3D打印技術及其在鑄造中應用現狀與發展展望

傅駿等

摘要：本文概述了3D打印技術主要應用領域及國內外技術與行業現狀。3D打印在鑄造中的應用目前主要是用在快速制造砂型、直接打印金屬產品、缺陷修補（再制造）方面。中日兩國都提出了集中精力發展大型鑄型3D打印技術。日本的技術路線是采用分層噴射砂和粘結劑，中國的技術路線是采用激光打印鑄型。

關鍵詞：3D打印 鑄造 激光成形 鑄型

3D打印技術自1984年正式誕生以來，今年恰逢30周年。隨著第三次工業革命的提出，在普通大眾眼中也日漸火爆。論文、專利的井噴好像象征著3D打印就可以進入千家萬戶，但實際情況并非如此。

傳統的鑄造生產是設計-模具-造型-澆注-清理-后處理-機加。3D打印是否可以在鑄造的鑄型制造、鑄造模具或者直接打印產品上做出貢獻？

1 3D打印技術概述

3D打印學名為增材制造技術，其工作原理是將計算機設計出的三維模型分解為若干層平面切片，然后把“打印”材料按切片圖形逐層疊加，最終“堆積”成完整的物體。關于3D打印技術的發展脈絡、各種技術原理及適用范圍已經在各書籍、論文中，限于篇幅，本文不再贅述。

1.1 目前主要應用領域

目前，3D打印主要用在3個方面：大眾消費（桌面級）、工業級、生物工程級。

①大眾消費（桌面級）。用于工業設計、工藝設計、珠寶、玩具、文化創意等領域。

②工業級又有兩個方面，一是原型制造，主要用于模具、模型等行業。二是產品制造，包括大型金屬結構件和小型金屬零部件的直接制造。

③生物工程級。如打印器官、骨骼、牙齒、細胞、軟組織等[1]。

1.2 3D打印技術與行業現狀

①歐美的3D研究和產業化。

在美國，3D打印技術已初步產業化，其中Stratasys和3D Systems是兩家龍頭企業，均已經在納斯達克上市。2013年8月16日，“美國國家增材制造創新中心”剪彩成立。

歐盟也設置了基金會來支持3D打印技術，分別在諾丁漢大學、謝菲爾德大學、埃克斯特大學建立了3D打印中心。

②國內3D行業現狀。

國內的3D打印行業分為學院派和市場派。學院派主要以清華大學、西安交通大學、華中科技大學、西北工業大學、北京航空航天大學等高校為主。市場派主要包括南京紫金立德、湖南華曙高科、無錫飛爾康、杭州先臨、中航激光、武漢濱湖等[1]。

③中國3D打印技術產業聯盟。

2012年10月15日，由亞洲制造業協會、北京航空航天大學、華中科技大學、清華大學等權威科研機構和3D行業領先企業共同發起的中國3D打印技術產業聯盟在北京宣告成立，自稱是全球首家3D打印產業聯盟。

④世界3D打印技術產業聯盟。

2013年5月29日，由中國3D打印技術產業聯盟以及英國3D增材制造聯盟、美國的Exone 公司、德國EOS公司、美國的3D Stratsys公司、比利時Materialise公司、英國Choc Edge Ltd公司、美國drexel大學、新加坡南洋理工大學機械與宇航學院等科研單位和企業共同發起成立世界3D打印技術產業聯盟。2014年6月19-22日將在青島召開第二屆世界3D打印技術產業大會暨2014年世界3D打印技術博覽會。

1.3 3D技術應用前景

通過中國知網、維普等查詢到關于3D的論文汗牛充棟，讓人熱血沸騰。但基本都是關于3D技術的普及知識以及在醫學、模具、建筑等應用案例。資本市場也熱鬧非凡，但有頭腦的風投非常謹慎[2]。一般認為：

①3D打印不可能，至少不可能完全，取代傳統制造業。

3D打印究竟能夠做什么？美國的、歐洲的3D企業，也說不出來。否則，他們就不會在世界3D產業大會上和中央電視臺的專題節目中炫耀：利用3D打印技術打印一把吉他，打印一支電子琴，打印一個臺燈，或者打印一把手槍……

傳統制造業經過數千年的積累和發展，已經非常完善和成熟，無論是工藝特點，還是成本因素、材料因素，3D打印技術都是無法比擬的。3D打印技術的真正奧秘所在，不是什么都能做，而應該是傳統制造業不能做或很難做的領域，利用3D打印技術可以輕松實現[1]。

②個人消費。

由于成本問題以及操作者的技術水平——因為3D應用并不是零門檻，要以現有技術，一家用戶需要準備多種原材料和成本的水平推廣，肯定有難度，很難形成市場規模。關鍵是如何培育應用市場，用戶是需要去培育的。所以，短期內家用3D打印行業也難形成氣候。

2 3D打印技術在鑄造中應用現狀綜述

3D打印在鑄造中已經有一些應用，主要是用在快速制造砂型和直接打印金屬產品兩方面。在缺陷修補（挽救）方面也有一定的應用。

2.1 利用3D技術原理快速制造無模精密砂型

中國鑄造協會網站稱，2014年5月將在北京召開第十二屆中國國際博覽會，其中的“3D打印與數字化無模鑄造精密成型技術”中提到“北京瑞泓翔宏大科技集團、北京北方恒利科技發展有限公司等將展示3D砂型/砂芯打印機和各類激光粉末燒結快速成型3D打印機”[3]。

文獻[4]綜述了目前利用3D打印技術原理快速制造無模砂型的幾種技術。

①激光燒結SLS。

用覆膜砂，逐層鋪粉，用激光對粉末加以固化。

②中國的無模鑄型制造技術PCM。

三維打印頭噴射粘結劑，按照界面輪廓信息利用雙噴頭同時將粘結劑和催化劑噴射而出，通過兩者的交聯，制造的砂型涂上涂料即可澆注。

③美國的基于三維打印的直接殼型鑄造DSPC。

選用陶瓷顆粒、硅酸鹽水溶液打印殼型。澆注前需進行焙燒。

④Zcorp公司。endprint

三維打印制造有色合金的砂型。型殼厚度可達到12mm。

⑤ExOne公司的3DP技術ProMetalRCT。

選用樹脂砂作為成形材料。打印速度可達到59400-108000cm3/h。

⑥Generis公司的GS工藝。

將樹脂通過多通道噴頭均勻向砂床噴射，根據砂型輪廓噴射催化劑形成砂型。

2.2 激光立體成形技術

激光立體成形技術通過激光融化金屬粉末，幾乎直接可以“打印”任何形狀的產品。其最大的特點是，使用的材料為金屬，“打印”的產品具有極高的力學性能，能滿足多種用途。

西北工業大學凝固技術國家重點實驗室由長江學者黃衛東領銜。3D打印技術在航空領域應用的典型是為國產大飛機C919制造中央翼緣條。該中央翼緣的條長達3米，屬于大型鈦合金結構件。西北工業大學應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結構件的制造。

西工大3D打印技術對零部件的修復也獨樹一幟。航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成數十萬、上百萬元損失。而通過3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節約了時間和金錢[5]。

3 3D打印技術在鑄造中應用發展展望

3D打印技術對于我國鑄造行業整體而言，黃衛東教授認為“是機遇多于挑戰”。他說，在激光組合制造領域，可以增強對市場需求的適應能力；在快速制造模型與砂型方面，3D打印可以加速新產品研發速度，降低工藝研究成本與風險，滿足單件與小批量市場需求；在高性能修復方面，可減少高端鑄件廢品率，滿足產品進度要求與直接制造相比較，3D打印技術在“更復雜的結構、更高的性能、更快的反應速度”方面具有極大的優勢。但是當前的情況是，黃衛東認為“這些挑戰對目前的鑄造界來講，還是微不足道的”。其中一個重要原因在于3D打印的原材料成本很高：現階段鋁合金大概是每公斤就要兩萬多元。“但是，這項新技術當中成本下降的空間是很大的，我們要對3D打印技術未來發展對鑄造界帶來的挑戰保持清醒的認識”[5]。

3.1 日本計劃開發下一代高性能鑄模3D打印機

日本計劃由產經省出資30億日元，由日本產業技術綜合研究所牽頭，聯合早稻田大學、群榮化學工業、木村鑄造所、CMET、KOIWAI、日產汽車、小松制作所等發揮產學研優勢，共同參與、分工協作，在5年內生產出較現行鑄模制造裝置成本下降80%，制造速度提高10倍的高性能鑄模3D打印機。

目前，利用3D打印機制造工業大型鑄模存在速度和精度等方面缺陷。日本設計中的下一代鑄模3D打印機將采用反復、高速噴射特制膠水以固著細砂技術原理，以在短時間內形成復雜形狀的鑄模。

3.2 國家863計劃關于3D打印的重點支持方向

《國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》中“面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結成型裝備研制及應用”的表述為，“針對復雜零部件模具快速制造的需求，研制適合制造蠟模、蠟型、砂型制造，以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結成型裝備，臺面2米×2米，制件精度控制在±0.1%以內，堆積效率達1000cm3/h以上。制訂相關技術標準，并在汽車、模具等行業產品研制中得到應用”。

4 結束語

3D打印技術在鑄造上的應用，集中在砂型、模具、鑄件制造及挽救。從中國和日本的發展指南來看，兩個國家不約而同地選擇了發展大型鑄型3D打印技術。但中日的技術路線有所差別：日本的技術路線是采用分層噴射砂和粘結劑，中國863計劃申報指南是采用激光打印鑄型。二者的共同努力方向都是大型化，提高精度。

以3D打印為代表的第三次工業革命，以數字化、人工智能化制造與新型材料的應用為標志，必將為人類生活帶來革新性的變化，而這也是發展中國家盡快趕上發達國家的良好機會。

參考文獻：

[1]羅軍.應積極推動3D打印技術產業發展[J].中國黨政干部論壇.2013，10：19-22.

[2]唐一凡.3D打印在中國的發展現狀、行業泡沫浮現投資觀望http：//bbs.icxo.com/thread-384709-1-1.html（2014-2-20）.

[3]中國鑄造協會展覽部.智能化、數字化鑄造裝備盡在第十二屆中國國際鑄造博覽會. http：//www.foundry.com.cn/WebUI/IndustryNewsPre/IndustryNewDetial.aspx？typeId=16334（2014-2-20）.

[4]唐監懷.無模精密砂型快速鑄造技術運用研究[J].鑄造技術，2013，34（12）：1796-1798.

[5]王凡華.黃衛東教授剖析“3D打印”給鑄造業帶來的機遇與挑戰.http：//news.nwpu.edu.cn/info/1002/24420.htm（2014-2-20）.

基金項目：

四川工程職業技術學院課題“三維泡沫實型澆注驗證鑄造工藝的應用研究”（YJ2013KY-01）。

德陽市金橋工程“基于ANSYS的大余量機加工過程避免共振技術推廣”。

作者簡介：

傅駿（1973-），男，四川儀隴人，教授，博士研究生，主要研究方向：材料成型與控制，數字化設計與制造。endprint