3D打印技術與鑄造技術的融合應用與展望

戴開明，黃金富，宋彬

1.江山重工研究院有限公司 湖北襄陽 441057

2.天津通達日上金屬制品有限公司 天津 301721

3.北京北方恒利科技發展有限公司 北京 102600

1 序言

3D打印作為智能制造最大的推動力技術，遲遲未能大面積落地，分析原因并不是3D打印技術本身不成熟，而是成形材料種類受限，以及很多打印技術只能生產中間產品，直接打印金屬成品價格昂貴，除少數軍工企業外，無法大面積推廣應用。近年來，3D打印供應商在不斷完善打印設備、軟件、材料以降低應用成本的同時，也在不停地尋找技術應用領域。在工業發展中，大多數產品都采用金屬材料，3D打印技術要生存發展必須實現低成本制造金屬構件。但是，目前只有個別供應商取得了突破，如金屬打印供應商很多，但僅有少數幾家產品被航空航天企業認可，被用于零部件生產。由于價格和材料的原因，其他軍工企業和民用企業很少采用。據不完全統計，國內現有閑置、半閑置各種金屬打印機近千臺（套），浪費很大。實踐證明，所有金屬構件都采用3D直接打印是不現實的，因此3D打印技術必須尋找新的突破才能得到健康發展。

3D打印技術與鑄造技術相融合將發揮不可估量的作用。3D打印的蠟模、光敏樹脂模、塑料、砂型、砂芯及金屬等，能用于失蠟蠟模、模具、鑄型、型芯及復雜內腔零件等鑄造元素，這些元素可與熔模精密鑄造、石膏型鑄造、砂型鑄造、低壓（差壓）鑄造及雙金屬復合鑄造等幾乎所有的鑄造方法融合，制造各種金屬合金構件。其融合應用解決了3D打印材料和成本的問題，突破了只能先模具后鑄造的瓶頸，加速了鑄造行業的發展，為快速發展個性化創新工廠、制造業升級提供了可能。

3D打印與鑄造融合，是多學科的融合，對技術人員知識面和實踐經驗要求很高。在國外，砂型打印得到了很好的應用，如GW公司是一家鑄造開發企業，其提供鑄造工藝整體方案和個性化復雜鑄件（如發動機缸體、缸蓋、傳動箱等），長期以來采用三維打?。?DP）技術完成砂型、砂芯的制造，實現工藝方案試制和中小批量鑄件生產，年產值達數億美元。近幾年，以3D打印制造商為代表的企業，開始與鑄造相融合，有幾家具有鑄造技術背景又有3D打印技術的企業融合較好，如共享集團、峰華卓立科技股份有限公司開發的3DP打印與砂型鑄造的融合，北京北方恒利開發的SLS打印在硅溶膠、石膏型精密鑄造以及3DP打印與砂型鑄造在各種金屬成形中的融合，西安交通大學開發的SLA打印與硅溶膠精密鑄造在鑄鋼等材料方面的融合等，但融合相對單一、規模較小，產值只有幾百萬或幾千萬人民幣[1-6]。

目前，3D打印技術急需突破與鑄造融合的瓶頸，這不僅是行業的生存發展問題，還關系到制造業轉型升級、工業4.0實現效果的問題，也關系到多學科融合的問題，3D打印技術將加快制造業革命，為人類發展創造無數的奇跡。下面介紹幾種3D打印技術與鑄造技術融合的思路。

2 工業級3D打印與鑄造融合配套技術

下面重點介紹SLS、SLA、3DP、SLM四種打印技術[7-9]與鑄造技術融合配套。

2.1 SLS技術

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS） 技術屬于萬能打印技術，原理上要能將材料制備成粉末，通過選區加熱熔化粉末或熔化黏結劑黏結形成所需要的中間零件。在鑄造方面，主要打印材料有PS粉、蠟粉、覆膜樹脂砂及覆膜陶瓷等。

PS粉打印材料和工藝都很成熟，其具有材料收縮小、膨脹系數小、中溫條件尺寸穩定，以及材料和打印成本低等優點，是各種熔模鑄造用蠟模的最佳選擇，但由于其存在脫模時壓差脹殼和焙燒過程產生大量黑色未氧化碳的問題，而解決這兩個問題需要很專業的鑄造知識和高昂的環保費用，因此未廣泛應用。目前，SLS技術主要用于硅溶膠熔模精密鑄造和石膏型真空鑄造中。

蠟粉打印材料和工藝均不成熟，由于蠟的強吸水性，打印變形和開裂情況十分常見，打印參數很難控制，且材料價格昂貴。但蠟粉打印材料不脹殼、環保，尤其用于薄壁小零件時優勢明顯。目前，采用SLS技術制作蠟件較少，工業產品采用較困難，小蠟件打印可由其他打印技術代替。

覆膜樹脂砂是砂粒覆上了樹脂，采用加熱方式將樹脂熔化黏結，雖與3DP技術都為砂型（芯）成形技術，但SLS技術為熱成形，因此變形大、強度高、打印效率低、成本高。由于有強度高的優點，所以經常用于制作細長砂芯。但由于成本高、廢砂量大等原因，可能被淘汰。

覆膜陶瓷是陶瓷粒覆上了樹脂，采用加熱方式將樹脂熔化黏結，再進行脫脂和燒結。陶瓷用途十分廣泛，在鑄造方面，主要用于各種復雜構件的內部型芯。SLS打印陶瓷工藝復雜、變形可控性差，因此很難大規模推廣，逐漸被3DP等工藝取代。

2.2 SLA技術

立體光固化成形（S t e r e o L i t h o g r a p h y Appearance，SLA）技術打印材料種類多，打印的零件精密高，表面光滑，因此長期被塑料產品用戶青睞。在鑄造中，主要用于硅溶膠熔模、塑料模及硅膠模。

（1）硅溶膠熔模鑄造 結合其精密高、表面光滑的優點，采用薄壁鏤空結構用于硅溶膠熔模鑄造中，但因其發氣量大、退讓性差、價格稍高等缺點，未能大面積推廣應用。

（2）塑料模具 結合強度較高，打印的模具精密，耐磨性能優于木模、低于金屬模具，成本稍高，適用于中小批量快速鑄造，有少數模具廠采用。

（3）硅膠模 結合精度高、表面光滑，打印SLA模再采用真空注型機翻制硅膠模，用于鑄造用蠟件制造（雕像等復雜難分型零部件）。

2.3 3DP技術

三維打?。?D P）技術是從平面打印技術演化而來的，不同的是3DP通過噴墨頭噴樹脂等黏結劑，此打印技術主要難點在于噴墨頭壽命問題，由于黏結劑的強腐蝕性，噴墨頭易腐蝕和堵塞，目前還未開發出專用于3DP打印的噴墨頭，多借用平面打印用富士噴頭，由于用量有限，因此價格相對昂貴。在鑄造中，主要用于砂型、砂芯、泡沫塑料及陶瓷等。

3DP打印是生產砂型、砂芯最成熟的技術，砂型、砂芯屬于冷成形工藝，可以打印任一復雜形狀且不考慮分型問題，打印的砂型和砂芯透氣性好，可直接用于砂型鑄造，也可以用于金屬型砂芯，也是快速制作復雜隨形冷鐵的適宜方法。

泡沫塑料是通過黏結劑將泡沫塑料粉末進行黏結的方式制造，打印件用于熔模精密鑄造蠟模和消失模鑄造，這種打印方法與SLS打印相比具有打印速度快、軟化溫度低、不脹殼、打印尺寸大，以及發氣量小等優勢，但價格較高，推廣速度慢。

陶瓷是通通過陶瓷粉末選取噴灑黏結劑，選取冷成形方式，再進行脫脂和燒結而制成。陶瓷用途十分廣泛，在鑄造方面，主要用于各種復雜構件的內部型芯。3DP打印陶瓷工藝復雜，目前應用較少，前景廣闊。

2.4 SLM技術

選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM） 技術是直接打印金屬的方法，在鑄造方面，可以用于帶澆道或加熱的復雜模具，以及復雜結構零件鑲鑄用部件（如復雜內腔和細長油道）。

復雜內腔結構和細長油道零件的生產很困難，主要在于砂型、砂芯的制造和清理，采用復雜內腔結構和細長油道偏置1～3mm整體打印再鑲鑄的方法，很好地解決了內腔清理和缺陷問題。

3 應用案例

（1）模具 采用SLS、SLM技術制作的模具如圖1～圖4所示[10-12]。其中，圖1所示為采用SLS技術打印尼龍制成的砂鑄外型模具，圖2所示為采用SLS技術打印PS粉再浸滲樹脂制成的砂鑄芯盒模具，圖3和圖4所示為采用SLM技術直接打印耐熱鋼粉末材料制成的含復雜冷卻水道的塑料壓制模具。

圖1 尼龍模具

圖2 PS樹脂模具

圖3 金屬模具Ⅰ

圖4 金屬模具Ⅱ

（2）熔模鑄造用蠟模 采用SLS、SLA技術制作的蠟件如圖5、圖6所示[13]。其中，圖5所示為采用SLS技術打印的熔模PS粉蠟模，圖6所示為采用SLA技術打印的熔模光敏樹脂蠟模。

圖5 復雜缸蓋蠟模

圖6 光敏樹脂蠟模

（3）消失模鑄造模樣 采用3DP技術制作的EPS泡沫如圖7、圖8所示。

圖7 傳動箱EPS泡沫

圖8 排氣管EPS泡沫

（4）砂型打印 采用SLS、3DP技術制作的砂型和砂芯如圖9～圖11所示[14，15]。

圖9 變速箱零件砂型和砂芯一體化制造

圖10 排氣管打印砂型和砂型組裝

圖11 澆注后排氣管零件

4 工業級3D打印技術和鑄造技術融合配套應用

目前，3D打印技術已成功與砂型重力鑄造、砂型低壓鑄造、金屬型鑄造、熔模精密鑄造及消失模鑄造等多種鑄造方法相融合，行業相關企業正在探索其與真空增壓鑄造、差壓鑄造、石膏型鑄造，以及砂型與石膏型復合等多種鑄造方法進行融合應用，該技術可用于鋁合金、鑄鋼、鑄鐵、鑄鈦及鎳基合金等鑄件的快速生產。

目前，許多企業已經不再通過模具法獲得鑄件毛坯，紛紛選用成熟的3D打印加鑄造的方法完成鑄件毛坯生產，速度快、成本低，質量優勢明顯，使企業產生了強烈的依賴感。利用3D打印制造與零件復雜程度無關的特點，轉變了原有以制造為先的設計理念，有效地提高了零件的功能，零件的結構更加精致合理。采用工業級3D打印技術生產的鑄件如圖12～圖15所示。

圖12 缸蓋鑄件

圖13 缸體鑄件

圖14 鋁合金葉輪鑄件

圖15 合金鋼葉輪鑄件

5 結束語

綜上所述，3D打印與鑄造融合，突破了只能先模具后鑄造的瓶頸，解決了成本高和鑄造周期長的問題，加速了鑄造行業的發展，使繁雜的工序變得更加簡單，促進了傳統鑄造技術發生革命性改變，為快速發展個性化創新工廠、制造業升級提供了可能。3D打印與鑄造融合已大量應用于汽車、航空航天與兵器等技術開發密集型行業，并不斷延伸到其他各行業，其成功應用將推動制造業飛速發展。