增材制造3D打印鑄造的發展與應用

關彥齊　王芳芳

摘? 要：增材制造技術（3D打印技術）是一種新興的成型技術，具有設計周期短、精度高、經濟性好、復雜零件對加工無影響等特點，實現了從三維模型數據直接成型為實體零件。將增材制造技術與鑄造相結合，可提高鑄件的生產效率、降低成本，擴大鑄造工藝的應用領域，文章介紹了增材制造在鑄造方面的發展，并詳細的闡述了3D打印砂型、砂芯鑄造的工作原理，指出了增材制造技術在鑄造行業的優勢和應用。并分析指出了當前增材制造模具面臨的挑戰和一些相應的解決措施，最后對增材制造砂型鑄造技術未來的發展方向進行了展望，預測今后的發展趨勢為快速化、智能化、大型化的方向發展。

關鍵詞：3D打印;增材制造;鑄造;砂型;砂芯

中圖分類號：TG76 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0110-02

Abstract： Adding material manufacturing technology （3D printing technology） is a new forming technology， which has the characteristics of short design cycle， high precision， good economy， and no influence on the machining of complex parts， and realizes the direct molding from three-dimensional model data to solid parts. The combination of increasing material manufacturing technology and casting can improve the production efficiency of castings， reduce the cost and expand the application field of casting technology. The development of adding material manufacturing in casting is introduced in this paper. The working principles of 3D printing sand mold and sand core casting are described in detail， and the advantages and applications of adding material manufacturing technology in casting industry are pointed out. The challenges faced by the increasing material manufacturing mould and some corresponding solutions are analyzed and pointed out. Finally， the future development direction of the sand casting technology is prospected. It is predicted that the future development trend will be rapid， intelligent and large-scale.

Keywords： 3D printing; increasing material manufacturing; casting; sand mold; sand core

引言

增材制造技術（3D打印）打破傳統制備工藝的束縛，借助計算機輔助設計，以數字模型為基礎，利用離散/堆積原理將零件三維模型分割成多個二維截面，通過疊加的方式將截面堆積成三維實體，涉及到機械工程、自動控制、激光、計算機、材料等多個學科，廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、農業器械、建筑、醫療器械等領域，3D打印在可直接制造出各種結構的金屬或非金屬零件，具有無模具、周期短、降低小批量生產成本、復雜零件對加工無影響等優點[1]。

現代工業產品的制造非常依賴于模具，目前我國的鑄造企業有近3萬家，約占世界產量的一半。傳統鑄造、鍛造和機械加工在制備復雜模具時，存在噪聲大、粉塵大、設備笨重、技術難度大、時間長、成本高等諸多問題，尤其是制造幾何形狀復雜的模具時，難以滿足模具對致密度和精度的要求，極大縮短了模具的使用壽命;同時，在制造復雜模具過程中，在鍛造加工早期會出現疲勞斷裂，且難以用切削加工制造形狀復雜的模具，極易損壞刀具。因此，急需探索新工藝、新技術來解決復雜模具的加工制備問題，滿足工業發展對結構復雜零件的需求[2]。

介于此，將增材制造技術和鑄造技術相結合，進行優勢互補，提高鑄造柔性、縮短制備周期、提高生產效率，保證產品品質及精度、確保產品使用性能、實現單件小批量生產，對于現代鑄造行業的發展與改革具有重要的意義。本文將簡介增材制造技術在鑄造方面的工作原理和發展，并在此基礎上探討增材制造技術在砂型鑄造方面的優勢及應用。

1 增材制造鑄造的原理與發展

1.1 砂型鑄造的原理和特點

選擇性激光燒結（簡稱SLS）的方式是增材制造技術中砂型、砂芯鑄造的主要方式之一，將砂粒和粘結劑通過激光直接燒結成各種實體形狀的技術。SLS使用砂粒和粘結劑可以快速制作鑄造用的砂型、砂芯，砂粒表面被樹脂等粘結劑包裹，在激光燒結快速成型時，通過激光加熱粘結劑使其受熱熔化后冷卻固化，使覆膜砂粘接形成砂型、砂芯。

噴射層疊砂型鑄造是增材制造技術與傳統砂型鑄造相結合形成的新型鑄造方式，是以型砂為基礎材料，以樹脂、固化劑為固化材料，采用增材制造技術的特點，按照逐鋪砂并噴射粘結劑的方式，生產出所需鑄件砂型、砂芯。相比較傳統的鑄造模具生產方法，采用本方法生產的鑄造模具精度更高、對于復雜模具更節省時間等特點。

1.2 增材制造鑄造的發展及現狀

3D打印技術應用于鑄造業上包括燒結覆膜砂的砂型鑄造、燒結有機材料用于熔模鑄造，噴射層疊砂型鑄造。代表性企業包括美國3DSystems公司、德國EOS、中國共享裝備股份有限公司、北京隆源自動成形系統公司、武漢華科三維科技有限公司、TPM3D盈普、華曙高科等[3]。

國內的北京隆源自動成形系統公司激光燒結設備和配套的燒結工藝較為成熟，在汽車缸體、缸蓋等復雜零件的鑄造上得到廣泛的應用。廣西玉柴機器股份有限公司，利用華東科技大學研發的HRPS-V激光選區燒結快速成形機直接燒結樹脂覆膜砂砂型、砂芯，進行蠕墨鑄鐵澆鑄得到了合格的KJ100大型缸蓋鑄件。

噴射層疊砂型鑄造是增材制造技術與傳統砂型鑄造相結合形成的新型鑄造方式。共享裝備股份有限公司在2015推出了工藝、材料、軟件、集成及設備全部為國產化的工業級鑄造砂型3D打印機。在2018年由華中科技大學等單位承接的“雜零件整體鑄造的型（芯）激光燒結材料制備與控形控性技術”項目榮獲國家科技進步二等獎，使我國增材制造鑄造領域在國際達到先進水平，上述兩種增材鑄造方式均屬于我國在國際領域的佼佼者，真正實現了鑄造3D打印產業化應用的國內首創和鑄造行業“綠色智能”轉型，大大提高了模具鑄造精度、效率和經濟性。

2 增材制造砂型鑄造的優勢及應用

2.1 增材制造在砂型鑄造中的優勢

鑄件產品設計與試制鑄造方法在生產復雜零件尤其是大型復雜零件方面有著無與倫比的優勢，但鑄件生產周期長，制約著鑄件產品的設計與試制。影響鑄件生產周期的主要原因之一是設計、制造模具周期長。

增材制造在鑄造中有許多優勢，傳統的砂型鑄造模具生產中，往往需要先制備一個或多個零件做母模，采用母模去制造砂型鑄造模具，而采用增材制造的方法，無需先制備母模，成本低、效率高，不僅省去了復雜的母模制備過程，并且在理論上可以實現各種復雜結構砂型的直接制備，體現了對復雜結構的強大適應性。

模具生產的自動化與精確化采用增材制造技術，操作人員只需設計鑄件的三維模型，而生產工作可由打印機完成。可見，采用增材制造的方法生產鑄件相比于傳統的鑄造方法更具自動化與精確化，節省了人力，提高了精度，且提供更好的鑄造解決方案。

2.2 3D打印在鑄造技術中的應用

隨著全球市場的快速增長以及消費者對更多新復雜產品的需求，對于小批量生產復雜零件，3D打印鑄造技術是必不可少的，它具有明顯的優點，例如可以省去制備母模所消耗的大量時間，易于在砂型組裝設計中集成砂芯和澆鑄系統，以及具有復雜內部幾何形狀的零件生產，使得設計、生產和檢驗等各環節大幅度加快，同時對高性能復雜零部件的鑄造水平提出了更高的要求，在航空航天、船舶工業、武器裝備、汽車等領域有著重大需求，節能減排與性能提升等高要求的提出對這些領域的核心裝備整體化與輕量化帶來挑戰;核心裝備的整體化與輕量化依賴于關鍵零件的高性能和復雜化。

隨著航空、航天、船舶、新能源汽車等領域不斷向高性能、高可靠性、低成本方向發展，越來越多的零件部件趨向于高強度、輕量化、復雜化，從而推動了增材制造技術在諸多領域的應用。

3 存在的問題與展望

3D打印技術在制造復雜零件方面優勢明顯，具有無需模具、縮短制造周期、降低小批量零件價格、降低制造復雜度等優勢，但3D打印技術同時存在著鋪粉無法成形大尺寸金屬零件、成形大尺寸金屬零件精度低、不適合大批量生產、缺乏標準等明顯劣勢。傳統鑄造技術除了存在需要模具、制造周期長、傳統模具難以甚至無法整體成形復雜鑄型的劣勢外，在制造大尺寸金屬零件、批量生產降低成本以及可整體成形復雜結構等方面存在優勢，而這正是3D打印技術的劣勢所在，因此，將3D打印技術和傳統鑄造技術相結合，進行優勢互補，對制造業的發展具有重要意義。

總體來說，增材制造技術在鑄造的多方面有自身的特點優勢。但影響成型精度的因素有很多，主要有前期數據處理誤差、成型加工誤差、后處理誤差三個方面。若要想增材制造技術取得理想效果，如何控制各個環節的誤差是今后研究的一個重要方向。其次，材料的成分分布和凝固組織特征及其形成機理研究等方面國內尚未深入研究。另外，由于區別于傳統的鑄造技術，增材制造技術的高能束、快冷速等制造特點還使其容易產生內部缺陷。因此，形成機理、控制方法、內部缺陷對性能的作用機制及檢測方法也是重要的研究方向。此外，增材制造技術仍受到設備成本的限制，在我國仍不能被廣泛應用，且增材制造鑄造的成本在很大程度上取決于所用原材料種類、原材料的費用，所以開發用于此領域的材料會顯著提高鑄造的經濟性。

增材制造技術作為21世紀一項迅速發展的新技術，其具有的獨有優勢是顯而易見的，克服各種限制，使增材制造技術向快速化、智能化、大型化的方向發展，并制造出高精度、高質量、低成本的鑄件及建設出無污染、綠色化的鑄造基地。

4 結束語

增材制造技術與鑄造工藝的相互結合，不僅提高鑄造過程中材料的利用率，降低由于工裝投入、制造及返修帶來的加工成本，縮短研制周期，加快生產效率，同時也為增材制造技術打開了新的發展方向。目前對增材制造過程中成型性和缺陷形成機理的研究認識還不夠深入，導致構件的成型精度、表面粗糙度、力學性能等遠未達到理想狀態;另外，在使用材料和構件類型方面需要進一步研究，從而充分發揮增材制造技術的優點二者優勢互補，增材制造鑄造技術的發展進一步增加了鑄造行業的潛力，將使得快速鑄造制備的鑄件得到廣泛應用，為迅速化、綠色化、多功能化、大型復雜、高要求零部件的研制生產開辟了新的途徑，同時將會為鑄造業迎來新一波發展熱潮。

參考文獻：

[1]黃永建，劉軍會，楊進航，等.增材制造模具的研究進展[J].中國冶金，2019，29（11）：6-15.

[2]段國慶，馮濤，孫建民，等.激光增材制造技術在鑄造中的應用[J].鑄造技術，2019，40（07）：662-666+670.

[3]趙開發.基于SLS覆膜鋯砂砂型的鈦合金快速鑄造工藝研究[D].南昌航空大學，2015.