增材制造3D打印鑄造的發(fā)展與應(yīng)用

關(guān)彥齊　王芳芳

摘? 要：增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）是一種新興的成型技術(shù)，具有設(shè)計(jì)周期短、精度高、經(jīng)濟(jì)性好、復(fù)雜零件對加工無影響等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了從三維模型數(shù)據(jù)直接成型為實(shí)體零件。將增材制造技術(shù)與鑄造相結(jié)合，可提高鑄件的生產(chǎn)效率、降低成本，擴(kuò)大鑄造工藝的應(yīng)用領(lǐng)域，文章介紹了增材制造在鑄造方面的發(fā)展，并詳細(xì)的闡述了3D打印砂型、砂芯鑄造的工作原理，指出了增材制造技術(shù)在鑄造行業(yè)的優(yōu)勢和應(yīng)用。并分析指出了當(dāng)前增材制造模具面臨的挑戰(zhàn)和一些相應(yīng)的解決措施，最后對增材制造砂型鑄造技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，預(yù)測今后的發(fā)展趨勢為快速化、智能化、大型化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印;增材制造;鑄造;砂型;砂芯

中圖分類號：TG76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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(shù)（3D打?。┐蚱苽鹘y(tǒng)制備工藝的束縛，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用離散/堆積原理將零件三維模型分割成多個二維截面，通過疊加的方式將截面堆積成三維實(shí)體，涉及到機(jī)械工程、自動控制、激光、計(jì)算機(jī)、材料等多個學(xué)科，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、農(nóng)業(yè)器械、建筑、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，3D打印在可直接制造出各種結(jié)構(gòu)的金屬或非金屬零件，具有無模具、周期短、降低小批量生產(chǎn)成本、復(fù)雜零件對加工無影響等優(yōu)點(diǎn)[1]。

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的制造非常依賴于模具，目前我國的鑄造企業(yè)有近3萬家，約占世界產(chǎn)量的一半。傳統(tǒng)鑄造、鍛造和機(jī)械加工在制備復(fù)雜模具時，存在噪聲大、粉塵大、設(shè)備笨重、技術(shù)難度大、時間長、成本高等諸多問題，尤其是制造幾何形狀復(fù)雜的模具時，難以滿足模具對致密度和精度的要求，極大縮短了模具的使用壽命;同時，在制造復(fù)雜模具過程中，在鍛造加工早期會出現(xiàn)疲勞斷裂，且難以用切削加工制造形狀復(fù)雜的模具，極易損壞刀具。因此，急需探索新工藝、新技術(shù)來解決復(fù)雜模具的加工制備問題，滿足工業(yè)發(fā)展對結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的需求[2]。

介于此，將增材制造技術(shù)和鑄造技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，提高鑄造柔性、縮短制備周期、提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品品質(zhì)及精度、確保產(chǎn)品使用性能、實(shí)現(xiàn)單件小批量生產(chǎn)，對于現(xiàn)代鑄造行業(yè)的發(fā)展與改革具有重要的意義。本文將簡介增材制造技術(shù)在鑄造方面的工作原理和發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上探討增材制造技術(shù)在砂型鑄造方面的優(yōu)勢及應(yīng)用。

1 增材制造鑄造的原理與發(fā)展

1.1 砂型鑄造的原理和特點(diǎn)

選擇性激光燒結(jié)（簡稱SLS）的方式是增材制造技術(shù)中砂型、砂芯鑄造的主要方式之一，將砂粒和粘結(jié)劑通過激光直接燒結(jié)成各種實(shí)體形狀的技術(shù)。SLS使用砂粒和粘結(jié)劑可以快速制作鑄造用的砂型、砂芯，砂粒表面被樹脂等粘結(jié)劑包裹，在激光燒結(jié)快速成型時，通過激光加熱粘結(jié)劑使其受熱熔化后冷卻固化，使覆膜砂粘接形成砂型、砂芯。

噴射層疊砂型鑄造是增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)砂型鑄造相結(jié)合形成的新型鑄造方式，是以型砂為基礎(chǔ)材料，以樹脂、固化劑為固化材料，采用增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，按照逐鋪砂并噴射粘結(jié)劑的方式，生產(chǎn)出所需鑄件砂型、砂芯。相比較傳統(tǒng)的鑄造模具生產(chǎn)方法，采用本方法生產(chǎn)的鑄造模具精度更高、對于復(fù)雜模具更節(jié)省時間等特點(diǎn)。

1.2 增材制造鑄造的發(fā)展及現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)應(yīng)用于鑄造業(yè)上包括燒結(jié)覆膜砂的砂型鑄造、燒結(jié)有機(jī)材料用于熔模鑄造，噴射層疊砂型鑄造。代表性企業(yè)包括美國3DSystems公司、德國EOS、中國共享裝備股份有限公司、北京隆源自動成形系統(tǒng)公司、武漢華科三維科技有限公司、TPM3D盈普、華曙高科等[3]。

國內(nèi)的北京隆源自動成形系統(tǒng)公司激光燒結(jié)設(shè)備和配套的燒結(jié)工藝較為成熟，在汽車缸體、缸蓋等復(fù)雜零件的鑄造上得到廣泛的應(yīng)用。廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，利用華東科技大學(xué)研發(fā)的HRPS-V激光選區(qū)燒結(jié)快速成形機(jī)直接燒結(jié)樹脂覆膜砂砂型、砂芯，進(jìn)行蠕墨鑄鐵澆鑄得到了合格的KJ100大型缸蓋鑄件。

噴射層疊砂型鑄造是增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)砂型鑄造相結(jié)合形成的新型鑄造方式。共享裝備股份有限公司在2015推出了工藝、材料、軟件、集成及設(shè)備全部為國產(chǎn)化的工業(yè)級鑄造砂型3D打印機(jī)。在2018年由華中科技大學(xué)等單位承接的“雜零件整體鑄造的型（芯）激光燒結(jié)材料制備與控形控性技術(shù)”項(xiàng)目榮獲國家科技進(jìn)步二等獎，使我國增材制造鑄造領(lǐng)域在國際達(dá)到先進(jìn)水平，上述兩種增材鑄造方式均屬于我國在國際領(lǐng)域的佼佼者，真正實(shí)現(xiàn)了鑄造3D打印產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的國內(nèi)首創(chuàng)和鑄造行業(yè)“綠色智能”轉(zhuǎn)型，大大提高了模具鑄造精度、效率和經(jīng)濟(jì)性。

2 增材制造砂型鑄造的優(yōu)勢及應(yīng)用

2.1 增材制造在砂型鑄造中的優(yōu)勢

鑄件產(chǎn)品設(shè)計(jì)與試制鑄造方法在生產(chǎn)復(fù)雜零件尤其是大型復(fù)雜零件方面有著無與倫比的優(yōu)勢，但鑄件生產(chǎn)周期長，制約著鑄件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與試制。影響鑄件生產(chǎn)周期的主要原因之一是設(shè)計(jì)、制造模具周期長。

增材制造在鑄造中有許多優(yōu)勢，傳統(tǒng)的砂型鑄造模具生產(chǎn)中，往往需要先制備一個或多個零件做母模，采用母模去制造砂型鑄造模具，而采用增材制造的方法，無需先制備母模，成本低、效率高，不僅省去了復(fù)雜的母模制備過程，并且在理論上可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)砂型的直接制備，體現(xiàn)了對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大適應(yīng)性。

模具生產(chǎn)的自動化與精確化采用增材制造技術(shù)，操作人員只需設(shè)計(jì)鑄件的三維模型，而生產(chǎn)工作可由打印機(jī)完成?？梢姡捎迷霾闹圃斓姆椒ㄉa(chǎn)鑄件相比于傳統(tǒng)的鑄造方法更具自動化與精確化，節(jié)省了人力，提高了精度，且提供更好的鑄造解決方案。

2.2 3D打印在鑄造技術(shù)中的應(yīng)用

隨著全球市場的快速增長以及消費(fèi)者對更多新復(fù)雜產(chǎn)品的需求，對于小批量生產(chǎn)復(fù)雜零件，3D打印鑄造技術(shù)是必不可少的，它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如可以省去制備母模所消耗的大量時間，易于在砂型組裝設(shè)計(jì)中集成砂芯和澆鑄系統(tǒng)，以及具有復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀的零件生產(chǎn)，使得設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)大幅度加快，同時對高性能復(fù)雜零部件的鑄造水平提出了更高的要求，在航空航天、船舶工業(yè)、武器裝備、汽車等領(lǐng)域有著重大需求，節(jié)能減排與性能提升等高要求的提出對這些領(lǐng)域的核心裝備整體化與輕量化帶來挑戰(zhàn);核心裝備的整體化與輕量化依賴于關(guān)鍵零件的高性能和復(fù)雜化。

隨著航空、航天、船舶、新能源汽車等領(lǐng)域不斷向高性能、高可靠性、低成本方向發(fā)展，越來越多的零件部件趨向于高強(qiáng)度、輕量化、復(fù)雜化，從而推動了增材制造技術(shù)在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 存在的問題與展望

3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜零件方面優(yōu)勢明顯，具有無需模具、縮短制造周期、降低小批量零件價(jià)格、降低制造復(fù)雜度等優(yōu)勢，但3D打印技術(shù)同時存在著鋪粉無法成形大尺寸金屬零件、成形大尺寸金屬零件精度低、不適合大批量生產(chǎn)、缺乏標(biāo)準(zhǔn)等明顯劣勢。傳統(tǒng)鑄造技術(shù)除了存在需要模具、制造周期長、傳統(tǒng)模具難以甚至無法整體成形復(fù)雜鑄型的劣勢外，在制造大尺寸金屬零件、批量生產(chǎn)降低成本以及可整體成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)等方面存在優(yōu)勢，而這正是3D打印技術(shù)的劣勢所在，因此，將3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，對制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

總體來說，增材制造技術(shù)在鑄造的多方面有自身的特點(diǎn)優(yōu)勢。但影響成型精度的因素有很多，主要有前期數(shù)據(jù)處理誤差、成型加工誤差、后處理誤差三個方面。若要想增材制造技術(shù)取得理想效果，如何控制各個環(huán)節(jié)的誤差是今后研究的一個重要方向。其次，材料的成分分布和凝固組織特征及其形成機(jī)理研究等方面國內(nèi)尚未深入研究。另外，由于區(qū)別于傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)，增材制造技術(shù)的高能束、快冷速等制造特點(diǎn)還使其容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。因此，形成機(jī)理、控制方法、內(nèi)部缺陷對性能的作用機(jī)制及檢測方法也是重要的研究方向。此外，增材制造技術(shù)仍受到設(shè)備成本的限制，在我國仍不能被廣泛應(yīng)用，且增材制造鑄造的成本在很大程度上取決于所用原材料種類、原材料的費(fèi)用，所以開發(fā)用于此領(lǐng)域的材料會顯著提高鑄造的經(jīng)濟(jì)性。

增材制造技術(shù)作為21世紀(jì)一項(xiàng)迅速發(fā)展的新技術(shù)，其具有的獨(dú)有優(yōu)勢是顯而易見的，克服各種限制，使增材制造技術(shù)向快速化、智能化、大型化的方向發(fā)展，并制造出高精度、高質(zhì)量、低成本的鑄件及建設(shè)出無污染、綠色化的鑄造基地。

4 結(jié)束語

增材制造技術(shù)與鑄造工藝的相互結(jié)合，不僅提高鑄造過程中材料的利用率，降低由于工裝投入、制造及返修帶來的加工成本，縮短研制周期，加快生產(chǎn)效率，同時也為增材制造技術(shù)打開了新的發(fā)展方向。目前對增材制造過程中成型性和缺陷形成機(jī)理的研究認(rèn)識還不夠深入，導(dǎo)致構(gòu)件的成型精度、表面粗糙度、力學(xué)性能等遠(yuǎn)未達(dá)到理想狀態(tài);另外，在使用材料和構(gòu)件類型方面需要進(jìn)一步研究，從而充分發(fā)揮增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)二者優(yōu)勢互補(bǔ)，增材制造鑄造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步增加了鑄造行業(yè)的潛力，將使得快速鑄造制備的鑄件得到廣泛應(yīng)用，為迅速化、綠色化、多功能化、大型復(fù)雜、高要求零部件的研制生產(chǎn)開辟了新的途徑，同時將會為鑄造業(yè)迎來新一波發(fā)展熱潮。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃永建，劉軍會，楊進(jìn)航，等.增材制造模具的研究進(jìn)展[J].中國冶金，2019，29（11）：6-15.

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[3]趙開發(fā).基于SLS覆膜鋯砂砂型的鈦合金快速鑄造工藝研究[D].南昌航空大學(xué)，2015.