3D打印技術及其在鑄造中應用現(xiàn)狀與發(fā)展展望

傳統(tǒng)的鑄造生產是設計－模具－造型－澆注－清理－后處理－機加。3D打印學名為增材制造技術，其工作原理是將計算機設計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。

1.1目前主要應用領域
目前，3D打印主要用在3個方面：
大眾消費 （桌面級）、工業(yè)級、生物工程級。
①大眾消費（桌面級）。用于工業(yè)設計、 工藝設計、珠寶、玩具、文化創(chuàng)意等領域。
②工業(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)。二是產品制造， 包括大型金屬結構件和小型金屬零部件的直接制造。
③生物工程級。如打印器官、 骨骼、牙齒、細胞、軟組織等。

1.2 3D打印技術與行業(yè)現(xiàn)狀
①歐美的3D研究和產業(yè)化。在美國，3D打印技術已初步產業(yè)化，其中Stratasys和3DSystems是兩家龍頭企業(yè)，均已經在納斯達克上 市。2013年8月16日，“美國國家增材制造創(chuàng)新中心” 剪彩成立。 歐盟也設置了基金會來支持3D打印技術， 分別在諾丁漢大學、謝菲爾德大學、�？怂固卮髮W建立了3D打印中心。
②國內3D行業(yè)現(xiàn)狀。 國內的3D打印行業(yè)分為學院派和市場派。學院派主 要以清華大學、西安交通大學、 華中科技大學、西北工業(yè)大學、北京航空航天大學等高校為主。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
。
③中國3D打印技術產業(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、華中科技大學、清華大學等權威科研機構和3D行業(yè)領先企業(yè)共同發(fā)起的中國3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟在 北京宣告成立，自稱是全球首家3D打印產業(yè)聯(lián)盟。 ④世界3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟。 2013年5月29日，由中國3D打印技術產業(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3DStratsys公司、比利時Materialise公司、英國ChocEdgeLtd公司、美國drexel大學、新加坡南洋理工大學機械與宇航學院等科研單位和企業(yè)共同發(fā)起成立世界3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟。2014年6月19-22日將在青島召開第二屆世界3D打印技術產業(yè)大會暨2014年世界3D打印技術博覽會。

1.33D技術應用前景
通過中國知網、維普等查詢到關于3D的論文汗牛充棟，讓人熱血沸騰。但基本都是關于3D技術的普及知識以及在醫(yī)學、模具、建筑等應用案例。資本市場也熱鬧非凡，但有頭腦的風投非常謹慎。一般認為：

①3D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gun…… 傳統(tǒng)制造業(yè)經過數(shù)千年的積累和發(fā)展， 已經非常完善和成熟，無論是工藝特點，還是成本因素、材料因素，3D打 印技術都是無法比擬的。3D打印技術的真正奧秘所在， 不是什么都能做，而應該是傳統(tǒng)制造業(yè)不能做或很難做的領域，利用3D打印技術可以輕松實現(xiàn)。

②個人消費。 由于成本問題以及操作者的技術水平———因為3D 應用并不是零門檻，要以現(xiàn)有技術， 一家用戶需要準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。關鍵是如何培育應用市場， 用戶是需要去培育的。所以，短期內家用3D打印行業(yè)也難形成氣候。

3D打印技術在鑄造中應用現(xiàn)狀綜述
3D打印在鑄造中已經有一些應用，主要是用在快速制造砂型和直接打印金屬產品兩方面。在缺陷修補（挽救）方面也有一定的應用。

2.1利用3D技術原理快速制造無模精密砂型
中國鑄造協(xié)會網站稱，2014年5月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”中提到“北京瑞泓翔宏大科技集團、 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 機和各類激光粉末燒結快速成型3D打印機” 綜述了目前利用3D打印技術原理快速制造無模砂型的幾種技術。

①激光燒結SLS。用覆膜砂，逐層鋪粉，用激光對粉末加以固化。
②中國的無模鑄型制造技術PCM。三維打印頭噴射粘結劑，按照界面輪廓信息利用雙噴 頭同時將粘結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。
③美國的基于三維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。澆注前需進行焙燒。
④Zcorp公司。 三維打印制造有色合金的砂型。型殼厚度可達到12mm。
⑤ExOne公司的3DP技術ProMetalRCT。 選用樹脂砂作為成形材料。打印速度可達到59400-108000cm3/h。
⑥Generis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
激光立體成形技術通過激光融化金屬粉末，幾乎直接可以“打印”任何形狀的產品。其最大的特點是，使用的材 料為金屬，“打印”的產品具有極高的力學性能， 能滿足多種用途。 西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室由長江學者黃衛(wèi)東領銜。3D打印技術在航空領域應用的典型是為國產大飛機C919制造中央翼緣條。該中央翼緣的條長達3米，屬于大型鈦合金結構件。西北工業(yè)大學應用激光立體成形技術解決了C919飛機鈦合金結構件的制造。 西工大3D打印技術對零部件的修復也獨樹一幟。航 空航天零件結構復雜、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，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節(jié)約了時間和金錢。

33D打印技術在鑄造中應用發(fā)展展望
3D打印技術對于我國鑄造行業(yè)整體而言，黃衛(wèi)東教 授認為“是機遇多于挑戰(zhàn)”。他說， 在激光組合制造領域，可以增強對市場需求的適應能力； 在快速制造模型與砂型方面，3D打印可以加速新產品研發(fā)速度， 降低工藝研究成本與風險，滿足單件與小批量市場需求； 在高性能修復方面，可減少高端鑄件廢品率，滿足產品進度要求與直接制造相 比較，3D打印技術在“更復雜的結構、 更高的性能、更快的反應速度”方面具有極大的優(yōu)勢。但是當前的情況是，黃衛(wèi)東認為“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。 “但是，這項新技術當中成本下降的空間是很大的，我們要對3D打印技 術未來發(fā)展對鑄造界帶來的挑戰(zhàn)保持清醒的認識” 。

3.1日本計劃開發(fā)下一代高性能鑄模3D打印機
日本計劃由產經省出資30億日元，由日本產業(yè)技術 綜合研究所牽頭，聯(lián)合早稻田大學、 群榮化學工業(yè)、木村鑄造所、CMET、KOIWAI、日產汽車、小松制作所等發(fā)揮產學 研優(yōu)勢，共同參與、 分工協(xié)作，在5年內生產出較現(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。 目前， 利用3D打印機制造工業(yè)大型鑄模存在速度和精度等方面缺陷。日本設計中的下一代鑄模3D打印機將 采用反復、高速噴射特制膠水以固著細砂技術原理， 以在短時間內形成復雜形狀的鑄模。

3.2國家863計劃關于3D打印的重點支持方向
《國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家科技支 撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》 中“面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結成型裝備研制及應用” 的表述為，“針對復雜零部件模具快速制造的需求， 研制適合制造蠟模、蠟型、砂型制造， 以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結成型裝備，臺面2米×2米，制件精度控制 在±0.1%以內，堆積效率達1000cm3/h以上。制訂相關技 術標準，并在汽車、模具等行業(yè)產品研制中得到應用” 。

3D打印技術在鑄造上的應用，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。但中日的技術路線有所差別：日本的技術路線是采用分層噴射砂和 粘結劑， 中國863計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用為標志， 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)達國家的良好機會。


作者：傅駿，殷國富 （四川大學制造科學與技術學院）王澤忠   方輝（四川工程職業(yè)技術學院材料工程系）