增材制造3D打印铸造的发展与应用

关彦齐　王芳芳

摘  要：增材制造技术（3D打印技术）是一种新兴的成型技术，具有设计周期短、精度高、经济性好、复杂零件对加工无影响等特点，实现了从三维模型数据直接成型为实体零件。将增材制造技术与铸造相结合，可提高铸件的生产效率、降低成本，扩大铸造工艺的应用领域，文章介绍了增材制造在铸造方面的发展，并详细的阐述了3D打印砂型、砂芯铸造的工作原理，指出了增材制造技术在铸造行业的优势和应用。并分析指出了当前增材制造模具面临的挑战和一些相应的解决措施，最后对增材制造砂型铸造技术未来的发展方向进行了展望，预测今后的发展趋势为快速化、智能化、大型化的方向发展。

关键词：3D打印;增材制造;铸造;砂型;砂芯

中图分类号：TG76 文献标志码：A 文章编号：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）打破传统制备工艺的束缚，借助计算机辅助设计，以数字模型为基础，利用离散/堆积原理将零件三维模型分割成多个二维截面，通过叠加的方式将截面堆积成三维实体，涉及到机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、农业器械、建筑、医疗器械等领域，3D打印在可直接制造出各种结构的金属或非金属零件，具有无模具、周期短、降低小批量生产成本、复杂零件对加工无影响等优点[1]。

现代工业产品的制造非常依赖于模具，目前我国的铸造企业有近3万家，约占世界产量的一半。传统铸造、锻造和机械加工在制备复杂模具时，存在噪声大、粉尘大、设备笨重、技术难度大、时间长、成本高等诸多问题，尤其是制造几何形状复杂的模具时，难以满足模具对致密度和精度的要求，极大缩短了模具的使用寿命;同时，在制造复杂模具过程中，在锻造加工早期会出现疲劳断裂，且难以用切削加工制造形状复杂的模具，极易损坏刀具。因此，急需探索新工艺、新技术来解决复杂模具的加工制备问题，满足工业发展对结构复杂零件的需求[2]。

介于此，将增材制造技术和铸造技术相结合，进行优势互补，提高铸造柔性、缩短制备周期、提高生产效率，保证产品品质及精度、确保产品使用性能、实现单件小批量生产，对于现代铸造行业的发展与改革具有重要的意义。本文将简介增材制造技术在铸造方面的工作原理和发展，并在此基础上探讨增材制造技术在砂型铸造方面的优势及应用。

1 增材制造铸造的原理与发展

1.1 砂型铸造的原理和特点

选择性激光烧结（简称SLS）的方式是增材制造技术中砂型、砂芯铸造的主要方式之一，将砂粒和粘结剂通过激光直接烧结成各种实体形状的技术。SLS使用砂粒和粘结剂可以快速制作铸造用的砂型、砂芯，砂粒表面被树脂等粘结剂包裹，在激光烧结快速成型时，通过激光加热粘结剂使其受热熔化后冷却固化，使覆膜砂粘接形成砂型、砂芯。

喷射层叠砂型铸造是增材制造技术与传统砂型铸造相结合形成的新型铸造方式，是以型砂为基础材料，以树脂、固化剂为固化材料，采用增材制造技术的特点，按照逐铺砂并喷射粘结剂的方式，生产出所需铸件砂型、砂芯。相比较传统的铸造模具生产方法，采用本方法生产的铸造模具精度更高、对于复杂模具更节省时间等特点。

1.2 增材制造铸造的发展及现状

3D打印技术应用于铸造业上包括烧结覆膜砂的砂型铸造、烧结有机材料用于熔模铸造，喷射层叠砂型铸造。代表性企业包括美国3DSystems公司、德国EOS、中国共享装备股份有限公司、北京隆源自动成形系统公司、武汉华科三维科技有限公司、TPM3D盈普、华曙高科等[3]。

国内的北京隆源自动成形系统公司激光烧结设备和配套的烧结工艺较为成熟，在汽车缸体、缸盖等复杂零件的铸造上得到广泛的应用。广西玉柴机器股份有限公司，利用华东科技大学研发的HRPS-V激光选区烧结快速成形机直接烧结树脂覆膜砂砂型、砂芯，进行蠕墨铸铁浇铸得到了合格的KJ100大型缸盖铸件。

喷射层叠砂型铸造是增材制造技术与传统砂型铸造相结合形成的新型铸造方式。共享装备股份有限公司在2015推出了工艺、材料、软件、集成及设备全部为国产化的工业级铸造砂型3D打印机。在2018年由华中科技大学等单位承接的“杂零件整体铸造的型（芯）激光烧结材料制备与控形控性技术”项目荣获国家科技进步二等奖，使我国增材制造铸造领域在国际达到先进水平，上述两种增材铸造方式均属于我国在国际领域的佼佼者，真正实现了铸造3D打印产业化应用的国内首创和铸造行业“绿色智能”转型，大大提高了模具铸造精度、效率和经济性。

2 增材制造砂型铸造的优势及应用

2.1 增材制造在砂型铸造中的优势

铸件产品设计与试制铸造方法在生产复杂零件尤其是大型复杂零件方面有着无与伦比的优势，但铸件生产周期长，制约着铸件产品的设计与试制。影响铸件生产周期的主要原因之一是设计、制造模具周期长。

增材制造在铸造中有许多优势，传统的砂型铸造模具生产中，往往需要先制备一个或多个零件做母模，采用母模去制造砂型鑄造模具，而采用增材制造的方法，无需先制备母模，成本低、效率高，不仅省去了复杂的母模制备过程，并且在理论上可以实现各种复杂结构砂型的直接制备，体现了对复杂结构的强大适应性。

模具生产的自动化与精确化采用增材制造技术，操作人员只需设计铸件的三维模型，而生产工作可由打印机完成。可见，采用增材制造的方法生产铸件相比于传统的铸造方法更具自动化与精确化，节省了人力，提高了精度，且提供更好的铸造解决方案。

2.2 3D打印在铸造技术中的应用

随着全球市场的快速增长以及消费者对更多新复杂产品的需求，对于小批量生产复杂零件，3D打印铸造技术是必不可少的，它具有明显的优点，例如可以省去制备母模所消耗的大量时间，易于在砂型组装设计中集成砂芯和浇铸系统，以及具有复杂内部几何形状的零件生产，使得设计、生产和检验等各环节大幅度加快，同时对高性能复杂零部件的铸造水平提出了更高的要求，在航空航天、船舶工业、武器装备、汽车等领域有着重大需求，节能减排与性能提升等高要求的提出对这些领域的核心装备整体化与轻量化带来挑战;核心装备的整体化与轻量化依赖于关键零件的高性能和复杂化。

随着航空、航天、船舶、新能源汽车等领域不断向高性能、高可靠性、低成本方向发展，越来越多的零件部件趋向于高强度、轻量化、复杂化，从而推动了增材制造技术在诸多领域的应用。

3 存在的问题与展望

3D打印技术在制造复杂零件方面优势明显，具有无需模具、缩短制造周期、降低小批量零件价格、降低制造复杂度等优势，但3D打印技术同时存在着铺粉无法成形大尺寸金属零件、成形大尺寸金属零件精度低、不适合大批量生产、缺乏标准等明显劣势。传统铸造技术除了存在需要模具、制造周期长、传统模具难以甚至无法整体成形复杂铸型的劣势外，在制造大尺寸金属零件、批量生产降低成本以及可整体成形复杂结构等方面存在优势，而这正是3D打印技术的劣势所在，因此，将3D打印技术和传统铸造技术相结合，进行优势互补，对制造业的发展具有重要意义。

总体来说，增材制造技术在铸造的多方面有自身的特点优势。但影响成型精度的因素有很多，主要有前期数据处理误差、成型加工误差、后处理误差三个方面。若要想增材制造技术取得理想效果，如何控制各个环节的误差是今后研究的一个重要方向。其次，材料的成分分布和凝固组织特征及其形成机理研究等方面国内尚未深入研究。另外，由于区别于传统的铸造技术，增材制造技术的高能束、快冷速等制造特点还使其容易产生内部缺陷。因此，形成机理、控制方法、内部缺陷对性能的作用机制及检测方法也是重要的研究方向。此外，增材制造技术仍受到设备成本的限制，在我国仍不能被广泛应用，且增材制造铸造的成本在很大程度上取决于所用原材料种类、原材料的费用，所以开发用于此领域的材料会显著提高铸造的经济性。

增材制造技术作为21世纪一项迅速发展的新技术，其具有的独有优势是显而易见的，克服各种限制，使增材制造技术向快速化、智能化、大型化的方向发展，并制造出高精度、高质量、低成本的铸件及建设出无污染、绿色化的铸造基地。

4 结束语

增材制造技术与铸造工艺的相互结合，不仅提高铸造过程中材料的利用率，降低由于工装投入、制造及返修带来的加工成本，缩短研制周期，加快生产效率，同时也为增材制造技术打开了新的发展方向。目前对增材制造过程中成型性和缺陷形成机理的研究认识还不够深入，导致构件的成型精度、表面粗糙度、力学性能等远未达到理想状态;另外，在使用材料和构件类型方面需要进一步研究，从而充分发挥增材制造技术的优点二者优势互补，增材制造铸造技术的发展进一步增加了铸造行业的潜力，将使得快速铸造制备的铸件得到广泛应用，为迅速化、绿色化、多功能化、大型复杂、高要求零部件的研制生产开辟了新的途径，同时将会为铸造业迎来新一波发展热潮。

参考文献：

[1]黄永建，刘军会，杨进航，等.增材制造模具的研究进展[J].中国冶金，2019，29（11）：6-15.

[2]段国庆，冯涛，孙建民，等.激光增材制造技术在铸造中的应用[J].铸造技术，2019，40（07）：662-666+670.

[3]赵开发.基于SLS覆膜锆砂砂型的钛合金快速铸造工艺研究[D].南昌航空大学，2015.