何捷軍，楊建國，趙 龍

（共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

增材制造（又稱3D 打印）是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術(shù)，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分。與傳統(tǒng)的減材制造方式相比，增材制造擁有制造復(fù)雜物品、產(chǎn)品多樣化而不增加成本、無需組裝、零時間交付等眾多優(yōu)點，尤其適合制造形狀復(fù)雜、定制化、追求輕量化的零部件。

在我國產(chǎn)業(yè)升級的背景下，3D 打印技術(shù)得到國家層面的重視，尤其是2017 年12 月工信部等12 部門印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020 年）》，為我國的3D 打印行業(yè)發(fā)展提出了目標(biāo)及要求。目前，3D 打印行業(yè)正在逐步由導(dǎo)入期進(jìn)入成長期，新機(jī)器、新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用程序不斷推陳出新，已經(jīng)形成一條比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

1 3D 打印技術(shù)及優(yōu)勢

三維打印（3DP）是通過打印頭將粘結(jié)劑或某種膠加入到粉末中，更類似于噴墨打印機(jī)，代替紙的是粉末，而墨水是粘結(jié)劑，打印頭將粘結(jié)劑“印刷”在均勻平鋪的砂子上面。寧夏共享集團(tuán)自主研發(fā)的鑄造用工業(yè)級3DP 打印設(shè)備就是采用該技術(shù)，具體工作過程描述如下：將事先切好的截面圖片導(dǎo)入打印系統(tǒng)，打印開始后工作平臺先降低一個層厚，之后鋪砂系統(tǒng)鋪一層砂子，打印頭按照切好的圖片，在鋪平的砂面上噴射圖案，如此往復(fù)最終打印出所需砂芯。

由于3DP 技術(shù)固有的優(yōu)勢，給傳統(tǒng)鑄造行業(yè)帶來顛覆性的變革，已經(jīng)在悄然改變鑄造企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)“翻砂”車間變?yōu)榭照{(diào)工廠，使鑄件生產(chǎn)由復(fù)雜變簡單，生產(chǎn)周期縮短50%，尺寸誤差從原來的1mm 降到了0.5mm。生產(chǎn)效率提高約3～5 倍，成品率提高20%～30%，顛覆傳統(tǒng)砂型鑄造生產(chǎn)方式，鑄造實現(xiàn)“五無”：無吊車、無模型、無重體力、無廢砂及粉塵排放、無溫差（空調(diào)）。其優(yōu)勢表現(xiàn)如下：省去了傳統(tǒng)鑄造過程中的模具制造、制芯、造型等流程（如圖1 所示），3D 打印的一次成型大大提升了砂芯成型效率；傳統(tǒng)鑄造對于復(fù)雜零件難以成型，3D 打印對于任何復(fù)雜的形狀，只要能在三維軟件中設(shè)計就能輕易打印成型；3D 打印成型精度高，精度要求高的可控制在0.3mm 以內(nèi)，除此鑄造砂型3D 打印技術(shù)解放了人的高強(qiáng)度勞動，并且大大改善了鑄造環(huán)境?；谝陨蟽?yōu)勢，鑄造砂型3D 打印技術(shù)正在悄然改變著鑄造行業(yè)，使鑄件制造棄繁從簡，提質(zhì)增效，制造過程以人為本，對鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、鑄造智能制造及未來鑄造智能工廠的建設(shè)帶來快速的推動作用[1，2]。

圖1 3D 打印、傳統(tǒng)鑄造流程對比

2 3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

3D 打印經(jīng)過近40 年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都聚集了一批領(lǐng)先企業(yè)。大概可分為：上游的各種原材料、元器件及軟件供應(yīng)商，中游的3D 打印設(shè)備、技術(shù)及云平臺服務(wù)，以及側(cè)重終端應(yīng)用的下游，涉及航空航天、汽車、醫(yī)療、教育等眾多下游應(yīng)用領(lǐng)域。

上游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括3D 打印原材料、零部件及3D 打印配套軟件。針對3DP 技術(shù)，原材料主要為呋喃樹脂、酚醛樹脂以及硅砂、陶粒砂等。高端零部件依然主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)技術(shù)正在不斷突破，中低端供應(yīng)充足，但高端短缺，無形中增加了零部件采購的周期、成本，在一定程度上影響甚至左右3D 打印中、下游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。

中游產(chǎn)業(yè)鏈主要包括設(shè)備研發(fā)、制造商。目前，3D 打印設(shè)備仍以工業(yè)級占主流，是國內(nèi)3D 打印產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)值最大的環(huán)節(jié)，目前大約占整個行業(yè)總產(chǎn)值的40%，從國內(nèi)的3D 打印市場來看，技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)需求促進(jìn)了工業(yè)級噴墨砂型三維打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)出了多家產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，如寧夏共享、峰華卓立、廣州愛思凱等。中國市場正在快速增長，預(yù)計隨著技術(shù)的成熟，工業(yè)級3D 打印機(jī)的價格仍有較大的下降空間，性價比的逐步提高有利于下游產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)的應(yīng)用拓展。

下游產(chǎn)業(yè)鏈主要是3D 打印服務(wù)，隨著3D 打印行業(yè)的快速發(fā)展，3D 打印技術(shù)應(yīng)用場景將不斷拓展。延伸到各個細(xì)分的實際應(yīng)用方向，其中包括軍事、航天航空、醫(yī)療、汽車、機(jī)械設(shè)備制造及消費等領(lǐng)域均有所應(yīng)用，以制造業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。按照銷售規(guī)模排名，全球3D 打印產(chǎn)值在機(jī)械、消費電子、汽車、航空航天、醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用總體呈均衡分布的發(fā)展特征。

3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造工藝相結(jié)合，加快了航空航天、柴油發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域關(guān)鍵零件的開發(fā)與制造；3D 打印砂芯（如圖2 所示）是鑄件產(chǎn)品開發(fā)的最佳手段，是快速交貨的最佳保證，也是特定小批量生產(chǎn)的最佳經(jīng)濟(jì)方式；3D 打印與傳統(tǒng)模具制造工藝結(jié)合（如圖3 所示），能夠提高復(fù)雜模具的冷卻效率，減少產(chǎn)品缺陷，縮短制造周期，大幅降低制造成本[3，4]。

圖2 3D 打印砂芯

圖3 3DP 組合模具

透過產(chǎn)業(yè)分析，我們將圍繞材料及零部件供應(yīng)、軟件開發(fā)、設(shè)備制造、公共服務(wù)平臺幾個部分來解讀3D 打印產(chǎn)業(yè)價值鏈，這幾個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，為終用戶創(chuàng)造獨特價值，缺一不可。政府扶持3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也必須從全產(chǎn)業(yè)鏈入手，只有全產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮壯大，3D 打印產(chǎn)業(yè)才真正在中國落地生根。

3 3D 打印趨勢分析

3D 打印技術(shù)的發(fā)展正逐步縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，但在關(guān)鍵核心零部件依然依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約3D 打印技術(shù)的發(fā)展?；趪肄D(zhuǎn)型升級的號召，高污染、高強(qiáng)度的傳統(tǒng)鑄造行業(yè)實現(xiàn)綠色、智能鑄造更是迫在眉睫，鑄造砂型3D 打印技術(shù)及設(shè)備在其中就充當(dāng)關(guān)鍵作用。鑄造砂芯3D 打印的諸多優(yōu)勢，可以解決傳統(tǒng)鑄造行業(yè)里的疑難問題，該技術(shù)未來的發(fā)展會表現(xiàn)在如下幾個方面[5]。

（1）設(shè)備多元化發(fā)展。國內(nèi)的砂芯3D 打印機(jī)機(jī)型已趨于多樣化，出現(xiàn)了不同成型尺寸，不同效率，針對不同客戶群體需求的機(jī)型。寧夏共享根據(jù)市場的不同需求推出了多種機(jī)型，有雙箱的AJD 2500A、AJD 2200A，單 箱 的 AJS 2500A、AJS 1800A、AJS 800A 等。

（2）關(guān)鍵原材料、零部件及技術(shù)逐步國產(chǎn)化。隨著國內(nèi)鑄造砂芯3D 打印技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈前后端零部件及技術(shù)也正在崛起，如伺服控制、噴墨控制涉及到的零部件及技術(shù)，軟件應(yīng)用平臺及服務(wù)等都逐步成熟，并替代國外進(jìn)口，一改往日進(jìn)口零部件及軟件的壟斷地位。

（3）產(chǎn)業(yè)化需求旺盛。隨著轉(zhuǎn)型升級的推進(jìn)，綠色智能鑄造是越來越多企業(yè)的必經(jīng)之路，比如山東某公司已經(jīng)建立了數(shù)字化智能工廠，利用多臺鑄造砂型3D 打印機(jī)，并配以集中清砂系統(tǒng)、桁架抓取、立體庫等，從而實現(xiàn)鑄造產(chǎn)業(yè)的綠色智能化。同時在國內(nèi)各區(qū)域，都有不同的快速、高精度鑄造的需求，3D 打印的優(yōu)勢越來越凸顯，也被越來越多的鑄造企業(yè)所接受并應(yīng)用。

（4）降本增效。隨著鑄造砂型3D 打印技術(shù)的逐步發(fā)展，國外進(jìn)口設(shè)備的主導(dǎo)地位正一步步被削弱，再加上鑄造產(chǎn)業(yè)對于3D 打印的需求，用戶越來越關(guān)注打印設(shè)備的成本及打印效率，綜合考慮成本及效率，國內(nèi)各制造商已推出多種形式設(shè)備，單箱或雙箱，跟隨打印或傳統(tǒng)打印，單或多組噴頭，單臺或成線設(shè)備，以及配套的砂回收、液料回收等都是為了提升3D 打印的性價比。

（5）構(gòu)建鑄造砂型3D 打印系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)及工藝流程、規(guī)范。3D 打印技術(shù)正處于成長期，該行業(yè)還缺少系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)，不管是原材料、3D 打印工藝，還是3D 打印設(shè)備，都需要逐步規(guī)范，建立行業(yè)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)鑄造砂型3D 打印快速、健康發(fā)展。

4 結(jié)束語

本文介紹了3D 打印技術(shù)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用，通過對3D 打印技術(shù)給鑄造行業(yè)帶來的轉(zhuǎn)型與變革，結(jié)合該技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展，重點闡述了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的組成及發(fā)展現(xiàn)狀以及砂芯鑄造3D 打印在各行業(yè)的應(yīng)用，分析了鑄造砂型3D 打印未來的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)已經(jīng)建成并投產(chǎn)了多個鑄造領(lǐng)域的數(shù)字化智能工廠，3D 打印技術(shù)也正深深影響著傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，引領(lǐng)鑄造工廠向數(shù)字化、綠色化、智能化邁進(jìn)。