1 3D 打（dǎ）印技術綜述（shù）

      1.1 3D 打印技術的定義和現狀

      傳（chuán）統的產（chǎn）品製造，多是采用模具將原料成型為毛坯，而後采用機加工等方法去除多餘材料，成型為要（yào）求尺寸（cùn）的部件，可稱為“減材製造法”。而3D 打印製造技術（shù）與之相反，是通過材料的逐層添加製造出三維物體，定（dìng）義為“增材（cái）製（zhì）造”法。3D 打印（yìn）技術具有節材、高效、設計自由化等優勢，在歐美已（yǐ）經有（yǒu）20 多年的發展（zhǎn）曆史，現已經深度介入工業製造領域。目前，世界的（de）3D 打印機可概括為兩大家族：

      1）熔融（róng）沉積（jī）（FDM）型打印機

      這類打印機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（dǎ）印機是（shì）目前（qián）家庭用和工業台麵式打印機的主要類型，可打印食（shí）品、塑料和生（shēng）物製品。

      Polyjet 打印機是該類打印機的代表，該技術（shù）將液態光敏聚合物噴射為很薄的（de）層，再通過UV（紫外線）光將其固化。關鍵是噴（pēn）射的液滴可快速、精確地形成16 μm 的（de）薄層，這個精度（dù）就可以完成高分（fèn）辨率形（xíng）狀和高精度尺寸的工業和醫學應用了，再通過（guò）多（duō）個（gè）打印頭，打印不同的材料（liào）和提高打印速度，所以具備（bèi）了競爭性（xìng）的（de）市場化（huà）技術條（tiáo）件。

      激光工程化（huà）淨（jìng）成型（LENS），是工業化3D 最具影響的傑作，可將硬（yìng）金屬材（cái）料製造成複雜的物體。製（zhì）造過程是將材料粉末吹入精心引導的高功（gōng）率激光束，錯過激光束的（de）粉（fěn）末會落在一邊，遇到激光焦點的（de）粉末會立即融化並融合到增長部分的表麵，因此當激光焦點掃描過打（dǎ）印對象的（de）輪廓（kuò），打印頭吹出更多（duō）的粉末時，部件（jiàn）就會一層一層地逐漸增長。這種工藝的優點是用硬質（zhì）材料（例（lì）如鈦和不鏽鋼）製（zhì）造物（wù）體，並可用多個打印頭同時向激光束吹粉末，使用多種基礎金屬按照比（bǐ）例（lì）打印出（chū）“合（hé）金”，該比例可（kě）以根據打印頭的位置調整，生成各種（zhǒng）級別的合金（jīn）。這種“金屬打印”發明之前，由於3D 打印隻能使用塑料（liào）（聚合物）材料，因此3D 打印並沒有被大型產（chǎn）業所重視，而目（mù）前LENS 打印技術已被稱為航空航天、汽車、生物醫學（xué）等大型產業追捧的焦點。

      分層實體製造（LOM），不是用打印頭生（shēng）成層，而是將材料薄片通過刀具或激光束按照實體外形的輪（lún）廓從紙、塑料或金屬的材（cái）料薄片中切出並疊加堆積（jī）在一起並（bìng）使其融合為一個三維（wéi）實體。

      2）黏合、粘接式打印機

      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（shāng）用機就是使用這種方法，如立體光刻（SL）和激光燒結（LS）.

      立體（tǐ）光刻（SL）利用了光敏聚合物（wù）（特種塑（sù）料）遇上紫外線（UV）會硬化的原理，將液態的聚合物放在打（dǎ）印機內（nèi），並用激光束在其表麵按打印（yìn）輪廓進行掃（sǎo）描固化，每次激光掃（sǎo）描之後，移（yí）動台麵將已打印（yìn）的部分（fèn）下沉一微小距離，新的液態光敏聚合物會覆（fù）蓋其頂麵，逐層打印出實體。打印實體（tǐ）有的需要進一步放入紫（zǐ）外線（xiàn）”微波爐“中進行固化（huà）。SL 打印機的優勢在於激光作業快、精確，多束激光可並行工作，分辨率高，層厚可達10 μm，比一張紙還薄，可生產出（chū）精密的工業（yè）級模型和零部（bù）件。隨著（zhe）光敏聚合物材（cái）料的開發及應用推廣，SL 打印機可生產出具有特殊材料特性的物體。

      激光燒結（LS）是使用（yòng）粉末代替液體，以高功率激光束（shù）在粉床表麵（miàn）掃描，激（jī）光照射到的粉末融合，而後（hòu）將粉床降（jiàng）低一個層（céng）厚再加上一層粉末，未燒結的粉末（mò）可以（yǐ）回收再利用。由於大多數的原材料都可以製成粉末形式，如尼龍、鋼、青銅和鈦（tài），因此粉末材料應用範圍更廣。

      三維打（dǎ）印（3DP）是通過打印頭將黏結劑或（huò）某（mǒu）種膠加入到粉末中，更類似於噴墨打印機，代替紙的是粉末（如ExOne 公司打印機用的砂子），而墨水是黏結劑（jì）。該設備不用激光和有毒材料，因此更加具有商業競爭性。3DP 打（dǎ）印還可以噴入不同顏色的黏結劑和色料，實現（xiàn）彩色打印，打印出類似岩石的紋理。該種打印機應用（yòng）的材料非常廣泛，砂子（zǐ）、陶土、玻璃、骨骼、青銅等各類金屬（shǔ），打印後可通過繼續燒結（jié）提（tí）高強度，在鑄造、建築、藝術品（pǐn）、醫學、機（jī）械部件等有不可估量的前景。

      目前，3D 打印技（jì）術在各個行業領域應用廣泛，從公（gōng）開報道中已知3D 打印可生產出的（de）物體有：設計模型；汽車、航空航天、機器部件；生物上的活細胞、活性軟骨、心（xīn）髒隔膜；骨骼（gé）、牙、耳朵；家用器具和玩（wán）具；藝術品；食品（pǐn）；砂型和砂芯（xīn）；建（jiàn）築物等（děng）等。

      1.2 3D 打印技術的未來意義

      3D 打印技術與機器人、互聯網一起被稱為第三次工業革命的（de）主要標誌，帶有五大“革命（mìng）”特征（zhēng）：

      1）能源生產和使用的革命（mìng）：節能（néng）和再生性能源的發現及互聯網實現的消費網絡化（huà）。

      2）生產方式的變革：以互聯網為支（zhī）撐的智能化大規模定製方式替代（dài）大規模標準（zhǔn）化的方式，個性化消費時（shí）代的到來。

      3）製造模（mó）式的變革（gé）：製造（zào）業主流的（de）製造（zào）模式從消減式轉變成為（wéi）疊加式，就是3D 的增量打印。

      4）生（shēng）產組織方式的變革：分散生產、就地銷售，網（wǎng）絡化組織生產社會化。

      5）生活方式的變革：消（xiāo）費的同時就是生產。要（yào）什麽就生產什麽，即刻（kè）實現是（shì）3D 打印。世界（jiè）對3D 打印遠景的到來充滿了期待，正如《3D 打印———從想象到現實》一書中所寫：“一場產（chǎn）品製造的革命（mìng）、設計的革命、材料的革命、生（shēng）物的革命、知識產權的革（gé）命將（jiāng）由3D 打印引爆。我們進（jìn）入“機（jī）器製造機器”的時代已（yǐ）經不遠了。”

      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（zhè）說明政府、國人和一些專業人士對新技術的渴望和麵（miàn）對全（quán）球競爭的警惕性在提高（gāo），3D 打印是我國麵臨的（de）全新機遇和挑戰。3D 打印出現（xiàn）在美國總統的政府（fǔ）報告中，歐洲也在布局所謂的第四次工業革命，實際反映的是世界（jiè）競爭的格局在變化，歐美借助技術上的優勢在與發達國（guó）家提出新的（de）挑戰方式。我們的低價勞動力的優勢就要消失，之後我們拿什麽與其爭，我們第二次工業革命應該完成（chéng）的使命（mìng）還（hái）沒有完（wán）成，馬上進入第三次、第四次（cì）工（gōng）業革命，因此挑（tiāo）戰與機遇並存不是空話，沒有選擇，隻有迎頭趕上，才會置身世界前列。3D 打印的過（guò）程需要突（tū）破三關，即控製三篇章，控製物體的形狀、控製物質的構成和控製的行（háng）為。三個技術（shù）的結合，就可以達到物體的精度和性能，就可實現大麵積的工業化，因（yīn）此，從技術（shù）層麵上說未來是光（guāng）明的。

      2 3D 打印在鑄造中的應用

      目前，已有部分工業級3D 打印機應用於鑄造生產服務，主要用於鑄件（jiàn）的快速原（yuán）型、翻製模具（jù）、打印模殼、砂芯（xīn）等。例如（rú）國內的（de）武漢濱湖機電、北京隆源公司等采用（yòng）激光燒結3D 打印應（yīng）用於熱芯盒工（gōng）藝。國外如德國ExOne 公司開（kāi）發了專門用於鑄造砂型芯（xīn）打印的3DP 打印機（如圖1 所示），實現無模具（jù）鑄造或數字化鑄（zhù）造，目前可最大打印1 800 mm×1 000 mm×700 mm 尺（chǐ）寸的（de）整體砂型或芯，該技術設備已由我國寧夏共享集團公司引進，用於（yú）開發生產。

      下麵重點介紹Ex-One 公司3D 砂芯打印機原理特（tè）點（diǎn）。

      1） 打印砂芯方法（fǎ）工藝

      打印砂芯的方（fāng）法可簡述為：據鑄造工藝設計砂（shā）芯結構（三維建模（mó））→將（jiāng）模型文件（STL 格式）導（dǎo）入打印設備進行處理→準備打印（yìn）原料，設置打印參數→自（zì）動打印成型→吸除未用鬆砂，取型（xíng）芯清理（lǐ）→澆（jiāo）注生產。

      打印時（shí），先在工（gōng）作箱（xiāng）平鋪一層（céng）砂（已（yǐ）混合固化劑），而後打印頭選擇性噴射化學（xué）黏結劑（jì），並逐層（céng）交（jiāo）替，最後自硬成型，如圖2 所示。

      2）3D 打印砂（shā）芯的特點

      無需模具，可製作複雜的砂型/ 砂芯，尤其是模（mó）具難（nán）以成型的型芯（xīn）。實現複雜砂（shā）芯的一（yī）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。目前現有的其他（tā）可打印砂型設備多采用了激光燒（shāo）結方式，可打印產品尺寸不足500mm×500mm×500mm，成（chéng）型（xíng）速率（lǜ）每小（xiǎo）時僅為幾升。ExOne 公司砂芯打（dǎ）印機打（dǎ）印精度達到0.3 mm，工作箱尺寸為1 800 mm×1 000 mm×700 mm，為目前行業最大，每小時可成型108 L 砂，原料主要（yào）是常規石英砂、固化劑及黏接劑，成本相對較低。

      打印砂（shā）型芯為（wéi）常溫固化成型，無收縮變（biàn）形，無（wú）需後續加工（gōng）可直接使用（yòng）。

      可打印呋喃樹脂、酚醛樹脂（zhī）、無機樹脂等，用於鋁、鎂（měi）、鐵、鋼（gāng）等（děng）多種有色金黑色金屬鑄（zhù）造，適用（yòng）於汽車，航空，泵業，大型發動機和機械行業（yè）的砂（shā）型鑄造（zào）。

      與傳統製芯方式（shì）相比，該（gāi）設備自動化控製工作（zuò），勞動強度低，噪音、粉塵汙染小，剩餘原料可回收再利用。

      最佳性價比，可節約一半左右的生產成本和周期。

      3）3D 打印砂芯的應用

      3D 打印砂芯是鑄件產品開發的最佳手段，是快速交（jiāo）貨的最佳保證，也是特定小批量生產的最佳（jiā）經濟方（fāng）式（圖（tú）3 為一箱多件的排布）。目（mù）前，ExOne 公司（sī）的3D 打印砂芯已應用於航空航天、汽車、泵和液壓、科研開發、鑄造廠及相關服務業等（děng）多個領域。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

      隨著技術進步，生產、生（shēng）活方式的改變（biàn），鑄造業也必須考慮可持續化發展。未來的鑄造發展，從產品需求上呈（chéng）現“品種多樣性、現結（jié）構複雜化、更（gèng）新換代快”等特點，從鑄造（zào）生產上要求優質可靠、高效智（zhì）能、綠色低碳，這就要求鑄（zhù）造業保持先進的工藝及手段，3D 打印將在各種新型鑄造工藝中大（dà）有可為，開辟新（xīn）的（de）製造途徑。

      以汽車發動機缸體鑄造為例，其發展趨向（xiàng）是輸出動力和排放環保的（de）條件下（xià）整（zhěng）體重量（liàng）輕量化，因此鋁合金和薄壁蠕鐵是未來發（fā）動機缸體的優（yōu）選。有（yǒu）兩種工藝值得關注（zhù），也（yě）是3D 打印的用武之（zhī）地。

      1）組芯工藝替代黏土砂工藝

      組（zǔ）芯工藝（yì）（COREPAK），是直接用射芯（xīn）機（jī）製造出的芯子（zǐ）組合（hé）成芯包或輔助自硬砂工藝造出外型（xíng）與芯子組合成完整（zhěng）的砂包或（huò）砂型，如圖5 示意。

      組芯工藝於1986 年在（zài）英國Crosworth 成線，鑄造跑車的（de）鋁合（hé）金V6 缸體（tǐ），到2011 年鑄造出蠕鐵的發動（dòng）機缸體。尼馬克在德國Dellingen 有個全（quán）球最大的鋁鑄造廠，用組（zǔ）芯工藝生（shēng）產發動機的缸體和缸蓋，年產量缸體（tǐ）在（zài）300 萬件以上，在美國的通用，南京的馬自達鑄（zhù）造廠也在用（yòng）組芯工藝生產鋁缸體；重慶機電在重慶建設全球最大的組芯工藝生產（chǎn）線，鑄造開（kāi）車鑄鐵缸體。

      組（zǔ）芯工藝（yì）與潮模砂工藝相比，設備投資可減少30%、材料節省40%、能源節（jiē）省40%、人力節省10%、產品（pǐn）柔性（xìng）提高15%。除此（cǐ）之外，還有重要幾（jǐ）點：

      容易實現自動化，如機器人的加入組芯和搬運，容易實（shí）現環保和友好工作（zuò）環境（jìng）；

      落（luò）砂、除（chú）芯和砂再生集中在一台（tái）流台床內完成（chéng），節能（néng）環保非常突（tū）出；3D 打印製芯（xīn）可以（yǐ）大量結合，經濟性（xìng）完（wán）成小批量（liàng）鑄造生產。

      2）低壓（yā）砂型澆注工藝

      以上組芯工藝大多采用重力（lì）澆注，如果是複雜的鑄件可以結合低壓澆注，從而克服澆注成型的一些困難，獲得更佳的機械性能（néng），尤其是鋁合金非常容易實現。

      一汽鑄造公司有色鑄造廠在2012 年（nián）建設了一條低壓澆注（zhù）的組芯線生產紅（hóng）旗係列的鋁合金（jīn）V6 和I4 缸體（如圖6），芯包組（zǔ）合後直接用機器人抓住到低壓澆（jiāo）注爐上進行澆注，之後放到冷（lěng）卻線上冷卻，可實現4 min 澆注1 型。

      不論是組芯還是低壓（yā）澆注，都是迎（yíng）合未來鑄造發展（zhǎn）需求（qiú）而開發的新技術，3D 打印型芯非常適（shì）合（hé）這（zhè）類自動（dòng）化、精準（zhǔn）化、複雜化的鑄造生產，與之結合將會開創更為經（jīng）濟高效的生（shēng）產模式。

      從更長遠來看，根據“第三次工業革命”的特征，未來鑄造業也將追隨這個大的技術潮流而變：節能、環保和綠色鑄造；個性化的消費帶來個性化的設計；小批（pī）量和單件生產成（chéng）為主流；社會化生產使小型鑄造廠成為熱點。由此，我們可以設想由3D 打印技術帶來的“個人鑄（zhù）造廠”：一台3D 打印機加上一台電爐，通過網絡雲平台接（jiē）受訂（dìng）單，打（dǎ）印機進行造型製（zhì）芯，電爐熔化澆注，型砂由社會化收集和再生，一個個性化的（de）個人鑄造廠就誕生了！ 3D打印將給鑄造業帶來革命性的（de）變革值得期待。 

      4 結（jié）束語

      受研發和消費（fèi）的影響，鑄造件的設計越來越體現消費者的（de）意願、體現設計者（zhě）的創意，正在擺脫傳統鑄造工藝的束縛，產品設計（jì）和研發開始借助3D打印在大企業（yè）的內部完（wán）成，3D 打印技術正在（zài）成為提高高端鑄件產品競爭力的有力保證。

      從ExOne 公司的的用戶清單中可以看到（dào），世界各大汽（qì）車企業如寶馬、奔馳、通用、福特已經在用3D打印開發新的鑄造產品，美國和俄羅斯的軍工研發機構也在其中，博（bó）士力士樂已經將3D 打印安裝在鑄（zhù）造廠裏（lǐ），我國的共享新鑄（zhù）造廠已經勾畫（huà）新的組芯工藝（yì）並將3D 打印融（róng）入其中，世（shì）界越來越多的大型公司（sī）已（yǐ）經在鑄件生產中重視3D 打印，引入3D 打印。

      但是，我國多數企業還沒有意識到這一點，不具備產品的原始設計和開發（fā）能力，還在（zài）依（yī）靠於西方發達國家，因此（cǐ），及時開展技術創新和技術進步，結（jié）合3D 打印和傳統（tǒng）鑄造，掌握先進的工藝手段是我們鑄造業未雨綢繆的（de）重要舉措，是（shì）實現我（wǒ）國鑄造業轉型升級的重（chóng）要途徑。

      機遇總（zǒng）是偏向於有準備之人，讓我們（men）抓住機遇與挑戰，為推（tuī）動我國鑄造業（yè）和相關行業的快速發展而做出貢獻。