浅析3D打印技术在铸造领域的应用

李洋 周颖 高菲

摘要：近年来，3D打印技术取得了较快的发展，并在各行各业中得到应用。在重工业的铸造行业中，3D打印技术也得到较大关注和重视，铸造生产中3D打印的应用越来越广泛，例如，金属在铸造过程中容易出现不规律的质量缺陷和不足，现代工业中的精细化产品铸造生产的高质量和精度要求，大型医疗器械主体架构的铸造成型的工艺难题，都可以通过3D打印技术的应用得到优化和改善。通过分析目前3D打印的技术水平和发展现状，可以预测未来无论是国内还是国外，激光打印铸型技术都将是铸造领域的重大变革和发展方向之一。文章首先介绍了3D打印技术当前阶段的发展和应用现状，讨论了未来的应用空间，再综合3D打印技术在铸造领域中的应用，对3D打印技术未来在铸造领域的发展方向进行探究。

关键词：3D打印技术;铸造领域;铸造成型;技术发展

1  3D打印技术的应用现状况和应用前景

3D打印技术是一种新兴的可以实现快速成型的技术手段，它是在数字模型的基础上发展起来的，结合金属粉末粘合技术的应用，可以通过逐层累加的方式，像盖房子一样搭建出符合数模的实体。目前，3D打印技术已经在模具研发和工业生产中得到广泛的应用，在铸造模具、模型的相关生产中也有一定程度的尝试。在科技快速发展的今天，3D打印技术也逐渐走向成熟，在一些精度要求特别高或者经济附加值高的领域，已经在大力推行3D打印技术的融合。早期的3D打印技术与工业生产的融合一般是利用数字技术材料打印机完成生产，在计算机技术得到快速发展后，3D打印技术的应用领域越来越广泛，在铸造领域中的应用范围和应用深度也不断加大。

1.1 3D 打印技术的主要应用状况分析

现阶段，3D打印技术在实践中的应用主要集中在三个方面：①在社会大众的消费品方面，3D打印技术常用于工业新产品的研发设计和日用品的创意性开发生产过程，用于新模型的建立和个性化产品的定制，3D打印技术的系统化应用，将工业生产的生产水平提高到一个较高的水平，满足了现代工业生产的技术要求的提高，精度等级的提高等，在工业原料的加工方面有着不可替代作用，例如，模具和模型的加工制造，通过3D打印技术的植入，缩短了制造周期，降低了成本的同时还提高了产品精度;在生活日用品方面，3D打印技术极大的提高了生产的个性化水平，满足了现代人的订制需求;②在工业产品制造过程中，例如，外形尺寸较大的金属加工件或者是在精度要求方面有严苛要求的金属零部件加工中，3D打印技术的应用，可以满足高精度乃至超高精度的要求，解决一些因为构件外形尺寸多大造成的加工困难的问题;③3D打印技术在医疗领域和生物工程中也逐渐得到较为广泛的应用，例如，医疗领域中的软组织再造技术、牙齿复刻技术等，都是通过3D打印技术来完成的，此外，一些大型的医疗设备的生产中也有3D打印技术应用的影子。

1.2 3D打印技术的应用前景分析

就目前而言，3D打印技术还是一项象征着高水平的尖端科技，其技术水平的高低可以折射出一个国家或者地区的技术水平的层级。目前，欧美一些发达国家在3D打印技术方面的建树已經初具规模，软件和技术方面均有不错的发展，我国虽然在3D打印方面也进行了研发并取得了初步的成果，但是在应用方面还不成熟，尚不能满足实践生产提出的要求。现阶段，我国在3D打印技术方面的研发和应用方面主要存在以下不足：①技术与市场衔接不畅，缺乏深度融合;②社会各界对3D打印技术的重视程度不够。就目前而言，3D打印技术在我国的应用方面，例如医疗和建筑相关方面，已经有较为成熟的应用示范，但就整个社会层面来说，3D打印技术的普及率较低，一些企业更倾向于选择正在使用的传统技术，一方面原因是传统技术的应用成本较低，另一方面是因为传统技术与企业间已经形成较好的磨合，企业对传统技术的应用得心应手;目前我国在3D打印技术的材料应用方面推广欠缺。

2  3D打印技术在整个铸造领域中的应用现状

从3D打印技术出现到现在，该技术已经经历了30多年的发展，在技术积累和生产实践方面，都完成了一定深度的成就。在铸造领域中，3D打印技术也得到了较为成熟的应用，例如，在铸造模具的定制生产、砂型的成型制造以及金属产品的直接打印方面，均可以看到3D打印技术的应用;此外，由于3D打印技术可以修复产品在铸造过程中出现的缺陷和不足，所以该技术在铸造领域的应用较为深入且广泛。

2.1 3D打印技术在艺术铸造领域的应用

随着3D打印技术的出现和发展，该技术在艺术品生产领域也得到了较好的应用。例如，我国一些从事艺术产业相关的公司，融合了3D打印技术和雕塑加工，将3D打印技术引入到了艺术品铸造领域。可以说，3D打印技术的应用，提高了该行业的经济效益，促进了艺术品铸造的转型，助力艺术品铸造行业向着智能化、内涵化的方向发展。

2.2 3D打印技术中激光立体成形技术的相关应用

随着3D打印技术的发展和应用水平的提高，激光立体成形技术也引入了3D打印技术，并进行了有机融合，两种技术融合后，通过激光先融化金属粉末，然后再通过3D打印机可以直接完成各种形状、各种类型产品的精准加工。3D打印激光立体成形技术的应用，可以实现多种金属的直接打印成形，且产品具有良好的精度和力学性能，可以满足人们的多种使用需求。尤其是在航空铸造领域，该技术有着非常广泛的应用，可以对钛合金结构件完成加工制造和零件修复等工艺，并取得了良好的效果。在航空领域，由于其特殊的要求较多，各构件的结构也相对复杂，生产采购成本很高，通过借助3D打印技术与激光立体成形技术的融合，可以完成对航空构件的有效修复，一方面降低了航空企业的维护成本，另一方面也使得3D打印技术的应用范围得到拓宽，提高该领域的生产效率和经济效益。

2.3 3D打印技术在无模精密铸型方面的应用

就整个铸造领域而言，无模精密铸型是能够完成快速成型的一项重要技术。当前阶段，3D打印技术正在无模精密铸型生产过程中的应用也较为陈述，现梳理该技术的应用思路如下：首先，通过激光完成SLS的烧结。具体操作为：首先，使用覆膜砂，进行多层的铺粉，在铺粉的过程中利用激光技术实现这些粉末的固化，进而实现SLS的烧结;其次，利用三维打印头进行粘结剂喷射。通过识别界面轮廓上的数据，使用两个喷头同时喷射粘结剂和催化剂，让催化剂和粘结剂充分交联，可以将砂型铸造进行涂层处理以满足浇铸需要;再者，借助三维打印的壳体铸造技术，将陶瓷颗粒与硅酸盐水溶液融合在一起，进行壳型打印，需要注意的是，在进行浇铸操作前，要先进行产品的充分焙烧。

3  3D打印技术在整个铸造领域中的发展趋势探究

在艺术铸造领域方面，3D打印技术的发展趋势为：从经典铸造生产模式向智能化制模方向过渡并延伸，所以，艺术铸造领域对3D打印技术的应用需求量较大。3D打印技术在艺术品铸造领域中的应用，虽然目前还存在一定的不足和困难，但取得的成果也是丰硕的，未来还会有更加广泛的机遇。例如，通过3D打印技术的应用，可以实现模型和砂型铸造的快速成形，从而加快了相关产品和技术的研发速度，降低了铸造过程中的综合研发成本。此外，3D打印技术在铸造领域的应用可以降低产品生产过程中的风险，满足外形尺寸较小的产品的生产需求。同时，3D打印技术可以极大的降低高端铸造零部件的残次品发生率，并且可以完成不良产品的修复，特别是在一些大型的高端铸造产品出现质量缺陷时，可以直接使用3D打印技术完成整个构件的全面修复，恢复其外形尺寸和性能水平，既降低了铸件产品的不良率，又拓展了3D打印技术的应用范围，降低了生产维护方面的成本。

3D打印技术的应用和推广，需要3D打印机具备卓越的性能，但是由于技术、经验等方面因素的限制，目前尚不能实现大型铸模产品的精准打印和快速打印的零误差。所以，为了提高3D打印技术的应用范围，需要提升3D打印机的性能水平，使其能够满足高效、快速的铸模打印成形的需要;3D打印机方面的技术瓶颈突破后，必然会助力3D打印技术应用范围向更加广泛的方面延伸，未来，无论是在航空设备铸件、高端大型零部件、精密铸件等产品的铸造生产过程中，还是在一些高端构件的修复方面，3D打印技术都必将占有举足轻重的地位。

4  结语

一方面，在研发和消费的综合影响下，铸造产品的设计越来越趋于个性化，传统的铸造工艺已经不能满足要求，产品的研发设计可以通过3D打印技术在大企业内部实现，3D打印技术依然成为高端铸造生产工序以及高端铸造产品形象的代名词。甚至，美国和俄罗斯的一些军工研发单位也在积极的推进3D打印技术与武器设计生产工艺的结合和实践，以期提高武器产品的制造精度和使用性能;博士、力士乐等知名跨国集团也在尝试将3D打印系统布置在铸造厂内，越来越多的世界级大型企业已经着手将3D打印技术应用到铸造领域中，并取得了一定的成效。但是，目前我国大多数企业还未具备将3D打印技术与铸造产业进行融合的研发和设计能力，技术上对西方发达国家还存在较大的依赖性。所以，加大技术创新力度，推动3D打印与铸造生产的融合，是我国铸造领域升级转型的重要方向。

另一方面，使用3D打印技术可以制成铸型模具，使用该模具可以便捷、快速的实现铸造铸件的生产，且该方法绿色环保，符合现代工业发展理念，在可持续性发展受到越来越多关注的今天，具有广阔的发展空间。近年来，随着3D打印技术的快速发展，其在铸造领域的应用也越来越广泛，并引导着铸造生产工艺的改革。随着3D打印技术的进步，未来的铸造生产必将向数字化、多功能化、绿色化的模式过渡，通过将3D打印技术和铸造技术的深度契合，3D打印技术在重工业精细化生产中的应用也将推向新的高度。

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