铸造砂型3D 打印技术应用及展望

何捷军，杨建国，赵 龙

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

增材制造（又称3D 打印）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，改变了传统制造的理念和模式，是先进制造业的重要组成部分。与传统的减材制造方式相比，增材制造拥有制造复杂物品、产品多样化而不增加成本、无需组装、零时间交付等众多优点，尤其适合制造形状复杂、定制化、追求轻量化的零部件。

在我国产业升级的背景下，3D 打印技术得到国家层面的重视，尤其是2017 年12 月工信部等12 部门印发的《增材制造产业发展行动计划（2017-2020 年）》，为我国的3D 打印行业发展提出了目标及要求。目前，3D 打印行业正在逐步由导入期进入成长期，新机器、新技术、新材料、新应用程序不断推陈出新，已经形成一条比较完整的产业链。

1 3D 打印技术及优势

三维打印（3DP）是通过打印头将粘结剂或某种胶加入到粉末中，更类似于喷墨打印机，代替纸的是粉末，而墨水是粘结剂，打印头将粘结剂“印刷”在均匀平铺的砂子上面。宁夏共享集团自主研发的铸造用工业级3DP 打印设备就是采用该技术，具体工作过程描述如下：将事先切好的截面图片导入打印系统，打印开始后工作平台先降低一个层厚，之后铺砂系统铺一层砂子，打印头按照切好的图片，在铺平的砂面上喷射图案，如此往复最终打印出所需砂芯。

由于3DP 技术固有的优势，给传统铸造行业带来颠覆性的变革，已经在悄然改变铸造企业的传统生产方式。传统“翻砂”车间变为空调工厂，使铸件生产由复杂变简单，生产周期缩短50%，尺寸误差从原来的1mm 降到了0.5mm。生产效率提高约3～5 倍，成品率提高20%～30%，颠覆传统砂型铸造生产方式，铸造实现“五无”：无吊车、无模型、无重体力、无废砂及粉尘排放、无温差（空调）。其优势表现如下：省去了传统铸造过程中的模具制造、制芯、造型等流程（如图1 所示），3D 打印的一次成型大大提升了砂芯成型效率；传统铸造对于复杂零件难以成型，3D 打印对于任何复杂的形状，只要能在三维软件中设计就能轻易打印成型；3D 打印成型精度高，精度要求高的可控制在0.3mm 以内，除此铸造砂型3D 打印技术解放了人的高强度劳动，并且大大改善了铸造环境。基于以上优势，铸造砂型3D 打印技术正在悄然改变着铸造行业，使铸件制造弃繁从简，提质增效，制造过程以人为本，对铸造行业的转型升级、铸造智能制造及未来铸造智能工厂的建设带来快速的推动作用[1，2]。

图1 3D 打印、传统铸造流程对比

2 3D 打印产业链发展

3D 打印经过近40 年的发展，已经形成了一条完整的产业链，产业链的每个环节都聚集了一批领先企业。大概可分为：上游的各种原材料、元器件及软件供应商，中游的3D 打印设备、技术及云平台服务，以及侧重终端应用的下游，涉及航空航天、汽车、医疗、教育等众多下游应用领域。

上游产业链主要包括3D 打印原材料、零部件及3D 打印配套软件。针对3DP 技术，原材料主要为呋喃树脂、酚醛树脂以及硅砂、陶粒砂等。高端零部件依然主要依赖进口，国内技术正在不断突破，中低端供应充足，但高端短缺，无形中增加了零部件采购的周期、成本，在一定程度上影响甚至左右3D 打印中、下游产业链的快速发展。

中游产业链主要包括设备研发、制造商。目前，3D 打印设备仍以工业级占主流，是国内3D 打印产业中产值最大的环节，目前大约占整个行业总产值的40%，从国内的3D 打印市场来看，技术进步和行业需求促进了工业级喷墨砂型三维打印技术的蓬勃发展，涌现出了多家产业化的企业，如宁夏共享、峰华卓立、广州爱思凯等。中国市场正在快速增长，预计随着技术的成熟，工业级3D 打印机的价格仍有较大的下降空间，性价比的逐步提高有利于下游产业链业务的应用拓展。

下游产业链主要是3D 打印服务，随着3D 打印行业的快速发展，3D 打印技术应用场景将不断拓展。延伸到各个细分的实际应用方向，其中包括军事、航天航空、医疗、汽车、机械设备制造及消费等领域均有所应用，以制造业和医疗领域应用最为广泛。按照销售规模排名，全球3D 打印产值在机械、消费电子、汽车、航空航天、医疗等行业的应用总体呈均衡分布的发展特征。

3D 打印技术与传统铸造工艺相结合，加快了航空航天、柴油发动机等领域关键零件的开发与制造；3D 打印砂芯（如图2 所示）是铸件产品开发的最佳手段，是快速交货的最佳保证，也是特定小批量生产的最佳经济方式；3D 打印与传统模具制造工艺结合（如图3 所示），能够提高复杂模具的冷却效率，减少产品缺陷，缩短制造周期，大幅降低制造成本[3，4]。

图2 3D 打印砂芯

图3 3DP 组合模具

透过产业分析，我们将围绕材料及零部件供应、软件开发、设备制造、公共服务平台几个部分来解读3D 打印产业价值链，这几个环节环环相扣，为终用户创造独特价值，缺一不可。政府扶持3D 打印产业的发展，也必须从全产业链入手，只有全产业链的繁荣壮大，3D 打印产业才真正在中国落地生根。

3 3D 打印趋势分析

3D 打印技术的发展正逐步缩小与发达国家的差距，但在关键核心零部件依然依赖进口，严重制约3D 打印技术的发展。基于国家转型升级的号召，高污染、高强度的传统铸造行业实现绿色、智能铸造更是迫在眉睫，铸造砂型3D 打印技术及设备在其中就充当关键作用。铸造砂芯3D 打印的诸多优势，可以解决传统铸造行业里的疑难问题，该技术未来的发展会表现在如下几个方面[5]。

（1）设备多元化发展。国内的砂芯3D 打印机机型已趋于多样化，出现了不同成型尺寸，不同效率，针对不同客户群体需求的机型。宁夏共享根据市场的不同需求推出了多种机型，有双箱的AJD 2500A、AJD 2200A，单 箱 的 AJS 2500A、AJS 1800A、AJS 800A 等。

（2）关键原材料、零部件及技术逐步国产化。随着国内铸造砂芯3D 打印技术的发展，产业链前后端零部件及技术也正在崛起，如伺服控制、喷墨控制涉及到的零部件及技术，软件应用平台及服务等都逐步成熟，并替代国外进口，一改往日进口零部件及软件的垄断地位。

（3）产业化需求旺盛。随着转型升级的推进，绿色智能铸造是越来越多企业的必经之路，比如山东某公司已经建立了数字化智能工厂，利用多台铸造砂型3D 打印机，并配以集中清砂系统、桁架抓取、立体库等，从而实现铸造产业的绿色智能化。同时在国内各区域，都有不同的快速、高精度铸造的需求，3D 打印的优势越来越凸显，也被越来越多的铸造企业所接受并应用。

（4）降本增效。随着铸造砂型3D 打印技术的逐步发展，国外进口设备的主导地位正一步步被削弱，再加上铸造产业对于3D 打印的需求，用户越来越关注打印设备的成本及打印效率，综合考虑成本及效率，国内各制造商已推出多种形式设备，单箱或双箱，跟随打印或传统打印，单或多组喷头，单台或成线设备，以及配套的砂回收、液料回收等都是为了提升3D 打印的性价比。

（5）构建铸造砂型3D 打印系统化标准及工艺流程、规范。3D 打印技术正处于成长期，该行业还缺少系统化的标准，不管是原材料、3D 打印工艺，还是3D 打印设备，都需要逐步规范，建立行业、团体标准，推进铸造砂型3D 打印快速、健康发展。

4 结束语

本文介绍了3D 打印技术在铸造行业的应用，通过对3D 打印技术给铸造行业带来的转型与变革，结合该技术当前的发展，重点阐述了相关产业链的组成及发展现状以及砂芯铸造3D 打印在各行业的应用，分析了铸造砂型3D 打印未来的发展趋势。目前国内已经建成并投产了多个铸造领域的数字化智能工厂，3D 打印技术也正深深影响着传统铸造行业的转型升级，引领铸造工厂向数字化、绿色化、智能化迈进。