1 3D 打印（yìn）技術綜述

      1.1 3D 打印技術的定（dìng）義和（hé）現狀

      傳統的產品（pǐn）製造，多是采用模具將原料成型為毛坯，而後采用機加（jiā）工等（děng）方法去除多餘材料，成型為要求尺寸的部件，可（kě）稱（chēng）為“減材製造法”。而3D 打印製造技術與之相反，是通過材料的逐層添加製造出三（sān）維物體，定義為“增材製（zhì）造”法。3D 打印技術（shù）具有節材、高效、設（shè）計自由化（huà）等優（yōu）勢，在歐美已經有20 多（duō）年的發展曆史，現（xiàn）已經深度介入工業（yè）製造領域（yù）。目前，世界的3D 打印機可概（gài）括為兩大家族：

      1）熔融沉積（jī）（FDM）型打印機

      這類打印（yìn）機通過某（mǒu）種注射器或打（dǎ）印頭注射、噴灑或擠壓液體、膠狀物或粉末狀原材料，是在80 年代發明的（de）。該類打印機是目前家庭用和工業台麵（miàn）式打印（yìn）機的主（zhǔ）要類型，可打印食（shí）品、塑料和生物製（zhì）品（pǐn）。

      Polyjet 打印機是該類（lèi）打（dǎ）印（yìn）機的代表，該技術將液（yè）態光敏聚合物噴射為很（hěn）薄的層，再通過UV（紫外線（xiàn））光將（jiāng）其固化。關鍵是噴射的液滴可快速（sù）、精確地形成16 μm 的薄層，這個精度就可（kě）以完成高分辨（biàn）率形狀和高（gāo）精度尺寸的工業和（hé）醫學應用了，再通過多個打印頭，打（dǎ）印（yìn）不同的材料（liào）和提高打印速度，所以具備了競爭性的市場化（huà）技術條件。

      激光工程（chéng）化淨成型（LENS），是工業（yè）化3D 最具影響的傑（jié）作，可將硬金屬材料製造成複雜的物（wù）體。製（zhì）造過程是（shì）將材料粉（fěn）末吹入精心引（yǐn）導的高功率激光束，錯過激（jī）光（guāng）束的粉末會落在一邊，遇（yù）到激光焦點的粉末會立即（jí）融化並融合（hé）到增長部分的表麵，因此當激光焦點（diǎn）掃描（miáo）過打印對象的輪廓，打印頭吹（chuī）出（chū）更多（duō）的粉末（mò）時，部件就會一（yī）層一層地逐漸（jiàn）增長。這種工藝的優點（diǎn）是用硬質材料（例如鈦和（hé）不鏽鋼）製造物（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例打印出“合金”，該比例可以根據打印頭的位置（zhì）調整，生成各種級別的合金。這種“金屬打印”發明（míng）之前，由於3D 打印隻能使用塑料（聚合物）材（cái）料，因此3D 打印並沒有被（bèi）大型產業所重視，而目前LENS 打（dǎ）印（yìn）技術（shù）已被稱為航空航天、汽車、生物醫（yī）學等大型產業追捧的（de）焦點。

      分（fèn）層實體（tǐ）製造（LOM），不是用打印頭生成層，而是將材料薄片通過（guò）刀具（jù）或激光束（shù）按照實體外形的輪廓（kuò）從紙、塑料或金屬的材料薄片中切出並疊加堆積（jī）在一起並使其融合為一個三維實體（tǐ）。

      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（gù）化成型，許多早期的商用機就是使用這種方法，如立體光刻（SL）和（hé）激光燒結（LS）.

      立體光（guāng）刻（kè）（SL）利用（yòng）了光敏聚合物（特種塑料）遇上紫外線（UV）會硬化的原理，將液態（tài）的聚合物放在打印機內，並（bìng）用（yòng）激光束在其表麵按打印輪（lún）廓（kuò）進行（háng）掃描固化，每次（cì）激光掃描之後，移動台麵將已打印的部分下沉一微小（xiǎo）距離，新的液（yè）態光敏聚（jù）合物會覆蓋其頂麵（miàn），逐層（céng）打印出實體。打印實體有的需要進一步放入紫外線”微（wēi）波爐“中進行（háng）固化。SL 打印機的優勢在於（yú）激光作業快、精確，多束激光可並（bìng）行工作（zuò），分辨率高（gāo），層厚可達10 μm，比一張紙還薄，可生產出精（jīng）密的工業級模型和零部件。隨著光敏聚合物材料的開發及應用推廣，SL 打印（yìn）機可生產出具有特殊材料特性的物體（tǐ）。

      激光燒結（LS）是使用粉末代替液體，以高功率激光束（shù）在粉床表麵掃描，激光照射到的粉（fěn）末融合，而後（hòu）將粉床降低一個層厚再加上一層粉（fěn）末，未燒結的粉末可以回收再（zài）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，因此粉末材料應用範圍更廣。

      三維打（dǎ）印（yìn）（3DP）是通過打印頭將黏結劑或某種膠加入到粉末中，更類似於噴墨打印機，代（dài）替紙的是粉（fěn）末（如（rú）ExOne 公司（sī）打印機用的砂子），而墨水是黏結（jié）劑。該設備不（bú）用激光和有毒材（cái）料，因此更加具有商（shāng）業競爭性。3DP 打印還可以噴入不同顏色的黏結（jié）劑和色料，實現彩色打印，打印出類似岩石的紋理。該種（zhǒng）打印機應用的材料非常廣泛，砂子、陶土（tǔ）、玻璃、骨骼、青（qīng）銅等各類金屬，打印後可通過繼續燒結提高強度，在（zài）鑄造、建築、藝（yì）術品、醫（yī）學、機械部（bù）件等有不可估量的前景。

      目前，3D 打印技術在各個行業領域應用廣泛，從公開報道中已知3D 打印可生產出的物體（tǐ）有：設計模型；汽車、航空航天、機器部件（jiàn）；生（shēng）物上的活（huó）細胞、活性軟骨、心髒（zāng）隔膜（mó）；骨骼、牙、耳朵（duǒ）；家用器具和玩具；藝術（shù）品（pǐn）；食品；砂型和砂芯；建築（zhù）物等等。

      1.2 3D 打印（yìn）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主要標誌，帶有五大“革命”特征：

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

      2）生產方式的變革：以互聯網為支撐的智能化大規模定製方式替代大（dà）規模標準化的（de）方式，個性（xìng）化（huà）消費（fèi）時代的到來。

      3）製造模式的變革：製造業主（zhǔ）流的製造模式從消減式轉變（biàn）成為疊加式，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，網絡化組（zǔ）織生產社會化。

      5）生活方式的變革：消費的同時就是生產。要（yào）什麽就生產什麽，即刻實現是3D 打印。世界對3D 打印遠（yuǎn）景的到來充滿了期待，正如《3D 打印———從想象（xiàng）到現實》一書中所寫：“一場產品製造（zào）的革命（mìng）、設計的革命、材料的革命、生物的（de）革命、知識產（chǎn）權的革命將由（yóu）3D 打印引（yǐn）爆。我們進入“機器製造機器”的時代已經不遠了。”

      3D 打印一夜之間變成全球的熱門話題，升溫的（de）速度如此之快是在中國已往所沒（méi）有的，這說明政府、國人和一些專業人士對新技術的渴望和麵對（duì）全球競爭的警惕性在提高，3D 打印是我國麵臨的全新機遇和挑戰。3D 打印出現在美國總統的政府報告中，歐洲也（yě）在（zài）布局所謂（wèi）的第四次工業革命，實際反映的是世界競爭的格局在變化，歐美（měi）借助技術上的優勢在與發達國家提出新的挑戰方式。我們的（de）低價勞動力的優勢就要消失，之後我們拿什麽（me）與其（qí）爭，我們第（dì）二次工業革命應該完成的使命還沒有完成（chéng），馬上進（jìn）入第三次、第四次工業革命，因此挑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 打印的過程（chéng）需要突破三關，即控製三篇章（zhāng），控製物體的形狀、控製物質的構（gòu）成和（hé）控製的行為。三個（gè）技術的結合，就可以（yǐ）達到物體的精度和性（xìng）能，就可實現大麵積（jī）的工業（yè）化，因此，從技術層（céng）麵上（shàng）說（shuō）未來是光明的。

      2 3D 打印在鑄造中的應用（yòng）

      目前，已有部分工業級3D 打印機應（yīng）用於（yú）鑄造生產服務，主（zhǔ）要用於鑄件的快（kuài）速（sù）原型、翻製（zhì）模具、打印模殼、砂芯等。例如國內的武漢濱湖機電、北京隆源公司等采用激（jī）光燒結（jié）3D 打印應用於熱芯盒工藝。國外如德（dé）國ExOne 公司開發了專（zhuān）門用於（yú）鑄造砂型芯打印的3DP 打印機（如圖1 所示），實現無模具鑄造或數字化鑄造，目前可最大打印1 800 mm×1 000 mm×700 mm 尺寸的整（zhěng）體砂型或芯，該技術設（shè）備已由我國寧夏共享集團公司引進，用於開發生產。

      下麵重點介紹Ex-One 公司3D 砂芯打印機（jī）原理特點。

      1） 打（dǎ）印砂芯方法工藝（yì）

      打印砂芯的方法（fǎ）可簡述為：據鑄造工藝設計（jì）砂芯（xīn）結構（三維建模）→將模型文件（jiàn）（STL 格式）導入打印設備進行處理→準備打印原料，設置打印參數→自動打印成型→吸除未用鬆砂，取型芯清理→澆注生產。

      打印時，先在工作箱（xiāng）平鋪一層砂（已混（hún）合固化劑），而後打印頭（tóu）選擇性噴射（shè）化學黏結（jié）劑，並逐層交替，最後自硬成型，如圖2 所示。

      2）3D 打印砂芯的特點

      無需模具，可製作複雜的砂型/ 砂（shā）芯，尤其（qí）是（shì）模具難以成型的型芯。實現複雜（zá）砂芯的（de）一體成型，提高造型精度（dù）。

      打印砂芯（xīn）尺寸大，精度高，速度快，成本（běn）低。目前現有的（de）其他可打印砂型設備多采用了激光燒結方（fāng）式，可打（dǎ）印產品尺寸不足500mm×500mm×500mm，成型速率每小時僅為幾升。ExOne 公司（sī）砂芯打印機打（dǎ）印精度達（dá）到0.3 mm，工作箱尺寸為（wéi）1 800 mm×1 000 mm×700 mm，為目前行業（yè）最大，每小時（shí）可成型108 L 砂，原（yuán）料主要是常規石英砂、固化劑及黏接劑，成本相對較低。

      打印砂型芯為常溫固化成型，無收縮變形，無（wú）需後續加工可直接使用。

      可打印呋（fū）喃樹脂、酚醛樹脂、無機樹脂等，用於鋁、鎂、鐵、鋼等多種有色金黑色金屬鑄造，適用於汽車（chē），航空，泵業（yè），大型發動機（jī）和機械行業的砂型鑄造。

      與傳統製（zhì）芯方式相比，該設備自動化控製工作，勞動強（qiáng）度（dù）低，噪音、粉塵汙染小，剩餘原料可回收再利用。

      最佳性價比（bǐ），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（kuài）速交（jiāo）貨的最佳（jiā）保證，也是特定小批量生（shēng）產的最（zuì）佳經濟方式（圖（tú）3 為一箱（xiāng）多件的排布）。目前，ExOne 公司的3D 打印（yìn）砂芯已應（yīng）用於航空航天、汽車、泵和液壓、科研開發、鑄造（zào）廠及相關服務業等多個領域。部分典型打印砂芯的應用見圖4.

      3 3D 打印（yìn）與未來鑄造發展

      隨（suí）著技術進步，生產、生活方式的改變，鑄造業（yè）也必須考慮可持續化發展。未來的鑄造發展，從產品需求上呈現“品種多樣性、現結構複雜化（huà）、更新換代快”等特點（diǎn），從鑄造生產上要求優質（zhì）可靠、高效智能、綠色低碳，這就要求鑄造業保持先進的工藝及手段，3D 打印將在各種新（xīn）型鑄造工藝（yì）中大有可為（wéi），開辟新的（de）製造途徑。

      以汽車發動機缸體鑄造（zào）為例，其發展趨向是輸出動力和排放環保的條件下整體重量輕量化，因此鋁合金和薄（báo）壁蠕鐵是未來發動機缸體的優選。有兩種工藝值得關注，也是3D 打印的用武之地。

      1）組（zǔ）芯工藝替代黏土（tǔ）砂工藝（yì）

      組芯（xīn）工藝（COREPAK），是直接用射芯機製造出（chū）的芯子組合成芯包或輔助自硬砂工藝造（zào）出外型與芯子組合成完整的砂包或砂型，如（rú）圖5 示意。

      組芯工藝於1986 年在英國Crosworth 成（chéng）線，鑄造跑車的鋁合金V6 缸（gāng）體，到2011 年鑄（zhù）造出蠕（rú）鐵的發動機缸體。尼馬克在德國Dellingen 有個全球最大的鋁鑄造廠，用組（zǔ）芯工藝生產發動機的缸體和缸蓋（gài），年產量缸體在300 萬件以上（shàng），在美國的通用，南京的馬自達鑄造廠也在用（yòng）組芯工藝生產鋁（lǚ）缸體；重慶機電在重慶建設全球最（zuì）大的組芯工藝生產線，鑄（zhù）造開車鑄鐵缸體。

      組芯工藝與潮模砂工藝相比，設備（bèi）投資可減少（shǎo）30%、材料節省（shěng）40%、能源節省40%、人力節省10%、產品柔性提高15%。除此之（zhī）外，還有（yǒu）重要幾點：

      容易實現自動化，如機器人的加入組芯和搬運，容易實現（xiàn）環保和（hé）友好工作環境；

      落砂、除（chú）芯和砂再生集中在（zài）一台流台床內完成，節能環保非常突出；3D 打印製芯可以大量結合，經濟性完成小批量鑄造生產。

      2）低壓砂型澆注工藝

      以上組芯工藝大多采用（yòng）重力澆注，如果是（shì）複雜的鑄件可以結合低壓（yā）澆注，從而（ér）克服澆注成型（xíng）的一些困難，獲得更佳的機械性能，尤（yóu）其是鋁合金非常容易實現。

      一汽鑄造公司有色鑄造廠在2012 年建設了一條（tiáo）低（dī）壓澆注的組芯線生產紅旗係列的鋁合金V6 和I4 缸體（tǐ）（如圖6），芯包（bāo）組合後直接用機器人抓住到低壓澆注爐（lú）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（hái）是低壓澆注，都是迎合未來鑄造發展需求而開發的新技術，3D 打印型芯非常適合這類自動化、精準化（huà）、複雜化的鑄造生產，與之結合將會開創更為經濟高效的生產模式。

      從更長遠來看，根（gēn）據“第三（sān）次（cì）工（gōng）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（gè）性化的消（xiāo）費帶來個性化的設計；小批量和（hé）單件生產成為（wéi）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（dài）來的“個人鑄造廠（chǎng）”：一台3D 打印機加上一台電爐，通過網絡雲平台接受訂單，打印機進行造型製芯，電（diàn）爐熔化澆注，型砂由社會化收集（jí）和再生，一個個性化的個人鑄造廠就誕（dàn）生了！ 3D打印將給鑄造業（yè）帶來革命性（xìng）的變（biàn）革值得期待。 

      4 結（jié）束語

      受研發和（hé）消（xiāo）費的影響，鑄造件的設計越來越體（tǐ）現消費者（zhě）的（de）意願、體現設計者的創（chuàng）意（yì），正在擺脫傳（chuán）統鑄造工藝的束縛，產品設（shè）計和研（yán）發開始借助3D打印在大（dà）企業（yè）的內部完成，3D 打印技術正在成（chéng）為提高高端鑄件產品競（jìng）爭力的有（yǒu）力保證。

      從ExOne 公（gōng）司的的用戶清單（dān）中可以看到（dào），世（shì）界各大汽（qì）車（chē）企業如寶馬、奔馳、通用、福特已經在用3D打印開發新的鑄造（zào）產品，美（měi）國和俄（é）羅斯的軍工研發機構也在其中，博士力士樂已經將3D 打（dǎ）印安裝在鑄造廠裏，我國的（de）共（gòng）享新鑄造（zào）廠（chǎng）已經勾（gōu）畫（huà）新的組芯工藝並將3D 打印融入其中，世界越來越多的（de）大型公司已經（jīng）在鑄件生（shēng）產中重視3D 打印，引入3D 打印。

      但是，我國多數企（qǐ）業還沒有意識到這一（yī）點（diǎn），不具備產（chǎn）品的原始設計（jì）和開（kāi）發（fā）能力，還在依靠於西方發達國家，因（yīn）此，及時開展技術創新和技術進步，結合3D 打（dǎ）印和（hé）傳統鑄（zhù）造（zào），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，是實現我國鑄造業轉型升級的（de）重（chóng）要途徑。

      機遇總是偏向於有準備之人，讓我們抓住機遇（yù）與挑戰，為推動我國鑄造業（yè）和（hé）相關行業的快速發展而做出貢獻。