浅析3D打印在铸造中的产业化应用

【编者按】为推动中国制造业的发展及转型升级，国家推出了“中国制造2025”计划，而我公司10年前的长期发展规划正好与此不谋而合，均是通过技术创新与引进高端智能设备，使制造业走上创新型企业的道路。

3D打印设备采用的是增材制造技术，即是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，其综合了计算机图形处理、数字化信息控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术优势，可以用来改善产品制造环节，大幅缩短研发和生产过程。在众多3D打印技术之中，三维印刷技术（简称3DP技术）具有成形速度快，成形材料价格低等特点，且成形过程不需要支撑，多余粉末材料去除方便，特别适合于做内腔复杂的原型，最适于与铸造工艺相结合，实现产业化应用。

2012年引入进口高效大型3D打印设备，开展3D打印技术在铸造中的产业化应用研究。设备采用3DP工艺，主要用于铸造砂型的直接打印成形，传统铸造中的模具制造、造型、制芯、合型4个工序全部由3D打印一个工序代替。3DP技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造三维物体的技术，是信息技术与材料技术、数字制造技术的融合。其原理为：第一步，铺砂器用型砂按设定的流砂量逐层铺砂并紧实；第二步，打印喷头用树脂粘结剂将砂型的截面“印刷”在铺好的每层砂层上；第三步，“印刷”完毕后，升降平台下降0.3~0.5mm，铺砂器再一次铺砂，打印喷头再一次“印刷”，如此循环往复直至打印完整个砂型。

在3DP打印技术与铸造业相结合应用的过程中，一方面，由于购入的3D打印设备是从国外进口的，其设备要求采用设备制造公司提供的型砂、树脂、固化剂等材料，且其3D打印设备和型砂均有专利保护。在试运行阶段，采用设备原配的型砂、树脂、固化剂等材料可以打印出完美的砂型，但其成本很高，以此现状企业将是亏本销售，不符合企业发展需求。为此，技术团队开始寻找其他可用于3DP技术的型砂、树脂、固化剂等材料，通过对型砂粒度、型砂硅含量等的对比分析并于国内相关生产厂家合作，最终研制出了可生产出合格砂型的国产化3D打印用铸造型砂；通过对树脂、固化剂的调配与试验，研发出了与国产型砂相配合的树脂、固化剂的加入量。通过原材料国产化，使得3D打印砂型的成本降低了60%，为公司赢得了一定的利润空间。另一方面，由于受目前3DP打印技术的限制，3D打印砂型常会发生分层的问题。为了解决此问题，对树脂、固化剂的配比及后期砂型烘干方式、温度进行了研究，最终克服了3D打印砂型易分层的缺陷，大大降低了铸件的废品率，降低了3DP技术生产铸件的质量成本。

3DP技术生产铸件，具有以下方面的优势：

第一，缩短铸造生产流程。3DP技术打印铸造砂型省去了制作砂型模具的时间和费用，大大缩短了新产品的开发周期和成本，为公司开拓新的市场抢占了先机。

第二，提高铸件质量，提升生产效率。3DP技术可以将零散的小砂型打印为一个整体，避免了手工制芯、造型中组芯过程造成的累积误差，提高了砂型的尺寸精度，避免了因砂型尺寸不符造成了铸件尺寸超差的缺陷，且节省了部分组芯工序。

第三，设计灵活，节约成本，降低制造难度。由于3DP打印工艺是采用数字化文件传输入3D打印设备的方式，故其设计方案修改灵活、及时，且可以完成手工造型无法完成的复杂型腔结构的打印，降低了生产难度。

第四，以人为本，绿色铸造，智能铸造。3DP打印技术大幅改善了铸造现场的环境，降低了操作人员的劳动强度；用3d打印机替代了人工制芯、造型，节省了人力成本，同时实现了铸造业的智能生产、绿色生产。

3D打印技术在铸造领域的产业化应用，对中国铸造行业的转型升级，铸造工序智能化，以及未来铸造智能工厂的建设将产生变革性的意义。

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