisco的9号码头创新工厂就尝试通过3D打印熔模来铸造镁合金，从而实现飞机座椅的轻量化。这种座椅结构件适合任何标准的商用喷气式飞机，预计可以通过减重为航空公司节约数百万美元的成本。
晶格结构是通过Autodesk Netfabb软件设计的，Autodesk工程师发现，这种晶格结构通过金属打印的方式生产出来并不是当前最好的方法，他们结合了现代的3D打印PMMA精密铸造模具的制造方法与传统的铸造方法。虽然，金属3D打印在推动制造业跨越式发展，并能够生产非常复杂的产品，但目前材料选项仍然有限。目前增材制造支持的材料只有几十种，但铸造可以在成千上万种的金属和复合材料中进行选择。因此，该项目利用了3D打印的技术优势，而不完全依赖于3D打印技术。
利用3D打印和铸造，使两种方法相互补充来生产飞机座椅骨架。铸造提供了更实惠的方式生产座椅框架，不仅仅是单件成本更低，从生产效率看适合生产更大的数量。Autodesk9号码头创新工厂，配备了一系列的3D打印技术和数控机床，但9号码头并不具备铸造能力。为此，Autodesk与Aristo Cast铸造公司合作了这个项目。 Aristo 铸造公司位于美国密歇根州阿尔蒙特市，能够成功应对有挑战性的铸造项目，Aristo Cast能够使用镁——这是市面上任何金属3D打印机都无法做到的。此材料近期刚刚通过联邦航空管理局（Federal Aviation Administration）要求的防火测试，2015年被批准用于飞机上，尽管Autodesk表示还没听说过有使用镁制座椅的飞机。

座椅支架的晶格机构由欧特克旗下数字制造集团（Digital Manufacturing Group）的设计顾问安迪•哈里斯（Andy Harris）提出，双方经过一系列的探讨，最终决定用镁合金来完成铸造过程。当然，镁合金的铸造过程并不容易，采用不同的型壳体系，或者浇注前对型壳的焙烧工艺不同，镁合金冷却的过程也不相同，得到的铸件组织也不同。并且还需要注意解决镁合金在熔炼和浇注过程中的氧化和燃烧问题。
基于镁合金零件的铸造是一个复杂的过程，双方将模型进行了谨慎的铸造仿真。通过Netfabb软件进行模型的修改，再通过铸造仿真确认其性能。更新后的三维模型，在3D打印完成后，被送到Aristo Cast，在3D打印的塑料外层涂覆了陶瓷涂层，随后塑料加热蒸发，陶瓷壳变硬了，最后将镁合金注入到型腔中，完成铸造过程。最终，飞机座椅骨架减重了56%，减重来自于创成式设计，以及轻量化镁合金材料。
最终，通过轻量化设计和3D打印已经将飞机座椅骨架实现了减重，而镁合金比铝轻35%，通过材料的选择，又进一步将座椅骨架减重。这对商业航空公司意味着什么？如果以100架A380飞机服役20年来计算，航空公司将节省2亿多美元的燃料费用。这好比8万辆汽车一年减少的126000吨的二氧化碳排放量。 目前已有几家航空公司和飞机制造商有意探讨这种技术结合的可能性，巴斯蒂安和哈里斯正在与其洽谈。虽然超轻型支架尚处于概念验证阶段，但它早已拿下了不少奖项；2017年，它获得了美国铸造协会的“年度铸造奖”。那么问题来了：座椅支架的重量大大减轻是否意味着飞机能够给乘客提供多一点腿部活动空间呢？