1 3D 打印技術綜述（shù）

      1.1 3D 打印技（jì）術的定（dìng）義和現狀

      傳統的產品製造，多（duō）是采用模具將原料成型為毛坯，而後采用（yòng）機加工等方法去除多餘材（cái）料，成型為要求尺寸的部件，可稱為“減材製造法”。而（ér）3D 打印製造技術與之相反，是通過材料的逐層添加（jiā）製造出三維物體，定義為（wéi）“增材製造”法（fǎ）。3D 打印技術具有節材、高效、設計自由化等優勢，在歐美已經有20 多年的發（fā）展曆史，現已經深度介入工業製造領域。目前，世界的3D 打印機可概括為兩大家族：

      1）熔融沉積（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。該類打印機（jī）是目前家（jiā）庭用和工業台麵（miàn）式打印機的主要類型，可打印食品、塑料（liào）和生物製品。

      Polyjet 打印機是該類打印機的代表，該技術將液態光敏（mǐn）聚（jù）合物噴射為很薄的層，再通過（guò）UV（紫外線）光將其固化。關鍵是噴射的（de）液滴可快速、精確地形成16 μm 的薄層，這個精度就可以完成高分辨率形狀（zhuàng）和高精度尺寸的（de）工業和醫學應用了，再通過多個打印頭，打印不同的材料和提（tí）高打（dǎ）印速度，所（suǒ）以具（jù）備了競爭性的市場化技術條件。

      激光（guāng）工程化淨成型（LENS），是工業化3D 最具影響的傑作，可將硬金屬材料製造成複雜的物體。製造過（guò）程是將材料粉末吹入精心引導的高功率激光（guāng）束，錯過激光（guāng）束的粉（fěn）末會落在一邊，遇到（dào）激光焦點（diǎn）的粉末會立即融（róng）化並（bìng）融合到（dào）增長部分的表麵，因此當激（jī）光（guāng）焦點掃描過（guò）打印對象的輪（lún）廓，打印頭吹出更多的粉末時，部件就會一層一層地逐（zhú）漸增長。這種工藝的優點是（shì）用硬質材料（例如鈦和不鏽鋼）製造物體，並可用多個打印頭（tóu）同時向激光束吹粉末，使（shǐ）用多（duō）種基礎金屬按照比例打印出“合金”，該比例可（kě）以根據打印頭的位置調整，生成各種（zhǒng）級別（bié）的合金。這種“金屬打印”發（fā）明之前（qián），由於3D 打（dǎ）印（yìn）隻能（néng）使用塑料（聚合物）材料，因此3D 打（dǎ）印並沒有被大型產業（yè）所重視，而目前LENS 打印技術（shù）已被稱為航空航天、汽車、生物醫學等大型產業追捧的焦點。

      分層實體製造（LOM），不（bú）是用（yòng）打印頭生成層，而是將材料薄片通過刀具或激光（guāng）束按照實體外形的輪廓從紙、塑（sù）料或金屬的材料薄（báo）片中切出並疊加堆積在一起並使其融（róng）合為一個三維實體。

      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（gù）化成（chéng）型，許多早期的商用機就是使用這（zhè）種方法，如立體光刻（kè）（SL）和激光燒結（LS）.

      立體光刻（SL）利用了光敏聚合物（特種塑料）遇上紫外（wài）線（UV）會硬化的原理，將液（yè）態的聚合物放在打印機內，並用激光束在其表麵按打（dǎ）印輪廓進行掃描固化，每次激光掃描之後，移動台麵（miàn）將已打印的部分下沉一微小（xiǎo）距（jù）離，新的液態光敏聚合物會覆蓋其頂麵，逐層打（dǎ）印出實體（tǐ）。打印實體有的（de）需要進一步放入（rù）紫外線”微波爐“中進行固化。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（báo），可生產出（chū）精（jīng）密的工業級模型和（hé）零部件。隨著光敏聚合（hé）物材料的開發及應用推（tuī）廣，SL 打印機可生產出具有（yǒu）特殊材料特性的物體。

      激光燒結（LS）是（shì）使用粉末代替液體，以高功率激光束在粉床表麵掃描，激光照射到的粉末融合，而後將粉床降低一個層厚再加（jiā）上一層粉末，未（wèi）燒結的粉末可（kě）以回（huí）收再利（lì）用。由於大多數的原材料都可以（yǐ）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。

      三維打印（3DP）是通（tōng）過打印頭將黏結劑或某種膠加入到粉（fěn）末中，更（gèng）類（lèi）似於（yú）噴墨打印機，代替紙的是粉末（如ExOne 公司打（dǎ）印（yìn）機用的砂子（zǐ）），而墨水（shuǐ）是黏結劑。該設備（bèi）不（bú）用激光和有毒材料，因此更加具有商業競（jìng）爭性。3DP 打印還可以（yǐ）噴入不同（tóng）顏色（sè）的黏結劑和（hé）色料，實現彩色打印，打印（yìn）出類似岩石的紋理。該種打印機應用的材料非常廣泛，砂子、陶土、玻璃、骨骼、青銅等各類金（jīn）屬，打印（yìn）後可通過繼續燒結提（tí）高（gāo）強度，在鑄造、建築、藝（yì）術品、醫（yī）學、機械部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（cóng）公開報道中（zhōng）已知3D 打（dǎ）印可生產出的物體有：設計模型；汽（qì）車、航空航天、機器部件；生物上的活細胞、活性軟骨、心髒隔膜；骨骼、牙、耳朵；家用器具和（hé）玩具；藝（yì）術品（pǐn）；食（shí）品；砂型和砂芯；建築物等（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主要標誌，帶（dài）有五大“革命”特征：

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

      2）生產方式的變（biàn）革：以互聯網為（wéi）支撐的智（zhì）能化大規（guī）模定製方式（shì）替代大規模標準化的方（fāng）式，個性化消費時代的到來。

      3）製造模式的變革：製造業主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）生產組織方式的變革：分散生（shēng）產、就（jiù）地銷售，網絡化組織生產社（shè）會化。

      5）生活方式的變革：消（xiāo）費的同（tóng）時就是生產。要什麽就生產什麽，即刻實現是3D 打印。世界對3D 打印遠景的到來（lái）充滿了期待，正如（rú）《3D 打印———從想象（xiàng）到現實》一書中所寫：“一場（chǎng）產品製造的革命、設計的革命、材料的革命、生（shēng）物的革命、知識產權的革命將由3D 打印引爆。我們進入（rù）“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（de）熱門話題，升（shēng）溫的速度如此（cǐ）之快是在中國已往所沒有的，這說明政府、國人（rén）和一些專業人士對新技術的渴望和麵對全球競爭的警惕性（xìng）在提（tí）高，3D 打印是我國（guó）麵臨的全新（xīn）機遇和（hé）挑（tiāo）戰。3D 打印出現在美國總統的政府報告中，歐洲也在布局（jú）所謂的第四次工業革命，實際反映的是世界競爭的格局在（zài）變化，歐美借助技術上的優勢在與（yǔ）發達國家提（tí）出（chū）新的挑戰方（fāng）式。我們（men）的低價勞動力（lì）的優勢就要消失，之後我們拿什麽與其爭，我們第二次（cì）工業革命應該完成的使命還沒有完成，馬上進入第三次、第四次工業革命，因此挑戰與（yǔ）機遇並存不是（shì）空（kōng）話（huà），沒有選（xuǎn）擇，隻有迎頭趕上，才會置身世（shì）界前（qián）列。3D 打印的（de）過程需（xū）要突破三關，即控製三篇（piān）章，控製物體的（de）形狀、控製物質的構成和控製的（de）行為。三個技術的結合，就可以達到物體的精度和性能，就可（kě）實現大麵積（jī）的工業化，因此，從技術層麵上說未（wèi）來是光明的（de）。

      2 3D 打（dǎ）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（chǎn）服務，主要用於鑄件的快速原型、翻製模具、打印（yìn）模殼（ké）、砂芯等。例（lì）如國內（nèi）的武漢濱湖機電、北京隆源公司等采用激光燒結3D 打印應用於熱芯盒工藝（yì）。國外如德國ExOne 公（gōng）司開發了專（zhuān）門（mén）用於鑄造砂型芯打印的3DP 打印機（如圖1 所示），實現無模具鑄造或數字化鑄（zhù）造，目前可（kě）最大打印1 800 mm×1 000 mm×700 mm 尺寸的整體砂型或芯，該技術設備已由我國寧夏共享集團公司引進（jìn），用（yòng）於開發生產。

      下麵重點介紹Ex-One 公司3D 砂芯打印機原理特點。

      1） 打印砂芯方法工藝

      打印砂芯的方法可簡述為：據鑄造工藝設計砂芯結構（三維建模）→將模型文件（STL 格式）導入打（dǎ）印設備（bèi）進行處（chù）理→準備（bèi）打（dǎ）印原料，設置打印參數→自動打印成型→吸除未用（yòng）鬆砂，取型芯（xīn）清理→澆注生產。

      打印時，先在工（gōng）作箱平鋪一層砂（已混合固化（huà）劑），而後打印頭選擇性噴射（shè）化學黏結劑，並逐層交（jiāo）替，最後自硬成型，如（rú）圖2 所示。

      2）3D 打印砂芯（xīn）的（de）特點

      無需模具，可製作複雜的（de）砂型/ 砂芯（xīn），尤其是模具難以成型的型芯（xīn）。實現（xiàn）複雜砂芯（xīn）的一體成型（xíng），提高造型精度。

      打印砂芯尺寸大，精度高，速度快，成本低。目（mù）前現有的其（qí）他可打（dǎ）印砂型設備多采用了（le）激光燒結（jié）方式，可打印產品尺寸不足500mm×500mm×500mm，成型速率每小時僅（jǐn）為幾（jǐ）升（shēng）。ExOne 公司砂芯打印機打印精度達到0.3 mm，工作箱尺寸（cùn）為（wéi）1 800 mm×1 000 mm×700 mm，為目前行業最大（dà），每小時可（kě）成型108 L 砂，原料主要是（shì）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（chéng）型，無（wú）收縮變形，無需後續加工可直接使用。

      可打印呋喃（nán）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，航空，泵（bèng）業，大型發動機和機械行業的砂型（xíng）鑄造。

      與傳統製芯方式相比，該（gāi）設備自動化（huà）控製工作，勞（láo）動強（qiáng）度低，噪音、粉（fěn）塵汙染小，剩餘原料可回收再（zài）利用。

      最佳性（xìng）價比，可（kě）節約一半左右的生產成本和周（zhōu）期。

      3）3D 打印砂芯的應用

      3D 打印砂芯是鑄件產品開發的最（zuì）佳手段，是快速交貨的最（zuì）佳保證，也是特定小批（pī）量生產（chǎn）的最佳經濟方式（圖3 為一箱多件的排布）。目前（qián），ExOne 公司的（de）3D 打印砂芯已應用於航空航天、汽（qì）車、泵和液壓、科研開發、鑄造廠及相關服務（wù）業等（děng）多個領域。部分典型打印砂芯的應用見圖4.

      3 3D 打印與未來鑄造發展（zhǎn）

      隨著（zhe）技術進步，生產、生活方式的改變，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（qiú）上呈現“品種多樣性、現結構複（fù）雜化、更新換代快”等特點，從（cóng）鑄造生產上（shàng）要（yào）求優質可靠、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（yìn）將在各種新型鑄造工藝中大有可為，開辟（pì）新的製造途徑。

      以（yǐ）汽車發動機缸體鑄造為例，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（huà），因此鋁合金和薄壁蠕鐵是未來發動機缸體的優（yōu）選。有兩種（zhǒng）工藝值得關注，也是3D 打印的用武之地。

      1）組芯工藝替代黏土（tǔ）砂（shā）工藝

      組芯工藝（COREPAK），是直接用射芯機製造出的芯子組合成芯包或輔助自硬砂（shā）工藝造出外型（xíng）與芯子組合成完整的砂包或砂型（xíng），如圖5 示意。

      組芯工藝於1986 年（nián）在英國（guó）Crosworth 成線，鑄造跑車的鋁合（hé）金V6 缸體，到2011 年鑄造出蠕鐵的（de）發動機缸體。尼馬克在德（dé）國Dellingen 有個全球最（zuì）大的鋁（lǚ）鑄造廠，用組芯工藝生產發動機（jī）的缸體和缸（gāng）蓋（gài），年（nián）產量缸體在300 萬件以上，在美國的通用，南京的馬自達鑄造廠也（yě）在用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線，鑄造開車鑄鐵缸體。

      組芯（xīn）工藝與潮模砂工藝（yì）相比（bǐ），設備投（tóu）資可減（jiǎn）少30%、材（cái）料節省40%、能源節省40%、人力節省10%、產品柔性提高15%。除此之外，還有重要幾點：

      容易實現自動化，如機器人的加入組芯和搬運，容易實現環保（bǎo）和友好工（gōng）作環境；

      落砂、除芯和砂再生集中在一台流台床內完成，節能環保非常突出；3D 打印製芯可以大量（liàng）結合，經濟性完成小批量鑄（zhù）造生產。

      2）低壓砂型澆（jiāo）注工藝（yì）

      以上組芯工藝大多采（cǎi）用重力澆（jiāo）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（jiā）的機械性（xìng）能，尤其是（shì）鋁合金非常容易實現。

      一汽（qì）鑄造公司有色鑄造廠在2012 年建設了一條低（dī）壓（yā）澆注（zhù）的組芯線生產紅旗係（xì）列的鋁合金V6 和I4 缸體（如圖6），芯（xīn）包組合（hé）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。

      不論是組芯還是低壓澆注，都是迎（yíng）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（hé）這類自（zì）動化（huà）、精準（zhǔn）化（huà）、複雜化的鑄造生產，與之結合將會開創更（gèng）為經（jīng）濟高效的生產模式。

      從更長遠來看，根（gēn）據“第三次工業革命”的特（tè）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）性化的消費（fèi）帶來個性化的設計；小（xiǎo）批量（liàng）和單件生產成為主流；社會化生產使小型鑄造廠成為熱點（diǎn）。由（yóu）此，我們可以設想由3D 打印技術帶來的“個人鑄造廠”：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（háng）造型製芯，電爐熔化澆注（zhù），型砂由社會化收集和再生，一個個性化的個人鑄造廠就誕生了！ 3D打印將給鑄造業帶來革命性的變革值得期（qī）待。 

      4 結束語

      受研發和消費的影（yǐng）響，鑄造件的設計越（yuè）來越體現（xiàn）消費者的意願（yuàn）、體現設計者的創意，正在（zài）擺脫傳統鑄造（zào）工藝的束（shù）縛，產品設計和研（yán）發開始借助3D打印在大企業的內部（bù）完成，3D 打印（yìn）技術正在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（yòng）戶清單中可以看到，世界各大汽車企（qǐ）業如寶馬、奔馳、通用、福特（tè）已經（jīng）在用3D打印開發新的鑄造產品（pǐn），美國和俄羅斯的軍工研（yán）發機構也在其中，博士（shì）力士（shì）樂（lè）已經將3D 打印安（ān）裝在鑄造廠裏，我（wǒ）國的共享新鑄造（zào）廠已經勾畫新的組芯工藝並將3D 打印融入其中（zhōng），世界越來越多的大（dà）型公司已（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（hé）開發能力，還在依靠於西方發達國家，因此，及時開展（zhǎn）技（jì）術創新和技術進步，結合3D 打（dǎ）印和傳（chuán）統鑄造，掌握先進的工藝手段是我們鑄造業未雨綢繆（miù）的重要舉措，是實現我國鑄造業轉型（xíng）升（shēng）級的重要（yào）途徑。

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