1 3D 打印技術綜述

      1.1 3D 打印技術的定義和現狀

      傳（chuán）統的產品製造，多是采用模具將原料（liào）成型為毛坯，而後采用機加工等方法去除多餘材料，成（chéng）型為要求尺寸的部件，可稱為“減材製造法（fǎ）”。而3D 打（dǎ）印製造技（jì）術與之相（xiàng）反，是通過材料的逐層添加製造出三維物體，定義為“增材製造”法。3D 打印技術具有節材（cái）、高效、設計自由化等優勢，在歐美已經有20 多年的發展（zhǎn）曆史，現已經深度介入工業製造領域。目前，世界的3D 打印機可概括為兩（liǎng）大家族：

      1）熔（róng）融（róng）沉積（FDM）型打印機

      這類打印機通（tōng）過某種注射器或打（dǎ）印頭注射、噴灑或擠壓（yā）液體、膠（jiāo）狀物或粉末狀原材料，是在80 年（nián）代發明的。該類（lèi）打印機是目前家庭用和工業台麵式打印機的主要類型（xíng），可打印食品（pǐn）、塑料和生物製品。

      Polyjet 打印機是該類打印機的代（dài）表，該技術（shù）將液態光敏聚合物噴射為很薄的（de）層（céng），再通過UV（紫外線（xiàn））光將其固化。關（guān）鍵是噴（pēn）射的液滴可快速、精確地形成16 μm 的薄層，這個精（jīng）度就可以完成高分辨（biàn）率（lǜ）形狀和高精度尺寸的工業和醫學應用了，再通過多個打印（yìn）頭，打印不同（tóng）的（de）材（cái）料和提高（gāo）打印速度，所以（yǐ）具備了競爭性的市場化技術條件。

      激光工程化淨成型（LENS），是工業（yè）化3D 最具影響（xiǎng）的傑作，可（kě）將硬金（jīn）屬材料製造成複雜的物體。製造（zào）過程（chéng）是將材料粉末吹入精心引導的高功率（lǜ）激光束，錯過激光束的粉末會落在一邊，遇到激光焦點的粉末會立即融化並融合到增長部分的表麵（miàn），因此當激光焦點掃（sǎo）描過打印對象（xiàng）的輪廓（kuò），打印頭吹出更多的粉末時，部件就會一層（céng）一層（céng）地逐漸增長（zhǎng）。這種工（gōng）藝的優點是（shì）用硬質材料（例如鈦和不鏽鋼）製造物體，並可用多個打印頭同時向激光（guāng）束（shù）吹粉末（mò），使用多種（zhǒng）基（jī）礎金屬（shǔ）按照（zhào）比例打印出“合金”，該（gāi）比（bǐ）例可以（yǐ）根據（jù）打印頭的位置調整，生成各（gè）種級別的（de）合金。這種“金屬打印”發明（míng）之前，由於3D 打印隻能（néng）使（shǐ）用塑料（聚合物）材料，因此3D 打印並沒有被大型產業所（suǒ）重視，而目前LENS 打印技術已被稱（chēng）為（wéi）航空航天、汽車、生物醫學等大型產業追捧的焦點。

      分層實體製造（LOM），不是用打印頭生成層，而（ér）是將材（cái）料薄片通過刀具（jù）或激光束按照實體外形的輪廓從紙、塑（sù）料或金屬的材料薄片中切（qiē）出並疊加堆積在一起（qǐ）並使其融合為一個三維實體。

      2）黏合、粘接式打印機

      使用選（xuǎn）擇性黏合工藝（yì），將（jiāng）原材料層層固化成（chéng）型，許多早期的商用機（jī）就是使用這種方法，如立體光刻（SL）和激（jī）光燒結（LS）.

      立體光（guāng）刻（SL）利用了光敏聚合物（特種塑料）遇（yù）上紫外線（UV）會硬化的原理，將液態的聚合物放在打印機內，並用激光束在其表麵按打印輪廓進行掃描（miáo）固化，每次激光掃描之（zhī）後，移動（dòng）台麵將已打印的部分下沉一微小距離，新的液態光敏聚合物會覆蓋其頂麵，逐（zhú）層打（dǎ）印出實體。打印實體有的需要（yào）進一步放入紫外線”微波爐“中進行固化。SL 打印機的優勢在於激光作業快、精確，多束激光可並行工作，分辨（biàn）率高，層厚可達10 μm，比一張紙還薄，可（kě）生產出（chū）精密的（de）工業級模型和零部件。隨著光敏聚合物（wù）材料的開發及應用推廣，SL 打印機可生產出具（jù）有特殊（shū）材料特性的物體。

      激光燒結（LS）是使用粉末代替液體，以高功（gōng）率激光（guāng）束在粉床表麵掃描，激光照射到的粉末融合，而後將粉床（chuáng）降低（dī）一個層厚再加上一層粉末，未燒結的粉（fěn）末可以回收再利用。由於大多數的原材料都可以製成（chéng）粉末（mò）形式，如（rú）尼龍、鋼、青銅和鈦，因此粉末材料應用（yòng）範圍（wéi）更廣。

      三維打印（3DP）是通過打印頭將（jiāng）黏結劑或某種（zhǒng）膠加入到粉（fěn）末中，更類（lèi）似於噴墨打印機，代替紙的是粉末（如ExOne 公司打印機用的砂子），而墨水是黏結劑。該設備不用激光和有毒材料（liào），因此更（gèng）加具有商業競爭（zhēng）性。3DP 打印還可以噴入不（bú）同顏色的黏結劑和色料，實現彩色打印，打印出類似岩石的紋理。該（gāi）種打印機（jī）應用的材料非常（cháng）廣泛，砂子、陶土、玻璃、骨骼、青銅等各類金屬，打印後（hòu）可通過繼續燒結提高強度（dù），在鑄造、建築、藝（yì）術品（pǐn）、醫學、機械部件等（děng）有不可估量（liàng）的前景。

      目（mù）前，3D 打（dǎ）印技術在各個行業領域應用廣泛（fàn），從公開（kāi）報道中已知3D 打印可生產出的物體有：設計模型；汽（qì）車、航空航天、機器部件；生（shēng）物上的（de）活細胞、活性（xìng）軟（ruǎn）骨、心髒隔膜；骨骼、牙、耳朵；家用器具和玩具；藝術品；食品；砂型和砂芯；建築（zhù）物等等。

      1.2 3D 打印技術的未來意義

      3D 打印技術與機器人、互聯網一（yī）起被稱為第（dì）三次工業革命的主要標誌，帶有五大（dà）“革命”特征：

      1）能源生產和使用的革命：節能和再生性能源的發現及互聯網實現的（de）消費網絡化。

      2）生產方式（shì）的變革：以互聯網為支撐的（de）智能化大規模定製（zhì）方式替代（dài）大規模標準化的（de）方式，個（gè）性化消費時代的到來。

      3）製（zhì）造模式的變（biàn）革：製造業主流的製造（zào）模式從消減式轉變（biàn）成為疊加式（shì），就是3D 的增量（liàng）打印。

      4）生產（chǎn）組（zǔ）織方式的變革：分散生產、就（jiù）地銷售，網絡化組織生產社會化。

      5）生活方式的（de）變（biàn）革：消費的同時就是生產。要什麽就生產什麽，即刻實現是3D 打印（yìn）。世界對3D 打印遠景的到來充滿了（le）期待，正如《3D 打印———從想象到現實》一書中所寫（xiě）：“一場產品（pǐn）製造的（de）革命、設計的革命、材料的革命、生物的革命、知識產權的革命將由3D 打印（yìn）引爆。我們進入（rù）“機器製造機器”的（de）時代（dài）已經不（bú）遠了（le）。”

      3D 打印（yìn）一夜之間變成全球的熱門話題，升溫的速度如（rú）此之快是在中國已往所沒有的，這說明政（zhèng）府、國人和（hé）一些專業人士對新技術的渴望（wàng）和麵對全球競爭的（de）警惕性在（zài）提高，3D 打印是我國麵（miàn）臨的全新機遇和挑戰。3D 打印出現在美國總統的政府報（bào）告中，歐洲（zhōu）也（yě）在布局所謂的（de）第四次工業（yè）革命，實際反映的（de）是世界競爭的格局在變化，歐美借助技術上的優勢在與發達（dá）國家提出新的（de）挑戰方式。我們（men）的低價勞動力（lì）的優勢（shì）就要消失，之後我們拿什麽與其爭，我們（men）第二次工業革命應該（gāi）完成的使命還沒有完成，馬上進入第三次、第四次工業革命，因此挑戰與機遇並存不是空（kōng）話，沒有選擇，隻有迎頭趕上，才會置身世界前列。3D 打印的過程需要突（tū）破三關（guān），即控製三篇章，控製物體（tǐ）的形狀、控（kòng）製物質的構成和控（kòng）製的行為。三個技（jì）術的結合，就可以達到物體的精度和性能，就可實現大麵積的工業化，因此，從技術層麵上說未來是光明的。

      2 3D 打印在鑄造中的應用

      目前，已有部分工（gōng）業（yè）級3D 打印機應用於鑄造生產服務，主要用於鑄件的快速原型、翻製模具（jù）、打印模殼、砂芯等。例如國內的（de）武漢濱（bīn）湖機電、北京隆源公司（sī）等采用（yòng）激光燒結3D 打印應用於（yú）熱芯（xīn）盒工藝。國外如德國ExOne 公司開發了專門用於鑄造砂型芯打印的（de）3DP 打印機（如圖1 所示），實現無模具鑄造或數字化鑄造（zào），目前可最大（dà）打印1 800 mm×1 000 mm×700 mm 尺寸的整體砂型（xíng）或芯，該技術設（shè）備已由我國寧夏共享集團（tuán）公司引進，用於開發生產。

      下（xià）麵重點介紹Ex-One 公（gōng）司3D 砂芯（xīn）打印（yìn）機原理特點。

      1） 打印砂芯方法工藝

      打印砂芯的方法（fǎ）可簡述為：據鑄造工藝設計砂芯結構（三維建模）→將模（mó）型文件（STL 格式）導入打印設備進（jìn）行處理→準備打印原料，設置打印參數→自動打印成型→吸除未用鬆砂，取型芯清理→澆注生產。

      打（dǎ）印時，先在工作箱平鋪一層（céng）砂（已混合固化劑），而後打印頭選擇性噴射化學黏結劑，並逐層交替，最後（hòu）自硬（yìng）成型，如圖2 所示。

      2）3D 打（dǎ）印砂芯的特點

      無需模具，可製作（zuò）複雜的砂型（xíng）/ 砂芯，尤（yóu）其是模具難以（yǐ）成型（xíng）的型芯。實現（xiàn）複雜砂（shā）芯的一體（tǐ）成型，提高造型精度。

      打印砂芯尺寸大，精度高，速度快，成本低。目前現有的其他可打印砂型設備多采用了（le）激光（guāng）燒結方式，可打印產品尺寸不足500mm×500mm×500mm，成型速率每小時僅為幾升。ExOne 公司砂芯打印機打印精度達到0.3 mm，工作箱尺寸為1 800 mm×1 000 mm×700 mm，為目前行（háng）業（yè）最大，每小時可成型108 L 砂，原料主要是常規石英砂、固化劑及黏接劑，成本相對（duì）較低。

      打印砂型芯為常溫固（gù）化成型，無收縮變形，無需後續加工可直（zhí）接使用。

      可打印呋喃樹脂、酚醛樹脂、無（wú）機樹脂等，用於鋁、鎂、鐵、鋼等多種有色（sè）金黑色金（jīn）屬鑄造，適用於汽車，航空，泵業，大型發動機和（hé）機械行業的砂型鑄造。

      與傳統製芯方式相比，該設備自動化控製工作，勞動強（qiáng）度低，噪音、粉塵汙染小，剩餘原料（liào）可（kě）回（huí）收再利用。

      最佳性價比，可節約一半左右的生產成本和周期。

      3）3D 打印砂芯的應（yīng）用

      3D 打印砂芯是鑄件產品開（kāi）發的最佳手段，是快速交貨的最（zuì）佳保證，也是（shì）特定小批量生產的最（zuì）佳經濟方式（圖3 為一箱多件的排布）。目前，ExOne 公司的3D 打印（yìn）砂芯已應（yīng）用於航空（kōng）航天、汽車、泵和液壓、科研開發、鑄造（zào）廠及相（xiàng）關服務業等多個領域。部（bù）分典型打印砂芯（xīn）的應用（yòng）見圖4.

      3 3D 打印與未來鑄造發展

      隨（suí）著（zhe）技術進步，生產、生（shēng）活方式的改變，鑄造業也必須考慮可（kě）持續（xù）化發展。未來的鑄造發（fā）展，從產品需求上呈現“品種多（duō）樣性、現結構複雜化（huà）、更新換代快”等特（tè）點，從（cóng）鑄造（zào）生產上要（yào）求優質可靠、高效智能、綠色低碳，這就要求鑄造業保持先進的工藝及手段（duàn），3D 打印將在各種新型鑄造工藝中大有（yǒu）可為（wéi），開辟新的製造途徑。

      以汽車發動機缸體（tǐ）鑄造為例，其發展趨向（xiàng）是輸出動力和排（pái）放（fàng）環保（bǎo）的條件下整體重量輕量化，因此鋁合金和薄壁蠕鐵是（shì）未來（lái）發動機缸體的優選。有兩種（zhǒng）工藝值得關注，也是3D 打印的用武之地。

      1）組芯工藝替代黏土砂工（gōng）藝

      組芯工藝（yì）（COREPAK），是直接用射芯機製造出（chū）的芯子組合成芯包或輔助自硬砂工藝造出外型與芯子組合成完整的（de）砂包或砂型，如圖5 示意。

      組芯工藝於（yú）1986 年在（zài）英國Crosworth 成線，鑄造跑車（chē）的鋁合金V6 缸體，到2011 年鑄造出蠕鐵的發動機缸（gāng）體。尼（ní）馬克在德國Dellingen 有（yǒu）個全球最大的鋁鑄造廠，用組芯（xīn）工（gōng）藝生產發動機的（de）缸體和缸蓋，年產量缸（gāng）體在300 萬件（jiàn）以上，在美國的通用，南京的馬自達鑄造廠（chǎng）也在用組（zǔ）芯工藝（yì）生產鋁缸體；重慶機電在重慶建設全球最大的組芯工藝生產線，鑄造開車鑄（zhù）鐵缸體。

      組芯工（gōng）藝與潮模（mó）砂工藝相比（bǐ），設（shè）備投資可減少30%、材料節省40%、能源節省40%、人力節省（shěng）10%、產品柔性提高15%。除此之外，還有重要幾點：

      容易實現自動化，如機器（qì）人的加入組芯和搬運，容易實現環保和友好（hǎo）工作環境；

      落砂、除芯和砂（shā）再生集（jí）中在一台流台床內完成，節能環保非常突出；3D 打（dǎ）印製芯可以大（dà）量結合，經濟性完成小（xiǎo）批量鑄造生（shēng）產。

      2）低壓砂型澆注工藝

      以上組芯工藝大多采用重力澆注，如果（guǒ）是複雜的鑄件（jiàn）可以結合低壓澆注，從而克服澆注成型的一些（xiē）困難，獲得更佳（jiā）的機械性能，尤（yóu）其是鋁合金非常容易實現。

      一汽鑄造公司有色鑄（zhù）造廠在2012 年建設了一條低（dī）壓澆注的組芯線生產紅旗係列的（de）鋁合金（jīn）V6 和（hé）I4 缸（gāng）體（tǐ）（如圖（tú）6），芯包組合（hé）後直接用機器人（rén）抓住到低壓澆注爐上進行澆注，之後放到冷卻線上冷卻，可實現4 min 澆注（zhù）1 型。

      不論是組芯還是低壓澆注，都是（shì）迎合未來鑄造發展需求而開發的新技術，3D 打印型芯（xīn）非常適合這類自動化、精準化、複雜（zá）化的鑄造生產，與之結合將會開創更為經濟高（gāo）效的（de）生產模式。

      從更長遠來看（kàn），根據（jù）“第三次工業革命”的特征，未來鑄造業也將追（zhuī）隨這個大的技（jì）術潮流而變：節能、環保和綠色鑄造（zào）；個性化的消費帶來個性化的設計（jì）；小批量和單件生產（chǎn）成（chéng）為主（zhǔ）流；社（shè）會化（huà）生產使小型鑄造廠成為熱點。由此，我們可以（yǐ）設想由3D 打印技術（shù）帶來的“個人鑄造廠（chǎng）”：一台（tái）3D 打印機（jī）加上一台電爐，通過網絡雲平台接受訂（dìng）單（dān），打印機進行造型製芯，電爐熔（róng）化澆注，型砂由社會化收集和再生，一個個性化的個人鑄造廠就誕生了！ 3D打印將給鑄造業帶來革命性的變革值得期待（dài）。 

      4 結束語

      受研發和消（xiāo）費的影響，鑄（zhù）造件的設（shè）計越來越體現消費者的意願、體現設計者的（de）創意，正在擺脫傳統鑄造工藝（yì）的束縛，產品設計和（hé）研（yán）發（fā）開（kāi）始借助3D打印在大企業的（de）內部（bù）完成，3D 打印技術正在成為提高高端鑄件產品競爭力的（de）有力（lì）保證。

      從ExOne 公司的的（de）用戶清單中可（kě）以看到，世界各大汽車企業如寶馬、奔馳、通用、福特已經在用3D打印開發新（xīn）的鑄造產品，美國和俄羅斯的軍（jun1）工研發機構（gòu）也（yě）在其中，博士力士樂已經將3D 打印安裝在鑄造廠裏，我（wǒ）國的共享新鑄造廠已經勾畫新（xīn）的組芯工（gōng）藝並將3D 打印融入其（qí）中，世界越來越多的大型公司已經（jīng）在鑄件生產中重視3D 打印，引入3D 打印。

      但是，我國多數企業還沒有意識到（dào）這一（yī）點，不具備產品的原始設計和（hé）開發能力，還在依靠（kào）於西方發達國家，因此，及時開展技術創新和技術進步，結合3D 打印和傳統鑄造，掌握先進的工藝手段是我們鑄造業未雨綢繆的重要舉措，是實現我國鑄造業轉型升級的重要途（tú）徑。

      機（jī）遇總是偏向於有準備之人，讓我們（men）抓住機遇與挑戰（zhàn），為（wéi）推動（dòng）我國鑄造業和相關行業的快（kuài）速發展而做出貢獻。