3D打印技術(shù)與鑄造技術(shù)的融合應(yīng)用與展望

戴開明，黃金富，宋彬

1.江山重工研究院有限公司 湖北襄陽 441057

2.天津通達(dá)日上金屬制品有限公司 天津 301721

3.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司 北京 102600

1 序言

3D打印作為智能制造最大的推動力技術(shù)，遲遲未能大面積落地，分析原因并不是3D打印技術(shù)本身不成熟，而是成形材料種類受限，以及很多打印技術(shù)只能生產(chǎn)中間產(chǎn)品，直接打印金屬成品價格昂貴，除少數(shù)軍工企業(yè)外，無法大面積推廣應(yīng)用。近年來，3D打印供應(yīng)商在不斷完善打印設(shè)備、軟件、材料以降低應(yīng)用成本的同時，也在不停地尋找技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)發(fā)展中，大多數(shù)產(chǎn)品都采用金屬材料，3D打印技術(shù)要生存發(fā)展必須實現(xiàn)低成本制造金屬構(gòu)件。但是，目前只有個別供應(yīng)商取得了突破，如金屬打印供應(yīng)商很多，但僅有少數(shù)幾家產(chǎn)品被航空航天企業(yè)認(rèn)可，被用于零部件生產(chǎn)。由于價格和材料的原因，其他軍工企業(yè)和民用企業(yè)很少采用。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)現(xiàn)有閑置、半閑置各種金屬打印機(jī)近千臺（套），浪費很大。實踐證明，所有金屬構(gòu)件都采用3D直接打印是不現(xiàn)實的，因此3D打印技術(shù)必須尋找新的突破才能得到健康發(fā)展。

3D打印技術(shù)與鑄造技術(shù)相融合將發(fā)揮不可估量的作用。3D打印的蠟?zāi)！⒐饷魳渲！⑺芰稀⑸靶汀⑸靶炯敖饘俚龋苡糜谑炏災(zāi)！⒛＞摺㈣T型、型芯及復(fù)雜內(nèi)腔零件等鑄造元素，這些元素可與熔模精密鑄造、石膏型鑄造、砂型鑄造、低壓（差壓）鑄造及雙金屬復(fù)合鑄造等幾乎所有的鑄造方法融合，制造各種金屬合金構(gòu)件。其融合應(yīng)用解決了3D打印材料和成本的問題，突破了只能先模具后鑄造的瓶頸，加速了鑄造行業(yè)的發(fā)展，為快速發(fā)展個性化創(chuàng)新工廠、制造業(yè)升級提供了可能。

3D打印與鑄造融合，是多學(xué)科的融合，對技術(shù)人員知識面和實踐經(jīng)驗要求很高。在國外，砂型打印得到了很好的應(yīng)用，如GW公司是一家鑄造開發(fā)企業(yè)，其提供鑄造工藝整體方案和個性化復(fù)雜鑄件（如發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、傳動箱等），長期以來采用三維打印（3DP）技術(shù)完成砂型、砂芯的制造，實現(xiàn)工藝方案試制和中小批量鑄件生產(chǎn)，年產(chǎn)值達(dá)數(shù)億美元。近幾年，以3D打印制造商為代表的企業(yè)，開始與鑄造相融合，有幾家具有鑄造技術(shù)背景又有3D打印技術(shù)的企業(yè)融合較好，如共享集團(tuán)、峰華卓立科技股份有限公司開發(fā)的3DP打印與砂型鑄造的融合，北京北方恒利開發(fā)的SLS打印在硅溶膠、石膏型精密鑄造以及3DP打印與砂型鑄造在各種金屬成形中的融合，西安交通大學(xué)開發(fā)的SLA打印與硅溶膠精密鑄造在鑄鋼等材料方面的融合等，但融合相對單一、規(guī)模較小，產(chǎn)值只有幾百萬或幾千萬人民幣[1-6]。

目前，3D打印技術(shù)急需突破與鑄造融合的瓶頸，這不僅是行業(yè)的生存發(fā)展問題，還關(guān)系到制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、工業(yè)4.0實現(xiàn)效果的問題，也關(guān)系到多學(xué)科融合的問題，3D打印技術(shù)將加快制造業(yè)革命，為人類發(fā)展創(chuàng)造無數(shù)的奇跡。下面介紹幾種3D打印技術(shù)與鑄造技術(shù)融合的思路。

2 工業(yè)級3D打印與鑄造融合配套技術(shù)

下面重點介紹SLS、SLA、3DP、SLM四種打印技術(shù)[7-9]與鑄造技術(shù)融合配套。

2.1 SLS技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS） 技術(shù)屬于萬能打印技術(shù)，原理上要能將材料制備成粉末，通過選區(qū)加熱熔化粉末或熔化黏結(jié)劑黏結(jié)形成所需要的中間零件。在鑄造方面，主要打印材料有PS粉、蠟粉、覆膜樹脂砂及覆膜陶瓷等。

PS粉打印材料和工藝都很成熟，其具有材料收縮小、膨脹系數(shù)小、中溫條件尺寸穩(wěn)定，以及材料和打印成本低等優(yōu)點，是各種熔模鑄造用蠟?zāi)５淖罴堰x擇，但由于其存在脫模時壓差脹殼和焙燒過程產(chǎn)生大量黑色未氧化碳的問題，而解決這兩個問題需要很專業(yè)的鑄造知識和高昂的環(huán)保費用，因此未廣泛應(yīng)用。目前，SLS技術(shù)主要用于硅溶膠熔模精密鑄造和石膏型真空鑄造中。

蠟粉打印材料和工藝均不成熟，由于蠟的強(qiáng)吸水性，打印變形和開裂情況十分常見，打印參數(shù)很難控制，且材料價格昂貴。但蠟粉打印材料不脹殼、環(huán)保，尤其用于薄壁小零件時優(yōu)勢明顯。目前，采用SLS技術(shù)制作蠟件較少，工業(yè)產(chǎn)品采用較困難，小蠟件打印可由其他打印技術(shù)代替。

覆膜樹脂砂是砂粒覆上了樹脂，采用加熱方式將樹脂熔化黏結(jié)，雖與3DP技術(shù)都為砂型（芯）成形技術(shù)，但SLS技術(shù)為熱成形，因此變形大、強(qiáng)度高、打印效率低、成本高。由于有強(qiáng)度高的優(yōu)點，所以經(jīng)常用于制作細(xì)長砂芯。但由于成本高、廢砂量大等原因，可能被淘汰。

覆膜陶瓷是陶瓷粒覆上了樹脂，采用加熱方式將樹脂熔化黏結(jié)，再進(jìn)行脫脂和燒結(jié)。陶瓷用途十分廣泛，在鑄造方面，主要用于各種復(fù)雜構(gòu)件的內(nèi)部型芯。SLS打印陶瓷工藝復(fù)雜、變形可控性差，因此很難大規(guī)模推廣，逐漸被3DP等工藝取代。

2.2 SLA技術(shù)

立體光固化成形（S t e r e o L i t h o g r a p h y Appearance，SLA）技術(shù)打印材料種類多，打印的零件精密高，表面光滑，因此長期被塑料產(chǎn)品用戶青睞。在鑄造中，主要用于硅溶膠熔模、塑料模及硅膠模。

（1）硅溶膠熔模鑄造 結(jié)合其精密高、表面光滑的優(yōu)點，采用薄壁鏤空結(jié)構(gòu)用于硅溶膠熔模鑄造中，但因其發(fā)氣量大、退讓性差、價格稍高等缺點，未能大面積推廣應(yīng)用。

（2）塑料模具 結(jié)合強(qiáng)度較高，打印的模具精密，耐磨性能優(yōu)于木模、低于金屬模具，成本稍高，適用于中小批量快速鑄造，有少數(shù)模具廠采用。

（3）硅膠模 結(jié)合精度高、表面光滑，打印SLA模再采用真空注型機(jī)翻制硅膠模，用于鑄造用蠟件制造（雕像等復(fù)雜難分型零部件）。

2.3 3DP技術(shù)

三維打印（3D P）技術(shù)是從平面打印技術(shù)演化而來的，不同的是3DP通過噴墨頭噴樹脂等黏結(jié)劑，此打印技術(shù)主要難點在于噴墨頭壽命問題，由于黏結(jié)劑的強(qiáng)腐蝕性，噴墨頭易腐蝕和堵塞，目前還未開發(fā)出專用于3DP打印的噴墨頭，多借用平面打印用富士噴頭，由于用量有限，因此價格相對昂貴。在鑄造中，主要用于砂型、砂芯、泡沫塑料及陶瓷等。

3DP打印是生產(chǎn)砂型、砂芯最成熟的技術(shù)，砂型、砂芯屬于冷成形工藝，可以打印任一復(fù)雜形狀且不考慮分型問題，打印的砂型和砂芯透氣性好，可直接用于砂型鑄造，也可以用于金屬型砂芯，也是快速制作復(fù)雜隨形冷鐵的適宜方法。

泡沫塑料是通過黏結(jié)劑將泡沫塑料粉末進(jìn)行黏結(jié)的方式制造，打印件用于熔模精密鑄造蠟?zāi)：拖ｈT造，這種打印方法與SLS打印相比具有打印速度快、軟化溫度低、不脹殼、打印尺寸大，以及發(fā)氣量小等優(yōu)勢，但價格較高，推廣速度慢。

陶瓷是通通過陶瓷粉末選取噴灑黏結(jié)劑，選取冷成形方式，再進(jìn)行脫脂和燒結(jié)而制成。陶瓷用途十分廣泛，在鑄造方面，主要用于各種復(fù)雜構(gòu)件的內(nèi)部型芯。3DP打印陶瓷工藝復(fù)雜，目前應(yīng)用較少，前景廣闊。

2.4 SLM技術(shù)

選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM） 技術(shù)是直接打印金屬的方法，在鑄造方面，可以用于帶澆道或加熱的復(fù)雜模具，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鑲鑄用部件（如復(fù)雜內(nèi)腔和細(xì)長油道）。

復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和細(xì)長油道零件的生產(chǎn)很困難，主要在于砂型、砂芯的制造和清理，采用復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和細(xì)長油道偏置1～3mm整體打印再鑲鑄的方法，很好地解決了內(nèi)腔清理和缺陷問題。

3 應(yīng)用案例

（1）模具 采用SLS、SLM技術(shù)制作的模具如圖1～圖4所示[10-12]。其中，圖1所示為采用SLS技術(shù)打印尼龍制成的砂鑄外型模具，圖2所示為采用SLS技術(shù)打印PS粉再浸滲樹脂制成的砂鑄芯盒模具，圖3和圖4所示為采用SLM技術(shù)直接打印耐熱鋼粉末材料制成的含復(fù)雜冷卻水道的塑料壓制模具。

圖1 尼龍模具

圖2 PS樹脂模具

圖3 金屬模具Ⅰ

圖4 金屬模具Ⅱ

（2）熔模鑄造用蠟?zāi)?采用SLS、SLA技術(shù)制作的蠟件如圖5、圖6所示[13]。其中，圖5所示為采用SLS技術(shù)打印的熔模PS粉蠟?zāi)＃瑘D6所示為采用SLA技術(shù)打印的熔模光敏樹脂蠟?zāi)！?/p>

圖5 復(fù)雜缸蓋蠟?zāi)?/p>

圖6 光敏樹脂蠟?zāi)?/p>

（3）消失模鑄造模樣 采用3DP技術(shù)制作的EPS泡沫如圖7、圖8所示。

圖7 傳動箱EPS泡沫

圖8 排氣管EPS泡沫

（4）砂型打印 采用SLS、3DP技術(shù)制作的砂型和砂芯如圖9～圖11所示[14，15]。

圖9 變速箱零件砂型和砂芯一體化制造

圖10 排氣管打印砂型和砂型組裝

圖11 澆注后排氣管零件

4 工業(yè)級3D打印技術(shù)和鑄造技術(shù)融合配套應(yīng)用

目前，3D打印技術(shù)已成功與砂型重力鑄造、砂型低壓鑄造、金屬型鑄造、熔模精密鑄造及消失模鑄造等多種鑄造方法相融合，行業(yè)相關(guān)企業(yè)正在探索其與真空增壓鑄造、差壓鑄造、石膏型鑄造，以及砂型與石膏型復(fù)合等多種鑄造方法進(jìn)行融合應(yīng)用，該技術(shù)可用于鋁合金、鑄鋼、鑄鐵、鑄鈦及鎳基合金等鑄件的快速生產(chǎn)。

目前，許多企業(yè)已經(jīng)不再通過模具法獲得鑄件毛坯，紛紛選用成熟的3D打印加鑄造的方法完成鑄件毛坯生產(chǎn)，速度快、成本低，質(zhì)量優(yōu)勢明顯，使企業(yè)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的依賴感。利用3D打印制造與零件復(fù)雜程度無關(guān)的特點，轉(zhuǎn)變了原有以制造為先的設(shè)計理念，有效地提高了零件的功能，零件的結(jié)構(gòu)更加精致合理。采用工業(yè)級3D打印技術(shù)生產(chǎn)的鑄件如圖12～圖15所示。

圖12 缸蓋鑄件

圖13 缸體鑄件

圖14 鋁合金葉輪鑄件

圖15 合金鋼葉輪鑄件

5 結(jié)束語

綜上所述，3D打印與鑄造融合，突破了只能先模具后鑄造的瓶頸，解決了成本高和鑄造周期長的問題，加速了鑄造行業(yè)的發(fā)展，使繁雜的工序變得更加簡單，促進(jìn)了傳統(tǒng)鑄造技術(shù)發(fā)生革命性改變，為快速發(fā)展個性化創(chuàng)新工廠、制造業(yè)升級提供了可能。3D打印與鑄造融合已大量應(yīng)用于汽車、航空航天與兵器等技術(shù)開發(fā)密集型行業(yè)，并不斷延伸到其他各行業(yè)，其成功應(yīng)用將推動制造業(yè)飛速發(fā)展。