3D打印技术及其在铸造中应用现状与发展展望

傅骏等

摘要：本文概述了3D打印技术主要应用领域及国内外技术与行业现状。3D打印在铸造中的应用目前主要是用在快速制造砂型、直接打印金属产品、缺陷修补（再制造）方面。中日两国都提出了集中精力发展大型铸型3D打印技术。日本的技术路线是采用分层喷射砂和粘结剂，中国的技术路线是采用激光打印铸型。

关键词：3D打印 铸造 激光成形 铸型

3D打印技术自1984年正式诞生以来，今年恰逢30周年。随着第三次工业革命的提出，在普通大众眼中也日渐火爆。论文、专利的井喷好像象征着3D打印就可以进入千家万户，但实际情况并非如此。

传统的铸造生产是设计-模具-造型-浇注-清理-后处理-机加。3D打印是否可以在铸造的铸型制造、铸造模具或者直接打印产品上做出贡献？

1 3D打印技术概述

3D打印学名为增材制造技术，其工作原理是将计算机设计出的三维模型分解为若干层平面切片，然后把“打印”材料按切片图形逐层叠加，最终“堆积”成完整的物体。关于3D打印技术的发展脉络、各种技术原理及适用范围已经在各书籍、论文中，限于篇幅，本文不再赘述。

1.1 目前主要应用领域

目前，3D打印主要用在3个方面：大众消费（桌面级）、工业级、生物工程级。

①大众消费（桌面级）。用于工业设计、工艺设计、珠宝、玩具、文化创意等领域。

②工业级又有两个方面，一是原型制造，主要用于模具、模型等行业。二是产品制造，包括大型金属结构件和小型金属零部件的直接制造。

③生物工程级。如打印器官、骨骼、牙齿、细胞、软组织等[1]。

1.2 3D打印技术与行业现状

①欧美的3D研究和产业化。

在美国，3D打印技术已初步产业化，其中Stratasys和3D Systems是两家龙头企业，均已经在纳斯达克上市。2013年8月16日，“美国国家增材制造创新中心”剪彩成立。

欧盟也设置了基金会来支持3D打印技术，分别在诺丁汉大学、谢菲尔德大学、埃克斯特大学建立了3D打印中心。

②国内3D行业现状。

国内的3D打印行业分为学院派和市场派。学院派主要以清华大学、西安交通大学、华中科技大学、西北工业大学、北京航空航天大学等高校为主。市场派主要包括南京紫金立德、湖南华曙高科、无锡飞尔康、杭州先临、中航激光、武汉滨湖等[1]。

③中国3D打印技术产业联盟。

2012年10月15日，由亚洲制造业协会、北京航空航天大学、华中科技大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟在北京宣告成立，自称是全球首家3D打印产业联盟。

④世界3D打印技术产业联盟。

2013年5月29日，由中国3D打印技术产业联盟以及英国3D增材制造联盟、美国的Exone 公司、德国EOS公司、美国的3D Stratsys公司、比利时Materialise公司、英国Choc Edge Ltd公司、美国drexel大学、新加坡南洋理工大学机械与宇航学院等科研单位和企业共同发起成立世界3D打印技术产业联盟。2014年6月19-22日将在青岛召开第二届世界3D打印技术产业大会暨2014年世界3D打印技术博览会。

1.3 3D技术应用前景

通过中国知网、维普等查询到关于3D的论文汗牛充栋，让人热血沸腾。但基本都是关于3D技术的普及知识以及在医学、模具、建筑等应用案例。资本市场也热闹非凡，但有头脑的风投非常谨慎[2]。一般认为：

①3D打印不可能，至少不可能完全，取代传统制造业。

3D打印究竟能够做什么？美国的、欧洲的3D企业，也说不出来。否则，他们就不会在世界3D产业大会上和中央电视台的专题节目中炫耀：利用3D打印技术打印一把吉他，打印一支电子琴，打印一个台灯，或者打印一把手枪……

传统制造业经过数千年的积累和发展，已经非常完善和成熟，无论是工艺特点，还是成本因素、材料因素，3D打印技术都是无法比拟的。3D打印技术的真正奥秘所在，不是什么都能做，而应该是传统制造业不能做或很难做的领域，利用3D打印技术可以轻松实现[1]。

②个人消费。

由于成本问题以及操作者的技术水平——因为3D应用并不是零门槛，要以现有技术，一家用户需要准备多种原材料和成本的水平推广，肯定有难度，很难形成市场规模。关键是如何培育应用市场，用户是需要去培育的。所以，短期内家用3D打印行业也难形成气候。

2 3D打印技术在铸造中应用现状综述

3D打印在铸造中已经有一些应用，主要是用在快速制造砂型和直接打印金属产品两方面。在缺陷修补（挽救）方面也有一定的应用。

2.1 利用3D技术原理快速制造无模精密砂型

中国铸造协会网站称，2014年5月将在北京召开第十二届中国国际博览会，其中的“3D打印与数字化无模铸造精密成型技术”中提到“北京瑞泓翔宏大科技集团、北京北方恒利科技发展有限公司等将展示3D砂型/砂芯打印机和各类激光粉末烧结快速成型3D打印机”[3]。

文献[4]综述了目前利用3D打印技术原理快速制造无模砂型的几种技术。

①激光烧结SLS。

用覆膜砂，逐层铺粉，用激光对粉末加以固化。

②中国的无模铸型制造技术PCM。

三维打印头喷射粘结剂，按照界面轮廓信息利用双喷头同时将粘结剂和催化剂喷射而出，通过两者的交联，制造的砂型涂上涂料即可浇注。

③美国的基于三维打印的直接壳型铸造DSPC。

选用陶瓷颗粒、硅酸盐水溶液打印壳型。浇注前需进行焙烧。

④Zcorp公司。endprint

三维打印制造有色合金的砂型。型壳厚度可达到12mm。

⑤ExOne公司的3DP技术ProMetalRCT。

选用树脂砂作为成形材料。打印速度可达到59400-108000cm3/h。

⑥Generis公司的GS工艺。

将树脂通过多通道喷头均匀向砂床喷射，根据砂型轮廓喷射催化剂形成砂型。

2.2 激光立体成形技术

激光立体成形技术通过激光融化金属粉末，几乎直接可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是，使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足多种用途。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室由长江学者黄卫东领衔。3D打印技术在航空领域应用的典型是为国产大飞机C919制造中央翼缘条。该中央翼缘的条长达3米，属于大型钛合金结构件。西北工业大学应用激光立体成形技术解决了C919飞机钛合金结构件的制造。

西工大3D打印技术对零部件的修复也独树一帜。航空航天零件结构复杂、成本高昂，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成数十万、上百万元损失。而通过3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和金钱[5]。

3 3D打印技术在铸造中应用发展展望

3D打印技术对于我国铸造行业整体而言，黄卫东教授认为“是机遇多于挑战”。他说，在激光组合制造领域，可以增强对市场需求的适应能力；在快速制造模型与砂型方面，3D打印可以加速新产品研发速度，降低工艺研究成本与风险，满足单件与小批量市场需求；在高性能修复方面，可减少高端铸件废品率，满足产品进度要求与直接制造相比较，3D打印技术在“更复杂的结构、更高的性能、更快的反应速度”方面具有极大的优势。但是当前的情况是，黄卫东认为“这些挑战对目前的铸造界来讲，还是微不足道的”。其中一个重要原因在于3D打印的原材料成本很高：现阶段铝合金大概是每公斤就要两万多元。“但是，这项新技术当中成本下降的空间是很大的，我们要对3D打印技术未来发展对铸造界带来的挑战保持清醒的认识”[5]。

3.1 日本计划开发下一代高性能铸模3D打印机

日本计划由产经省出资30亿日元，由日本产业技术综合研究所牵头，联合早稻田大学、群荣化学工业、木村铸造所、CMET、KOIWAI、日产汽车、小松制作所等发挥产学研优势，共同参与、分工协作，在5年内生产出较现行铸模制造装置成本下降80%，制造速度提高10倍的高性能铸模3D打印机。

目前，利用3D打印机制造工业大型铸模存在速度和精度等方面缺陷。日本设计中的下一代铸模3D打印机将采用反复、高速喷射特制胶水以固着细砂技术原理，以在短时间内形成复杂形状的铸模。

3.2 国家863计划关于3D打印的重点支持方向

《国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中“面向复杂零部件模具制造的大型激光烧结成型装备研制及应用”的表述为，“针对复杂零部件模具快速制造的需求，研制适合制造蜡模、蜡型、砂型制造，以及尼龙等塑料零件制造的大型激光烧结成型装备，台面2米×2米，制件精度控制在±0.1%以内，堆积效率达1000cm3/h以上。制订相关技术标准，并在汽车、模具等行业产品研制中得到应用”。

4 结束语

3D打印技术在铸造上的应用，集中在砂型、模具、铸件制造及挽救。从中国和日本的发展指南来看，两个国家不约而同地选择了发展大型铸型3D打印技术。但中日的技术路线有所差别：日本的技术路线是采用分层喷射砂和粘结剂，中国863计划申报指南是采用激光打印铸型。二者的共同努力方向都是大型化，提高精度。

以3D打印为代表的第三次工业革命，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志，必将为人类生活带来革新性的变化，而这也是发展中国家尽快赶上发达国家的良好机会。

参考文献：

[1]罗军.应积极推动3D打印技术产业发展[J].中国党政干部论坛.2013，10：19-22.

[2]唐一凡.3D打印在中国的发展现状、行业泡沫浮现投资观望http：//bbs.icxo.com/thread-384709-1-1.html（2014-2-20）.

[3]中国铸造协会展览部.智能化、数字化铸造装备尽在第十二届中国国际铸造博览会. http：//www.foundry.com.cn/WebUI/IndustryNewsPre/IndustryNewDetial.aspx？typeId=16334（2014-2-20）.

[4]唐监怀.无模精密砂型快速铸造技术运用研究[J].铸造技术，2013，34（12）：1796-1798.

[5]王凡华.黄卫东教授剖析“3D打印”给铸造业带来的机遇与挑战.http：//news.nwpu.edu.cn/info/1002/24420.htm（2014-2-20）.

基金项目：

四川工程职业技术学院课题“三维泡沫实型浇注验证铸造工艺的应用研究”（YJ2013KY-01）。

德阳市金桥工程“基于ANSYS的大余量机加工过程避免共振技术推广”。

作者简介：

傅骏（1973-），男，四川仪陇人，教授，博士研究生，主要研究方向：材料成型与控制，数字化设计与制造。endprint