GB/T 42156-2023《鑄造砂型3D打印設備 通用技術規范》國家標準解讀

馬立宏 薛蕊莉

關鍵詞：鑄造砂型，3D打印設備，國家標準，解讀

0 引言

鑄造是裝備制造業的基礎，是“中國制造2025”重點發展十大主機和重大技術裝備的重要支撐，各行業都要應用鑄件。砂型鑄造作為最傳統的鑄造方法，仍是鑄造生產中應用最廣泛的方法之一，對鑄造企業來講，優質的砂型意味著高質量的鑄件，而隨著產品復雜性和顧客對定制化產品要求的不斷提高，砂型的制造周期及生產成本等不斷提高，為滿足鑄造的需求，如何精確、快速生產鑄造用砂型已成為當前鑄造行業急需解決的問題。

近些年，我國工業水平快速發展，3D打印技術被廣泛應用在工業生產中，作為制造業轉型升級的核心技術之一，3D打印技術在鑄造領域取得了突破性進展，打印的砂型可直接用于砂型鑄造，突破了先模具后鑄造的瓶頸。在政策、市場、技術等的多輪驅動下，鑄造砂型3D打印技術應運而起。鑄造砂型3D打印技術將傳統砂型鑄造中模具制造、造型、制芯、合箱4個工序全部由3D打印及智能成形一個工序實現，新產品開發周期短，費用低，快速響應市場需求；砂型鑄造工藝設計更加靈活和高效，可實現結構較復雜產品試制；可隨時打印數據更改后的產品，適應性強；在質量方面，3D打印砂型不受模具翻砂工藝的制約，精度達到精鑄級別，復雜結構一體自由成形，減少了組芯、合箱誤差造成的不合格。在多品種、小批量、工藝復雜的鑄件生產方面，與傳統的砂型生產工藝相比，3D打印技術優勢明顯。

國內最初開展3D打印技術在鑄造中的產業化應用研究時，3D打印設備是從國外進口的，除了設備自身成本高，其設備要求采用設備制造公司提供的型砂、樹脂、固化劑等材料，且其3D打印設備和型砂均有專利保護，核心技術受制于人。在試運行階段，采用設備原配的型砂、樹脂、固化劑等材料可以打印出合格的砂型，但其成本很高，不符合國內企業發展需求，無法進行產業化應用推廣。面對鑄造3D打印設備國產化的迫切需要，國內企業紛紛投入研發，經過多年的技術積累和發展，最終攻克了鑄造3D打印工藝、材料、設備、軟件、關鍵零部件及集成等技術難題，同時還研發出鑄造3D打印用粘結劑等液料，擺脫了鑄造3D打印材料依賴進口、成本昂貴等受制于人的局面，實現國產化替代。國內已有30余家企業在進行鑄造砂型打印設備研發生產，許多家廠商在設計、制造和應用方面已經積累了豐富的經驗，適用于多種原材料各類規格型號的鑄造砂型3D打印設備均已在鑄造生產中得到驗證和運用，社會效益和經濟效益顯著，國內設備的保有量不斷增長，發展趨勢良好。高效率鑄造裝備的投入，極大地提高了鑄造企業生產效率，企業鑄造生產能力也在不斷提高，極大提高了高端鑄件的市場競爭力。

1 標準制定的主要工作過程

本標準是根據國家標準化管理委員會《關于下達2020年第三批推薦性國家標準計劃的通知》（國標委發[2020]48號），下達制定國家標準《鑄造砂型3D打印設備 通用技術條件》，計劃編號為20203755-T-604。本標準由全國鑄造機械標準化技術委員會（SAC/TC 186）提出并歸口。

按照標準制修訂計劃安排，由共享智能裝備有限公司牽頭成立標準起草組，起草組包括煙臺冰輪智能機械科技有限公司、廣東峰華卓立科技股份有限公司、陜西工業職業技術學院、西安航天發動機有限公司、中國工程物理研究院機械制造工藝研究所、上海航天精密機械研究所、中國海洋大學、武漢易制科技有限公司、愛司凱科技股份有限公司、中機中聯工程有限公司 、康碩（江西）智能制造有限公司、湖南云箭集團有限公司、上海傲睿科技有限公司等13家單位。

起草工作組調研了當前有關鑄造砂型3D打印設備及其產品和原材料在國內外的產業狀況、標準體系情況、技術發展和應用前景等，并檢索搜集了相關的技術資料，對國內外設備廠家的情況，以及此類設備的主要性能參數和已有試驗方法進行了初步的研究分析，結合實際應用經驗，進行全面總結和歸納，在此基礎上形成了標準工作組討論稿。

起草工作組針對標準討論稿組織多次會議研討，并進行驗證修改，在行業內廣泛征求意見并修改后，提交標準送審稿。

2021年11月全國鑄造機械專業標準化委員會組織進行了國家標準送審稿審查會，最后審查專家一致同意通過該國家標準送審稿，并提出了修改意見及建議，起草組進行了修改，形成了標準的報批稿，于12月10日提交全國鑄造機械專業標準化委員會秘書處。

2023年3月17日，國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會正式發布GB/T 42156—2023《鑄造砂型3D打印設備 通用技術規范》國家標準，并于2023年10月1日正式實施。

2 標準的主要內容

2.1 適用范圍

該標準界定了鑄造砂型3D打印設備的術語和定義，規定了鑄造砂型3D打印設備的技術要求、試驗方法、檢驗規則及標志、包裝、運輸和貯存。

該標準適用于采用黏結劑噴射工藝制造砂型（芯）的數字化鑄造設備的設計、制造和驗收。

黏結劑噴射工藝是3D打印技術的重要分支，具有成型速度快，使用粉末種類多，無需支撐，可實現大型件打印等優點，是未來3D打印走向產業化的重要發展方向，是鑄造砂型（芯）3D打印應用最成熟的技術。

2.2 技術要求

根據設備的主要功能和性能參數，該標準給出了包括設備的一般要求、設備主要部件的要求、控制系統要求、數據接口要求、安全防護與衛生要求、設備主要性能要求。

（1）一般要求

鑄造砂型3D打印設備應按經規定程序批準的圖樣和技術文件制造，主要外購件應附有原生產廠家的產品合格證明書，機械加工零件的未注公差尺寸不應低于GB/T 1804—2000規定的m級公差要求，設備的液壓系統、氣動系統、潤滑系統、電氣系統、數控系統、外觀質量、標牌等應符合對應的已有國家標準要求，設備的隨機附件、備件及技術文件應齊全，并附有一定數量用于設備負荷運轉試驗的鑄造用砂和粘結劑等原料。

（2）打印頭

打印頭與黏結劑接觸的部位應與黏結劑具有兼容性，設備應配備噴孔防堵塞和噴頭噴出率檢測裝置和/或程序。

（3）液料供給系統

液料供給系統中與液料接觸的零部件應與液料具有兼容性，液料供給系統不應有阻塞和滲漏現象，液料供給系統應有過濾裝置。設備所需液料包含粘結劑、固化劑、打印頭清洗劑（如有）等。

（4）鋪砂器

鋪砂器的鋪砂均勻性偏差不應超過5%，下砂量應可調控。設備應配備刮抹部件清潔裝置，刮抹部件一般是長條形或圓形等形狀的部件，通過推、壓鋪設后的砂面，使砂面平整。

（5）混砂設備

混砂設備的結構和配置型式應與鑄造3D打印砂型工藝條件相適應，混砂均勻性相對誤差不應大于10%。

（6）控制系統

系統軟件應能支持模擬運行，能動態顯示打印層厚、打印層數、打印時間等工作參數和工作狀態信息，應具有故障診斷功能，可記錄報警信息并能向用戶提供文本幫助。設備控制系統應具有手動調試和自動生產的功能。

（7）數據接口

設備應至少具有并行接口、通用串行總線接口、以太網接口或無線接口中的一種接口。并行接口、通用串行總線接口、無線網接口應符合相應的國家標準規定。

（8）安全防護與衛生要求

設備的安全防護與衛生設計應符合相應的強制性國家標準要求。設備應配備防護罩，防護罩的開閉應和設備的運行聯鎖，防護罩應設置觀察設備運行情況的觀察窗。運動系統做往復運動時應設置限位機構，應具有急停和斷電保護功能。

（9）主要性能要求

對設備精度、最大成形尺寸、打印速度誤差、打印效率誤差、空運轉和負荷運轉進行了要求。設備X、Y和Z軸的定位精度不應大于0.05mm，重復定位精度不應大于0.02mm，最大成形尺寸不應小于設備標定值，設備測試的平均打印速度、打印效率與設備標定打印速度、打印效率的誤差不應大于10%，空運轉和負荷運轉應符合相應的要求。負荷運轉后，對設備打印出的樣件進行試驗，設備的打印精度可按照打印精度測試樣件的尺寸公差進行評定，公差等級要求應符合表1的規定，表中尺寸公差等級DCTG4～DCTG6劃分依據GB/T 6414-2017，其所對應的公稱尺寸及相應的線性尺寸公差值根據實際有所變動。正常打印試塊的抗壓強度不應小于4 MPa，抗拉強度不應小于0.8 MPa。

2.3 試驗方法

對于設備主要性能，標準給出了相應的試驗方法，包括定位精度和重復定位精度試驗、最大成形尺寸檢測、打印速度和打印效率試驗、打印精度試驗、鋪砂均勻性試驗、混砂均勻性試驗、砂型力學性能試驗及空運轉和負荷運轉試驗。

定位精度和重復定位精度、最大成形尺寸、打印精度、混砂均勻性及砂型力學性能試驗等按照常規試驗方法或已有國家標準、行業標準給出的方法進行試驗。并通過附錄A、B、C，創新性地給出了測試樣件、打印速度和打印效率試驗、鋪砂均勻性試驗的具體方法。

3 結語

該國家標準是結合我國鑄造砂型3D打印設備的生產和使用經驗而制定的，符合行業和企業現狀，通過該標準的制定和實施，為指導和規范鑄造砂型3D打印設備的設計、制造、驗收提供了依據，對規范市場競爭，引導市場良性發展起到積極的作用；為鑄造砂型3D打印技術的推廣應用提供了有力的技術支撐，將促進技術創新，增強產品的國內外市場競爭力，同時為推進產業結構調整與優化升級創造條件；為國家推動砂型3D打印等先進工藝技術實現產業化應用等政策的貫徹實施提供強有力的支持。