鑄造砂型3D 打印技術應用及展望

何捷軍，楊建國，趙 龍

（共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

增材制造（又稱3D 打印）是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，改變了傳統制造的理念和模式，是先進制造業的重要組成部分。與傳統的減材制造方式相比，增材制造擁有制造復雜物品、產品多樣化而不增加成本、無需組裝、零時間交付等眾多優點，尤其適合制造形狀復雜、定制化、追求輕量化的零部件。

在我國產業升級的背景下，3D 打印技術得到國家層面的重視，尤其是2017 年12 月工信部等12 部門印發的《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020 年）》，為我國的3D 打印行業發展提出了目標及要求。目前，3D 打印行業正在逐步由導入期進入成長期，新機器、新技術、新材料、新應用程序不斷推陳出新，已經形成一條比較完整的產業鏈。

1 3D 打印技術及優勢

三維打印（3DP）是通過打印頭將粘結劑或某種膠加入到粉末中，更類似于噴墨打印機，代替紙的是粉末，而墨水是粘結劑，打印頭將粘結劑“印刷”在均勻平鋪的砂子上面。寧夏共享集團自主研發的鑄造用工業級3DP 打印設備就是采用該技術，具體工作過程描述如下：將事先切好的截面圖片導入打印系統，打印開始后工作平臺先降低一個層厚，之后鋪砂系統鋪一層砂子，打印頭按照切好的圖片，在鋪平的砂面上噴射圖案，如此往復最終打印出所需砂芯。

由于3DP 技術固有的優勢，給傳統鑄造行業帶來顛覆性的變革，已經在悄然改變鑄造企業的傳統生產方式。傳統“翻砂”車間變為空調工廠，使鑄件生產由復雜變簡單，生產周期縮短50%，尺寸誤差從原來的1mm 降到了0.5mm。生產效率提高約3～5 倍，成品率提高20%～30%，顛覆傳統砂型鑄造生產方式，鑄造實現“五無”：無吊車、無模型、無重體力、無廢砂及粉塵排放、無溫差（空調）。其優勢表現如下：省去了傳統鑄造過程中的模具制造、制芯、造型等流程（如圖1 所示），3D 打印的一次成型大大提升了砂芯成型效率；傳統鑄造對于復雜零件難以成型，3D 打印對于任何復雜的形狀，只要能在三維軟件中設計就能輕易打印成型；3D 打印成型精度高，精度要求高的可控制在0.3mm 以內，除此鑄造砂型3D 打印技術解放了人的高強度勞動，并且大大改善了鑄造環境。基于以上優勢，鑄造砂型3D 打印技術正在悄然改變著鑄造行業，使鑄件制造棄繁從簡，提質增效，制造過程以人為本，對鑄造行業的轉型升級、鑄造智能制造及未來鑄造智能工廠的建設帶來快速的推動作用[1，2]。

圖1 3D 打印、傳統鑄造流程對比

2 3D 打印產業鏈發展

3D 打印經過近40 年的發展，已經形成了一條完整的產業鏈，產業鏈的每個環節都聚集了一批領先企業。大概可分為：上游的各種原材料、元器件及軟件供應商，中游的3D 打印設備、技術及云平臺服務，以及側重終端應用的下游，涉及航空航天、汽車、醫療、教育等眾多下游應用領域。

上游產業鏈主要包括3D 打印原材料、零部件及3D 打印配套軟件。針對3DP 技術，原材料主要為呋喃樹脂、酚醛樹脂以及硅砂、陶粒砂等。高端零部件依然主要依賴進口，國內技術正在不斷突破，中低端供應充足，但高端短缺，無形中增加了零部件采購的周期、成本，在一定程度上影響甚至左右3D 打印中、下游產業鏈的快速發展。

中游產業鏈主要包括設備研發、制造商。目前，3D 打印設備仍以工業級占主流，是國內3D 打印產業中產值最大的環節，目前大約占整個行業總產值的40%，從國內的3D 打印市場來看，技術進步和行業需求促進了工業級噴墨砂型三維打印技術的蓬勃發展，涌現出了多家產業化的企業，如寧夏共享、峰華卓立、廣州愛思凱等。中國市場正在快速增長，預計隨著技術的成熟，工業級3D 打印機的價格仍有較大的下降空間，性價比的逐步提高有利于下游產業鏈業務的應用拓展。

下游產業鏈主要是3D 打印服務，隨著3D 打印行業的快速發展，3D 打印技術應用場景將不斷拓展。延伸到各個細分的實際應用方向，其中包括軍事、航天航空、醫療、汽車、機械設備制造及消費等領域均有所應用，以制造業和醫療領域應用最為廣泛。按照銷售規模排名，全球3D 打印產值在機械、消費電子、汽車、航空航天、醫療等行業的應用總體呈均衡分布的發展特征。

3D 打印技術與傳統鑄造工藝相結合，加快了航空航天、柴油發動機等領域關鍵零件的開發與制造；3D 打印砂芯（如圖2 所示）是鑄件產品開發的最佳手段，是快速交貨的最佳保證，也是特定小批量生產的最佳經濟方式；3D 打印與傳統模具制造工藝結合（如圖3 所示），能夠提高復雜模具的冷卻效率，減少產品缺陷，縮短制造周期，大幅降低制造成本[3，4]。

圖2 3D 打印砂芯

圖3 3DP 組合模具

透過產業分析，我們將圍繞材料及零部件供應、軟件開發、設備制造、公共服務平臺幾個部分來解讀3D 打印產業價值鏈，這幾個環節環環相扣，為終用戶創造獨特價值，缺一不可。政府扶持3D 打印產業的發展，也必須從全產業鏈入手，只有全產業鏈的繁榮壯大，3D 打印產業才真正在中國落地生根。

3 3D 打印趨勢分析

3D 打印技術的發展正逐步縮小與發達國家的差距，但在關鍵核心零部件依然依賴進口，嚴重制約3D 打印技術的發展。基于國家轉型升級的號召，高污染、高強度的傳統鑄造行業實現綠色、智能鑄造更是迫在眉睫，鑄造砂型3D 打印技術及設備在其中就充當關鍵作用。鑄造砂芯3D 打印的諸多優勢，可以解決傳統鑄造行業里的疑難問題，該技術未來的發展會表現在如下幾個方面[5]。

（1）設備多元化發展。國內的砂芯3D 打印機機型已趨于多樣化，出現了不同成型尺寸，不同效率，針對不同客戶群體需求的機型。寧夏共享根據市場的不同需求推出了多種機型，有雙箱的AJD 2500A、AJD 2200A，單 箱 的 AJS 2500A、AJS 1800A、AJS 800A 等。

（2）關鍵原材料、零部件及技術逐步國產化。隨著國內鑄造砂芯3D 打印技術的發展，產業鏈前后端零部件及技術也正在崛起，如伺服控制、噴墨控制涉及到的零部件及技術，軟件應用平臺及服務等都逐步成熟，并替代國外進口，一改往日進口零部件及軟件的壟斷地位。

（3）產業化需求旺盛。隨著轉型升級的推進，綠色智能鑄造是越來越多企業的必經之路，比如山東某公司已經建立了數字化智能工廠，利用多臺鑄造砂型3D 打印機，并配以集中清砂系統、桁架抓取、立體庫等，從而實現鑄造產業的綠色智能化。同時在國內各區域，都有不同的快速、高精度鑄造的需求，3D 打印的優勢越來越凸顯，也被越來越多的鑄造企業所接受并應用。

（4）降本增效。隨著鑄造砂型3D 打印技術的逐步發展，國外進口設備的主導地位正一步步被削弱，再加上鑄造產業對于3D 打印的需求，用戶越來越關注打印設備的成本及打印效率，綜合考慮成本及效率，國內各制造商已推出多種形式設備，單箱或雙箱，跟隨打印或傳統打印，單或多組噴頭，單臺或成線設備，以及配套的砂回收、液料回收等都是為了提升3D 打印的性價比。

（5）構建鑄造砂型3D 打印系統化標準及工藝流程、規范。3D 打印技術正處于成長期，該行業還缺少系統化的標準，不管是原材料、3D 打印工藝，還是3D 打印設備，都需要逐步規范，建立行業、團體標準，推進鑄造砂型3D 打印快速、健康發展。

4 結束語

本文介紹了3D 打印技術在鑄造行業的應用，通過對3D 打印技術給鑄造行業帶來的轉型與變革，結合該技術當前的發展，重點闡述了相關產業鏈的組成及發展現狀以及砂芯鑄造3D 打印在各行業的應用，分析了鑄造砂型3D 打印未來的發展趨勢。目前國內已經建成并投產了多個鑄造領域的數字化智能工廠，3D 打印技術也正深深影響著傳統鑄造行業的轉型升級，引領鑄造工廠向數字化、綠色化、智能化邁進。