3D列印技術及其在鑄造中應用現狀與發展展望

傳統的鑄造生產是設計-模具-造型-澆注-清理-後處理-機加。3D列印學名為增材製造技術，其工作原理是將計算機設計出的三維模型分解為若干層平面切片，然後把「打 印」材料按切片圖形逐層疊加， 最終「堆積」成完整的物體。

1、3D列印技術綜述

1.1 目前主要應用領域

目前，3D列印主要用在3個方面：大眾消費 (桌面級)、工業級、生物工程級。

大眾消費(桌面級)。用於工業設計、 工藝設計、珠寶、玩具、文化創意等領域。

工業級又有兩個方面，一是原型製造， 主要用於模具、模型等行業。二是產品製造， 包括大型金屬結構件和小型金屬零部件的直接製造。

生物工程級。如列印器官、 骨骼、牙齒、細胞、軟組織等。

1.2 3D列印技術與行業現狀

歐美的3D研究和產業化。在美國，3D列印技術已初步產業化，其中Stratasys和3DSystems是兩家龍頭企業，均已經在納斯達克上 市。2013年8月16日，「美國國家增材製造創新中心」 剪綵成立。 歐盟也設置了基金會來支持3D列印技術， 分別在諾丁漢大學、謝菲爾德大學、埃克斯特大學建立了3D列印中心。

國內3D行業現狀。 國內的3D列印行業分為學院派和市場派。學院派主 要以清華大學、西安交通大學、 華中科技大學、西北工業大學、北京航空航天大學等高校為主。市場派主要包括南京 紫金立德、湖南華曙高科、無錫飛爾康、 杭州先臨、中航激光、武漢濱湖等

中國3D列印技術產業聯盟。 2012年10月15日，由亞洲製造業協會、 北京航空航天大學、華中科技大學、清華大學等權威科研機構和3D行業領先企業共同發起的中國3D列印技術產業聯盟在 北京宣告成立，自稱是全球首家3D列印產業聯盟。 世界3D列印技術產業聯盟。 2013年5月29日，由中國3D列印技術產業聯盟以 及英國3D增材製造聯盟、美國的Exone公司、德國EOS公司、美國的3DStratsys公司、比利時Materialise公司、英國ChocEdgeLtd公司、美國drexel大學、新加坡南洋理工大學機械與宇航學院等科研單位和企業共同發起成立世界3D列印技術產業聯盟。2014年6月19-22日將在青島召開第二屆世界3D列印技術產業大會暨2014年世界3D列印技術博覽會。

1.3 3D技術應用前景

通過中國知網、維普等查詢到關於3D的論文汗牛充棟，讓人熱血沸騰。但基本都是關於3D技術的普及知識以及在醫學、模具、建築等應用案例。資本市場也熱鬧非凡，但有頭腦的風投非常謹慎。一般認為：

3D列印不可能，至少不可能完全，取代傳統製造業。 3D列印究竟能夠做什麼?美國的、歐洲的3D企業， 也說不出來。否則， 他們就不會在世界3D產業大會上和中央電視台的專題節目中炫耀：利用3D列印技術列印一 把吉他，列印一支電子琴，列印一個檯燈， 或者列印一把gun…… 傳統製造業經過數千年的積累和發展， 已經非常完善和成熟，無論是工藝特點，還是成本因素、材料因素，3D打 印技術都是無法比擬的。3D列印技術的真正奧秘所在， 不是什麼都能做，而應該是傳統製造業不能做或很難做的領域，利用3D列印技術可以輕鬆實現。

個人消費。 由於成本問題以及操作者的技術水平———因為3D 應用並不是零門檻，要以現有技術， 一家用戶需要準備多種原材料和成本的水平推廣， 肯定有難度，很難形成市場規模。關鍵是如何培育應用市場， 用戶是需要去培育的。所以，短期內家用3D列印行業也難形成氣候。

2、3D列印技術在鑄造中應用現狀綜述

但是，這種摯愛之情，不像一件縐紗那樣能留下實在的痕迹，縱然穿衣用的縐紗在工藝品中算是壽命最短的，但只要保管得當，五十年或者更早的縐紗，穿在身上照樣也不褪色，而人的這種依依之情，卻沒有縐紗長。

3D列印在鑄造中已經有一些應用，主要是用在快速製造砂型和直接列印金屬產品兩方面。在缺陷修補(挽救)方面也有一定的應用。

2.1 利用3D技術原理快速製造無模精密砂型

中國鑄造協會網站稱，2014年5月在北京召開第十二屆中國國際博覽會，其中的「3D列印與數字化無模鑄 造精密成型技術」中提到「北京瑞泓翔宏大科技集團、 北京北方恆利科技發展有限公司等將展示3D砂型/砂芯列印 機和各類激光粉末燒結快速成型3D印表機」 綜述了目前利用3D列印技術原理快速製造無模砂型的幾種技術。

激光燒結SLS。用覆膜砂，逐層鋪粉，用激光對粉末加以固化。

中國的無模鑄型製造技術PCM。三維列印頭噴射粘結劑，按照界面輪廓信息利用雙噴 頭同時將粘結劑和催化劑噴射而出，通過兩者的交聯， 製造的砂型塗上塗料即可澆注。

美國的基於三維列印的直接殼型鑄造DSPC。選用陶瓷顆粒、硅酸鹽水溶液列印殼型。澆注前需進行焙燒。

Zcorp公司。 三維列印製造有色合金的砂型。型殼厚度可達到12mm。

ExOne公司的3DP技術ProMetalRCT。 選用樹脂砂作為成形材料。列印速度可達到59400-108000cm3/h。

Generis公司的GS工藝。 將樹脂通過多通道噴頭均勻向砂床噴射， 根據砂型輪廓噴射催化劑形成砂型。

2.2 激光立體成形技術

激光立體成形技術通過激光融化金屬粉末，幾乎直接可以「列印」任何形狀的產品。其最大的特點是，使用的材 料為金屬，「列印」的產品具有極高的力學性能， 能滿足多種用途。 西北工業大學凝固技術國家重點實驗室由長江學者黃衛東領銜。3D列印技術在航空領域應用的典型是為國產大飛機C919製造中央翼緣條。該中央翼緣的條長達3米，屬於大型鈦合金結構件。西北工業大學應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結構件的製造。 西工大3D列印技術對零部件的修復也獨樹一幟。航 空航天零件結構複雜、成本高昂， 一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成數十萬、 上百萬元損失。而通過3D列印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復後的性能不受影響，大大節約了時間和金錢。

3、3D列印技術在鑄造中應用發展展望

3D列印技術對於我國鑄造行業整體而言，黃衛東教 授認為「是機遇多於挑戰」。他說， 在激光組合製造領域，可以增強對市場需求的適應能力; 在快速製造模型與砂型方面，3D列印可以加速新產品研發速度， 降低工藝研究成本與風險，滿足單件與小批量市場需求; 在高性能修復方面，可減少高端鑄件廢品率，滿足產品進度要求與直接製造相 比較，3D列印技術在「更複雜的結構、 更高的性能、更快的反應速度」方面具有極大的優勢。但是當前的情況是，黃衛東認為「這些挑戰對目前的鑄造界來講，還是微不足道的」。其中一個重要原因在於3D列印的原材料成本很高： 現階段鋁合金大概是每公斤就要兩萬多元。 「但是，這項新技術當中成本下降的空間是很大的，我們要對3D列印技 術未來發展對鑄造界帶來的挑戰保持清醒的認識」 。

3.1日本計劃開發下一代高性能鑄模3D印表機

日本計劃由產經省出資30億日元，由日本產業技術 綜合研究所牽頭，聯合早稻田大學、 群榮化學工業、木村鑄造所、CMET、KOIWAI、日產汽車、小松製作所等發揮產學 研優勢，共同參與、 分工協作，在5年內生產出較現行鑄模製造裝置成本下降80%，製造速度提高10倍的高性能鑄模3D印表機。 目前， 利用3D印表機製造工業大型鑄模存在速度和精度等方面缺陷。日本設計中的下一代鑄模3D印表機將 採用反覆、高速噴射特製膠水以固著細砂技術原理， 以在短時間內形成複雜形狀的鑄模。

3.2國家863計劃關於3D列印的重點支持方向

《國家高技術研究發展計劃(863計劃)、國家科技支 撐計劃製造領域2014年度備選項目徵集指南》 中「面向複雜零部件模具製造的大型激光燒結成型裝備研製及應用」 的表述為，「針對複雜零部件模具快速製造的需求， 研製適合製造蠟模、蠟型、砂型製造， 以及尼龍等塑料零件製造的大型激光燒結成型裝備，檯面2米×2米，製件精度控制 在±0.1%以內，堆積效率達1000cm3/h以上。制訂相關技 術標準，並在汽車、模具等行業產品研製中得到應用」 。

3D列印技術在鑄造上的應用，集中在砂型、模具、鑄 件製造及挽救。從中國和日本的發展指南來看， 兩個國家不約而同地選擇了發展大型鑄型3D列印技術。但中日的技術路線有所差別：日本的技術路線是採用分層噴射砂和 粘結劑， 中國863計劃申報指南是採用激光列印鑄型。二者的共同努力方向都是大型化， 提高精度。以3D列印為代表的第三次工業革命，以數字化、 人工智慧化製造與新型材料的應用為標誌， 必將為人類生活帶來革新性的變化，而這也是發展中國家儘快趕上發達國家的良好機會。

來源：南極熊

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