本文關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)及其在鑄造中應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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3D打印技術(shù)及其在鑄造中應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望

發(fā)布日期： 2014-05-11 發(fā)布：  

  2014年3期目錄       本期共收錄文章20篇

　　摘要：本文概述了3D打印技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域及國內(nèi)外技術(shù)與行業(yè)現(xiàn)狀。3D打印在鑄造中的應(yīng)用目前主要是用在快速制造砂型、直接打印金屬產(chǎn)品、缺陷修補(bǔ)（再制造）方面。中日兩國都提出了集中精力發(fā)展大型鑄型3D打印技術(shù)。日本的技術(shù)路線是采用分層噴射砂和粘結(jié)劑，中國的技術(shù)路線是采用激光打印鑄型。
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　　關(guān)鍵詞：3D打印 鑄造 激光成形 鑄型
　　3D打印技術(shù)自1984年正式誕生以來，今年恰逢30周年。隨著第三次工業(yè)革命的提出，在普通大眾眼中也日漸火爆。論文、專利的井噴好像象征著3D打印就可以進(jìn)入千家萬戶，但實(shí)際情況并非如此。
　　傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)是設(shè)計(jì)-模具-造型-澆注-清理-后處理-機(jī)加。3D打印是否可以在鑄造的鑄型制造、鑄造模具或者直接打印產(chǎn)品上做出貢獻(xiàn)？
　　1 3D打印技術(shù)概述
　　3D打印學(xué)名為增材制造技術(shù)，其工作原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解為若干層平面切片，然后把“打印”材料按切片圖形逐層疊加，最終“堆積”成完整的物體。關(guān)于3D打印技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)、各種技術(shù)原理及適用范圍已經(jīng)在各書籍、論文中，限于篇幅，本文不再贅述。
　　1.1 目前主要應(yīng)用領(lǐng)域
　　目前，3D打印主要用在3個方面：大眾消費(fèi)（桌面級）、工業(yè)級、生物工程級。
　　①大眾消費(fèi)（桌面級）。用于工業(yè)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、珠寶、玩具、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。
　�、诠I(yè)級又有兩個方面，一是原型制造，主要用于模具、模型等行業(yè)。二是產(chǎn)品制造，包括大型金屬結(jié)構(gòu)件和小型金屬零部件的直接制造。
　�、凵锕こ碳�。如打印器官、骨骼、牙齒、細(xì)胞、軟組織等[1]。
　　1.2 3D打印技術(shù)與行業(yè)現(xiàn)狀
　�、贇W美的3D研究和產(chǎn)業(yè)化。
　　在美國，3D打印技術(shù)已初步產(chǎn)業(yè)化，其中Stratasys和3D Systems是兩家龍頭企業(yè)，均已經(jīng)在納斯達(dá)克上市。2013年8月16日，“美國國家增材制造創(chuàng)新中心”剪彩成立。
　　歐盟也設(shè)置了基金會來支持3D打印技術(shù)，分別在諾丁漢大學(xué)、謝菲爾德大學(xué)、�？怂固卮髮W(xué)建立了3D打印中心。
　�、趪鴥�(nèi)3D行業(yè)現(xiàn)狀。
　　國內(nèi)的3D打印行業(yè)分為學(xué)院派和市場派。學(xué)院派主要以清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)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[1]。
　�、壑袊�3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
　　2012年10月15日，由亞洲制造業(yè)協(xié)會、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等權(quán)威科研機(jī)構(gòu)和3D行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)共同發(fā)起的中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京宣告成立，自稱是全球首家3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
　�、苁澜�3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
　　2013年5月29日，由中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以及英國3D增材制造聯(lián)盟、美國的Exone 公司、德國EOS公司、美國的3D Stratsys公司、比利時Materialise公司、英國Choc Edge Ltd公司、美國drexel大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航學(xué)院等科研單位和企業(yè)共同發(fā)起成立世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。2014年6月19-22日將在青島召開第二屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會暨2014年世界3D打印技術(shù)博覽會。
　　1.3 3D技術(shù)應(yīng)用前景
　　通過中國知網(wǎng)、維普等查詢到關(guān)于3D的論文汗牛充棟，讓人熱血沸騰。但基本都是關(guān)于3D技術(shù)的普及知識以及在醫(yī)學(xué)、模具、建筑等應(yīng)用案例。資本市場也熱鬧非凡，但有頭腦的風(fēng)投非常謹(jǐn)慎[2]。一般認(rèn)為：
　�、�3D打印不可能，至少不可能完全，取代傳統(tǒng)制造業(yè)。
　　3D打印究竟能夠做什么？美國的、歐洲的3D企業(yè)，也說不出來。否則，他們就不會在世界3D產(chǎn)業(yè)大會上和中央電視臺的專題節(jié)目中炫耀：利用3D打印技術(shù)打印一把吉他，打印一支電子琴，打印一個臺燈，或者打印一把手槍……
　　傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過數(shù)千年的積累和發(fā)展，已經(jīng)非常完善和成熟，無論是工藝特點(diǎn)，還是成本因素、材料因素，3D打印技術(shù)都是無法比擬的。3D打印技術(shù)的真正奧秘所在，不是什么都能做，而應(yīng)該是傳統(tǒng)制造業(yè)不能做或很難做的領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)[1]。
　�、趥�人消費(fèi)。
　　由于成本問題以及操作者的技術(shù)水平――因?yàn)?D應(yīng)用并不是零門檻，要以現(xiàn)有技術(shù)，一家用戶需要準(zhǔn)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(guī)模。關(guān)鍵是如何培育應(yīng)用市場，用戶是需要去培育的。所以，短期內(nèi)家用3D打印行業(yè)也難形成氣候。
　　2 3D打印技術(shù)在鑄造中應(yīng)用現(xiàn)狀綜述
　　3D打印在鑄造中已經(jīng)有一些應(yīng)用，主要是用在快速制造砂型和直接打印金屬產(chǎn)品兩方面。在缺陷修補(bǔ)（挽救）方面也有一定的應(yīng)用。
　　2.1 利用3D技術(shù)原理快速制造無模精密砂型
　　中國鑄造協(xié)會網(wǎng)站稱，2014年5月將在北京召開第十二屆中國國際博覽會，其中的“3D打印與數(shù)字化無模鑄造精密成型技術(shù)”中提到“北京瑞泓翔宏大科技集團(tuán)、北京北方恒利科技發(fā)展有限公司等將展示3D砂型/砂芯打印機(jī)和各類激光粉末燒結(jié)快速成型3D打印機(jī)”[3]。
　　文獻(xiàn)[4]綜述了目前利用3D打印技術(shù)原理快速制造無模砂型的幾種技術(shù)。
　�、偌す鉄Y(jié)SLS。
　　用覆膜砂，逐層鋪粉，用激光對粉末加以固化。
　�、谥袊臒o模鑄型制造技術(shù)PCM。
　　三維打印頭噴射粘結(jié)劑，，按照界面輪廓信息利用雙噴頭同時將粘結(jié)劑和催化劑噴射而出，通過兩者的交聯(lián)，制造的砂型涂上涂料即可澆注。
　�、勖绹幕谌S打印的直接殼型鑄造DSPC。
　　選用陶瓷顆粒、硅酸鹽水溶液打印殼型。澆注前需進(jìn)行焙燒。
　�、躗corp公司。 　　三維打印制造有色合金的砂型。型殼厚度可達(dá)到12mm。
　�、軪xOne公司的3DP技術(shù)ProMetalRCT。
　　選用樹脂砂作為成形材料。打印速度可達(dá)到59400-108000cm3/h。
　�、轌eneris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(jù)砂型輪廓噴射催化劑形成砂型。
　　2.2 激光立體成形技術(shù)
　　激光立體成形技術(shù)通過激光融化金屬粉末，幾乎直接可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能，能滿足多種用途。
　　西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由長江學(xué)者黃衛(wèi)東領(lǐng)銜。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的典型是為國產(chǎn)大飛機(jī)C919制造中央翼緣條。該中央翼緣的條長達(dá)3米，屬于大型鈦合金結(jié)構(gòu)件。西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用激光立體成形技術(shù)解決了C919飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造。
　　西工大3D打印技術(shù)對零部件的修復(fù)也獨(dú)樹一幟。航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過3D打印技術(shù)，可以用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約了時間和金錢[5]。
　　3 3D打印技術(shù)在鑄造中應(yīng)用發(fā)展展望
　　3D打印技術(shù)對于我國鑄造行業(yè)整體而言，黃衛(wèi)東教授認(rèn)為“是機(jī)遇多于挑戰(zhàn)”。他說，在激光組合制造領(lǐng)域，可以增強(qiáng)對市場需求的適應(yīng)能力；在快速制造模型與砂型方面，3D打印可以加速新產(chǎn)品研發(fā)速度，降低工藝研究成本與風(fēng)險，滿足單件與小批量市場需求；在高性能修復(fù)方面，可減少高端鑄件廢品率，滿足產(chǎn)品進(jìn)度要求與直接制造相比較，3D打印技術(shù)在“更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、更高的性能、更快的反應(yīng)速度”方面具有極大的優(yōu)勢。但是當(dāng)前的情況是，黃衛(wèi)東認(rèn)為“這些挑戰(zhàn)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于3D打印的原材料成本很高：現(xiàn)階段鋁合金大概是每公斤就要兩萬多元�！暗�，這項(xiàng)新技術(shù)當(dāng)中成本下降的空間是很大的，我們要對3D打印技術(shù)未來發(fā)展對鑄造界帶來的挑戰(zhàn)保持清醒的認(rèn)識”[5]。
　　3.1 日本計(jì)劃開發(fā)下一代高性能鑄模3D打印機(jī)
　　日本計(jì)劃由產(chǎn)經(jīng)省出資30億日元，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所牽頭，聯(lián)合早稻田大學(xué)、群榮化學(xué)工業(yè)、木村鑄造所、CMET、KOIWAI、日產(chǎn)汽車、小松制作所等發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢，共同參與、分工協(xié)作，在5年內(nèi)生產(chǎn)出較現(xiàn)行鑄模制造裝置成本下降80%，制造速度提高10倍的高性能鑄模3D打印機(jī)。
　　目前，利用3D打印機(jī)制造工業(yè)大型鑄模存在速度和精度等方面缺陷。日本設(shè)計(jì)中的下一代鑄模3D打印機(jī)將采用反復(fù)、高速噴射特制膠水以固著細(xì)砂技術(shù)原理，以在短時間內(nèi)形成復(fù)雜形狀的鑄模。
　　3.2 國家863計(jì)劃關(guān)于3D打印的重點(diǎn)支持方向
　　《國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）、國家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》中“面向復(fù)雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應(yīng)用”的表述為，“針對復(fù)雜零部件模具快速制造的需求，研制適合制造蠟?zāi)�、蠟型、砂型制造，以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結(jié)成型裝備，臺面2米×2米，制件精度控制在±0.1%以內(nèi)，堆積效率達(dá)1000cm3/h以上。制訂相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在汽車、模具等行業(yè)產(chǎn)品研制中得到應(yīng)用”。
　　4 結(jié)束語
　　3D打印技術(shù)在鑄造上的應(yīng)用，集中在砂型、模具、鑄件制造及挽救。從中國和日本的發(fā)展指南來看，兩個國家不約而同地選擇了發(fā)展大型鑄型3D打印技術(shù)。但中日的技術(shù)路線有所差別：日本的技術(shù)路線是采用分層噴射砂和粘結(jié)劑，中國863計(jì)劃申報指南是采用激光打印鑄型。二者的共同努力方向都是大型化，提高精度。
　　以3D打印為代表的第三次工業(yè)革命，以數(shù)字化、人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志，必將為人類生活帶來革新性的變化，而這也是發(fā)展中國家盡快趕上發(fā)達(dá)國家的良好機(jī)會。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]羅軍.應(yīng)積極推動3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].中國黨政干部論壇.2013，10：19-22.
　　[2]唐一凡.3D打印在中國的發(fā)展現(xiàn)狀、行業(yè)泡沫浮現(xiàn)投資觀望http：//bbs.icxo.com/thread-384709-1-1.html（2014-2-20）.
　　[3]中國鑄造協(xié)會展覽部.智能化、數(shù)字化鑄造裝備盡在第十二屆中國國際鑄造博覽會. http：//www.foundry.com.cn/WebUI/IndustryNewsPre/IndustryNewDetial.aspx？typeId=16334（2014-2-20）.
　　[4]唐監(jiān)懷.無模精密砂型快速鑄造技術(shù)運(yùn)用研究[J].鑄造技術(shù)，2013，34（12）：1796-1798.
　　[5]王凡華.黃衛(wèi)東教授剖析“3D打印”給鑄造業(yè)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn).http：//news.nwpu.edu.cn/info/1002/24420.htm（2014-2-20）.
　　基金項(xiàng)目：
　　四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題“三維泡沫實(shí)型澆注驗(yàn)證鑄造工藝的應(yīng)用研究”（YJ2013KY-01）。
　　德陽市金橋工程“基于ANSYS的大余量機(jī)加工過程避免共振技術(shù)推廣”。
　　作者簡介：
　　傅駿（1973-），男，四川儀隴人，教授，博士研究生，主要研究方向：材料成型與控制，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

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