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      1 3D 打印技術(shù)綜述

      1.1 3D 打印技術(shù)的定義和現(xiàn)狀

      傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造，多是采用模具將原料成型為毛坯，而后采用機(jī)加工等方法去除多余材料，成型為要求尺寸的部件，可稱為“減材制造法”。而3D 打印制造技術(shù)與之相反，是通過材料的逐層添加制造出三維物體，定義為“增材制造”法。3D 打印技術(shù)具有節(jié)材、高效、設(shè)計(jì)自由化等優(yōu)勢，在歐美已經(jīng)有20 多年的發(fā)展歷史，現(xiàn)已經(jīng)深度介入工業(yè)制造領(lǐng)域。目前，世界的3D 打印機(jī)可概括為兩大家族：

      1）熔融沉積（FDM）型打印機(jī)

      這類打印機(jī)通過某種注射器或打印頭注射、噴灑或擠壓液體、膠狀物或粉末狀原材料，是在80 年代發(fā)明的。該類打印機(jī)是目前家庭用和工業(yè)臺面式打印機(jī)的主要類型，可打印食品、塑料和生物制品。

      Polyjet 打印機(jī)是該類打印機(jī)的代表，該技術(shù)將液態(tài)光敏聚合物噴射為很薄的層，再通過UV（紫外線）光將其固化。關(guān)鍵是噴射的液滴可快速、精確地形成16 μm 的薄層，這個(gè)精度就可以完成高分辨率形狀和高精度尺寸的工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用了，再通過多個(gè)打印頭，打印不同的材料和提高打印速度，所以具備了競爭性的市場化技術(shù)條件。

      激光工程化凈成型（LENS），是工業(yè)化3D 最具影響的杰作，可將硬金屬材料制造成復(fù)雜的物體。制造過程是將材料粉末吹入精心引導(dǎo)的高功率激光束，錯(cuò)過激光束的粉末會(huì)落在一邊，遇到激光焦點(diǎn)的粉末會(huì)立即融化并融合到增長部分的表面，因此當(dāng)激光焦點(diǎn)掃描過打印對象的輪廓，打印頭吹出更多的粉末時(shí)，部件就會(huì)一層一層地逐漸增長。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是用硬質(zhì)材料（例如鈦和不銹鋼）制造物體，并可用多個(gè)打印頭同時(shí)向激光束吹粉末，使用多種基礎(chǔ)金屬按照比例打印出“合金”，該比例可以根據(jù)打印頭的位置調(diào)整，生成各種級別的合金。這種“金屬打印”發(fā)明之前，由于3D 打印只能使用塑料（聚合物）材料，因此3D 打印并沒有被大型產(chǎn)業(yè)所重視，而目前LENS 打印技術(shù)已被稱為航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)等大型產(chǎn)業(yè)追捧的焦點(diǎn)。

      分層實(shí)體制造（LOM），不是用打印頭生成層，而是將材料薄片通過刀具或激光束按照實(shí)體外形的輪廓從紙、塑料或金屬的材料薄片中切出并疊加堆積在一起并使其融合為一個(gè)三維實(shí)體。

      2）黏合、粘接式打印機(jī)

      使用選擇性黏合工藝，將原材料層層固化成型，許多早期的商用機(jī)就是使用這種方法，如立體光刻（SL）和激光燒結(jié)（LS）.

      立體光刻（SL）利用了光敏聚合物（特種塑料）遇上紫外線（UV）會(huì)硬化的原理，將液態(tài)的聚合物放在打印機(jī)內(nèi)，并用激光束在其表面按打印輪廓進(jìn)行掃描固化，每次激光掃描之后，移動(dòng)臺面將已打印的部分下沉一微小距離，新的液態(tài)光敏聚合物會(huì)覆蓋其頂面，逐層打印出實(shí)體。打印實(shí)體有的需要進(jìn)一步放入紫外線”微波爐“中進(jìn)行固化。SL 打印機(jī)的優(yōu)勢在于激光作業(yè)快、精確，多束激光可并行工作，分辨率高，層厚可達(dá)10 μm，比一張紙還薄，可生產(chǎn)出精密的工業(yè)級模型和零部件。隨著光敏聚合物材料的開發(fā)及應(yīng)用推廣，SL 打印機(jī)可生產(chǎn)出具有特殊材料特性的物體。

      激光燒結(jié)（LS）是使用粉末代替液體，以高功率激光束在粉床表面掃描，激光照射到的粉末融合，而后將粉床降低一個(gè)層厚再加上一層粉末，未燒結(jié)的粉末可以回收再利用。由于大多數(shù)的原材料都可以制成粉末形式，如尼龍、鋼、青銅和鈦，因此粉末材料應(yīng)用范圍更廣。

      三維打印（3DP）是通過打印頭將黏結(jié)劑或某種膠加入到粉末中，更類似于噴墨打印機(jī)，代替紙的是粉末（如ExOne 公司打印機(jī)用的砂子），而墨水是黏結(jié)劑。該設(shè)備不用激光和有毒材料，因此更加具有商業(yè)競爭性。3DP 打印還可以噴入不同顏色的黏結(jié)劑和色料，實(shí)現(xiàn)彩色打印，打印出類似巖石的紋理。該種打印機(jī)應(yīng)用的材料非常廣泛，砂子、陶土、玻璃、骨骼、青銅等各類金屬，打印后可通過繼續(xù)燒結(jié)提高強(qiáng)度，在鑄造、建筑、藝術(shù)品、醫(yī)學(xué)、機(jī)械部件等有不可估量的前景。

      目前，3D 打印技術(shù)在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，從公開報(bào)道中已知3D 打印可生產(chǎn)出的物體有：設(shè)計(jì)模型；汽車、航空航天、機(jī)器部件；生物上的活細(xì)胞、活性軟骨、心臟隔膜；骨骼、牙、耳朵；家用器具和玩具；藝術(shù)品；食品；砂型和砂芯；建筑物等等。

      1.2 3D 打印技術(shù)的未來意義

      3D 打印技術(shù)與機(jī)器人、互聯(lián)網(wǎng)一起被稱為第三次工業(yè)革命的主要標(biāo)志，帶有五大“革命”特征：

      1）能源生產(chǎn)和使用的革命：節(jié)能和再生性能源的發(fā)現(xiàn)及互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)化。

      2）生產(chǎn)方式的變革：以互聯(lián)網(wǎng)為支撐的智能化大規(guī)模定制方式替代大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化的方式，個(gè)性化消費(fèi)時(shí)代的到來。

      3）制造模式的變革：制造業(yè)主流的制造模式從消減式轉(zhuǎn)變成為疊加式，就是3D 的增量打印。

      4）生產(chǎn)組織方式的變革：分散生產(chǎn)、就地銷售，網(wǎng)絡(luò)化組織生產(chǎn)社會(huì)化。

      5）生活方式的變革：消費(fèi)的同時(shí)就是生產(chǎn)。要什么就生產(chǎn)什么，即刻實(shí)現(xiàn)是3D 打印。世界對3D 打印遠(yuǎn)景的到來充滿了期待，正如《3D 打印———從想象到現(xiàn)實(shí)》一書中所寫：“一場產(chǎn)品制造的革命、設(shè)計(jì)的革命、材料的革命、生物的革命、知識產(chǎn)權(quán)的革命將由3D 打印引爆。我們進(jìn)入“機(jī)器制造機(jī)器”的時(shí)代已經(jīng)不遠(yuǎn)了。”

      3D 打印一夜之間變成全球的熱門話題，升溫的速度如此之快是在中國已往所沒有的，這說明政府、國人和一些專業(yè)人士對新技術(shù)的渴望和面對全球競爭的警惕性在提高，3D 打印是我國面臨的全新機(jī)遇和挑戰(zhàn)。3D 打印出現(xiàn)在美國總統(tǒng)的政府報(bào)告中，歐洲也在布局所謂的第四次工業(yè)革命，實(shí)際反映的是世界競爭的格局在變化，歐美借助技術(shù)上的優(yōu)勢在與發(fā)達(dá)國家提出新的挑戰(zhàn)方式。我們的低價(jià)勞動(dòng)力的優(yōu)勢就要消失，之后我們拿什么與其爭，我們第二次工業(yè)革命應(yīng)該完成的使命還沒有完成，馬上進(jìn)入第三次、第四次工業(yè)革命，因此挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存不是空話，沒有選擇，只有迎頭趕上，才會(huì)置身世界前列。3D 打印的過程需要突破三關(guān)，即控制三篇章，控制物體的形狀、控制物質(zhì)的構(gòu)成和控制的行為。三個(gè)技術(shù)的結(jié)合，就可以達(dá)到物體的精度和性能，就可實(shí)現(xiàn)大面積的工業(yè)化，因此，從技術(shù)層面上說未來是光明的。

      2 3D 打印在鑄造中的應(yīng)用

      目前，已有部分工業(yè)級3D 打印機(jī)應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)服務(wù)，主要用于鑄件的快速原型、翻制模具、打印模殼、砂芯等。例如國內(nèi)的武漢濱湖機(jī)電、北京隆源公司等采用激光燒結(jié)3D 打印應(yīng)用于熱芯盒工藝。國外如德國ExOne 公司開發(fā)了專門用于鑄造砂型芯打印的3DP 打印機(jī)（如圖1 所示），實(shí)現(xiàn)無模具鑄造或數(shù)字化鑄造，目前可最大打印1 800 mm×1 000 mm×700 mm 尺寸的整體砂型或芯，該技術(shù)設(shè)備已由我國寧夏共享集團(tuán)公司引進(jìn)，用于開發(fā)生產(chǎn)。

      下面重點(diǎn)介紹Ex-One 公司3D 砂芯打印機(jī)原理特點(diǎn)。

      1） 打印砂芯方法工藝

      打印砂芯的方法可簡述為：據(jù)鑄造工藝設(shè)計(jì)砂芯結(jié)構(gòu)（三維建模）→將模型文件（STL 格式）導(dǎo)入打印設(shè)備進(jìn)行處理→準(zhǔn)備打印原料，設(shè)置打印參數(shù)→自動(dòng)打印成型→吸除未用松砂，取型芯清理→澆注生產(chǎn)。

      打印時(shí)，先在工作箱平鋪一層砂（已混合固化劑），而后打印頭選擇性噴射化學(xué)黏結(jié)劑，并逐層交替，最后自硬成型，如圖2 所示。

      2）3D 打印砂芯的特點(diǎn)

      無需模具，可制作復(fù)雜的砂型/ 砂芯，尤其是模具難以成型的型芯。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜砂芯的一體成型，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(xiàn)有的其他可打印砂型設(shè)備多采用了激光燒結(jié)方式，可打印產(chǎn)品尺寸不足500mm×500mm×500mm，成型速率每小時(shí)僅為幾升。ExOne 公司砂芯打印機(jī)打印精度達(dá)到0.3 mm，工作箱尺寸為1 800 mm×1 000 mm×700 mm，為目前行業(yè)最大，每小時(shí)可成型108 L 砂，原料主要是常規(guī)石英砂、固化劑及黏接劑，成本相對較低。

      打印砂型芯為常溫固化成型，無收縮變形，無需后續(xù)加工可直接使用。

      可打印呋喃樹脂、酚醛樹脂、無機(jī)樹脂等，用于鋁、鎂、鐵、鋼等多種有色金黑色金屬鑄造，適用于汽車，航空，泵業(yè)，大型發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械行業(yè)的砂型鑄造。

      與傳統(tǒng)制芯方式相比，該設(shè)備自動(dòng)化控制工作，勞動(dòng)強(qiáng)度低，噪音、粉塵污染小，剩余原料可回收再利用。

      最佳性價(jià)比，可節(jié)約一半左右的生產(chǎn)成本和周期。

      3）3D 打印砂芯的應(yīng)用

      3D 打印砂芯是鑄件產(chǎn)品開發(fā)的最佳手段，是快速交貨的最佳保證，也是特定小批量生產(chǎn)的最佳經(jīng)濟(jì)方式（圖3 為一箱多件的排布）。目前，ExOne 公司的3D 打印砂芯已應(yīng)用于航空航天、汽車、泵和液壓、科研開發(fā)、鑄造廠及相關(guān)服務(wù)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。部分典型打印砂芯的應(yīng)用見圖4.

      3 3D 打印與未來鑄造發(fā)展

      隨著技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)、生活方式的改變，鑄造業(yè)也必須考慮可持續(xù)化發(fā)展。未來的鑄造發(fā)展，從產(chǎn)品需求上呈現(xiàn)“品種多樣性、現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、更新?lián)Q代快”等特點(diǎn)，從鑄造生產(chǎn)上要求優(yōu)質(zhì)可靠、高效智能、綠色低碳，這就要求鑄造業(yè)保持先進(jìn)的工藝及手段，3D 打印將在各種新型鑄造工藝中大有可為，開辟新的制造途徑。

      以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄造為例，其發(fā)展趨向是輸出動(dòng)力和排放環(huán)保的條件下整體重量輕量化，因此鋁合金和薄壁蠕鐵是未來發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的優(yōu)選。有兩種工藝值得關(guān)注，也是3D 打印的用武之地。

      1）組芯工藝替代黏土砂工藝

      組芯工藝（COREPAK），是直接用射芯機(jī)制造出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砂包或砂型，如圖5 示意。

      組芯工藝于1986 年在英國Crosworth 成線，鑄造跑車的鋁合金V6 缸體，到2011 年鑄造出蠕鐵的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。尼馬克在德國Dellingen 有個(gè)全球最大的鋁鑄造廠，用組芯工藝生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋，年產(chǎn)量缸體在300 萬件以上，在美國的通用，南京的馬自達(dá)鑄造廠也在用組芯工藝生產(chǎn)鋁缸體；重慶機(jī)電在重慶建設(shè)全球最大的組芯工藝生產(chǎn)線，鑄造開車鑄鐵缸體。

      組芯工藝與潮模砂工藝相比，設(shè)備投資可減少30%、材料節(jié)省40%、能源節(jié)省40%、人力節(jié)省10%、產(chǎn)品柔性提高15%。除此之外，還有重要幾點(diǎn)：

      容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如機(jī)器人的加入組芯和搬運(yùn)，容易實(shí)現(xiàn)環(huán)保和友好工作環(huán)境；

      落砂、除芯和砂再生集中在一臺流臺床內(nèi)完成，節(jié)能環(huán)保非常突出；3D 打印制芯可以大量結(jié)合，經(jīng)濟(jì)性完成小批量鑄造生產(chǎn)。

      2）低壓砂型澆注工藝

      以上組芯工藝大多采用重力澆注，如果是復(fù)雜的鑄件可以結(jié)合低壓澆注，從而克服澆注成型的一些困難，獲得更佳的機(jī)械性能，尤其是鋁合金非常容易實(shí)現(xiàn)。

      一汽鑄造公司有色鑄造廠在2012 年建設(shè)了一條低壓澆注的組芯線生產(chǎn)紅旗系列的鋁合金V6 和I4 缸體（如圖6），芯包組合后直接用機(jī)器人抓住到低壓澆注爐上進(jìn)行澆注，之后放到冷卻線上冷卻，可實(shí)現(xiàn)4 min 澆注1 型。

      不論是組芯還是低壓澆注，都是迎合未來鑄造發(fā)展需求而開發(fā)的新技術(shù)，3D 打印型芯非常適合這類自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、復(fù)雜化的鑄造生產(chǎn)，與之結(jié)合將會(huì)開創(chuàng)更為經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)模式。

      從更長遠(yuǎn)來看，根據(jù)“第三次工業(yè)革命”的特征，未來鑄造業(yè)也將追隨這個(gè)大的技術(shù)潮流而變：節(jié)能、環(huán)保和綠色鑄造；個(gè)性化的消費(fèi)帶來個(gè)性化的設(shè)計(jì)；小批量和單件生產(chǎn)成為主流；社會(huì)化生產(chǎn)使小型鑄造廠成為熱點(diǎn)。由此，我們可以設(shè)想由3D 打印技術(shù)帶來的“個(gè)人鑄造廠”：一臺3D 打印機(jī)加上一臺電爐，通過網(wǎng)絡(luò)云平臺接受訂單，打印機(jī)進(jìn)行造型制芯，電爐熔化澆注，型砂由社會(huì)化收集和再生，一個(gè)個(gè)性化的個(gè)人鑄造廠就誕生了！ 3D打印將給鑄造業(yè)帶來革命性的變革值得期待。 

      4 結(jié)束語

      受研發(fā)和消費(fèi)的影響，鑄造件的設(shè)計(jì)越來越體現(xiàn)消費(fèi)者的意愿、體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意，正在擺脫傳統(tǒng)鑄造工藝的束縛，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)開始借助3D打印在大企業(yè)的內(nèi)部完成，3D 打印技術(shù)正在成為提高高端鑄件產(chǎn)品競爭力的有力保證。

      從ExOne 公司的的用戶清單中可以看到，世界各大汽車企業(yè)如寶馬、奔馳、通用、福特已經(jīng)在用3D打印開發(fā)新的鑄造產(chǎn)品，美國和俄羅斯的軍工研發(fā)機(jī)構(gòu)也在其中，博士力士樂已經(jīng)將3D 打印安裝在鑄造廠里，我國的共享新鑄造廠已經(jīng)勾畫新的組芯工藝并將3D 打印融入其中，世界越來越多的大型公司已經(jīng)在鑄件生產(chǎn)中重視3D 打印，引入3D 打印。

      但是，我國多數(shù)企業(yè)還沒有意識到這一點(diǎn)，不具備產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)和開發(fā)能力，還在依靠于西方發(fā)達(dá)國家，因此，及時(shí)開展技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，結(jié)合3D 打印和傳統(tǒng)鑄造，掌握先進(jìn)的工藝手段是我們鑄造業(yè)未雨綢繆的重要舉措，是實(shí)現(xiàn)我國鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑。

      機(jī)遇總是偏向于有準(zhǔn)備之人，讓我們抓住機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為推動(dòng)我國鑄造業(yè)和相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展而做出貢獻(xiàn)。