淺析3D打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

李洋 周穎 高菲

摘要：近年來，3D打印技術(shù)取得了較快的發(fā)展，并在各行各業(yè)中得到應(yīng)用。在重工業(yè)的鑄造行業(yè)中，3D打印技術(shù)也得到較大關(guān)注和重視，鑄造生產(chǎn)中3D打印的應(yīng)用越來越廣泛，例如，金屬在鑄造過程中容易出現(xiàn)不規(guī)律的質(zhì)量缺陷和不足，現(xiàn)代工業(yè)中的精細(xì)化產(chǎn)品鑄造生產(chǎn)的高質(zhì)量和精度要求，大型醫(yī)療器械主體架構(gòu)的鑄造成型的工藝難題，都可以通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用得到優(yōu)化和改善。通過分析目前3D打印的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀，可以預(yù)測未來無論是國內(nèi)還是國外，激光打印鑄型技術(shù)都將是鑄造領(lǐng)域的重大變革和發(fā)展方向之一。文章首先介紹了3D打印技術(shù)當(dāng)前階段的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了未來的應(yīng)用空間，再綜合3D打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用，對3D打印技術(shù)未來在鑄造領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);鑄造領(lǐng)域;鑄造成型;技術(shù)發(fā)展

1? 3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀況和應(yīng)用前景

3D打印技術(shù)是一種新興的可以實現(xiàn)快速成型的技術(shù)手段，它是在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)合金屬粉末粘合技術(shù)的應(yīng)用，可以通過逐層累加的方式，像蓋房子一樣搭建出符合數(shù)模的實體。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在模具研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在鑄造模具、模型的相關(guān)生產(chǎn)中也有一定程度的嘗試。在科技快速發(fā)展的今天，3D打印技術(shù)也逐漸走向成熟，在一些精度要求特別高或者經(jīng)濟(jì)附加值高的領(lǐng)域，已經(jīng)在大力推行3D打印技術(shù)的融合。早期的3D打印技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的融合一般是利用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)完成生產(chǎn)，在計算機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展后，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，在鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度也不斷加大。

1.1 3D 打印技術(shù)的主要應(yīng)用狀況分析

現(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在實踐中的應(yīng)用主要集中在三個方面：①在社會大眾的消費品方面，3D打印技術(shù)常用于工業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計和日用品的創(chuàng)意性開發(fā)生產(chǎn)過程，用于新模型的建立和個性化產(chǎn)品的定制，3D打印技術(shù)的系統(tǒng)化應(yīng)用，將工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)水平提高到一個較高的水平，滿足了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)要求的提高，精度等級的提高等，在工業(yè)原料的加工方面有著不可替代作用，例如，模具和模型的加工制造，通過3D打印技術(shù)的植入，縮短了制造周期，降低了成本的同時還提高了產(chǎn)品精度;在生活日用品方面，3D打印技術(shù)極大的提高了生產(chǎn)的個性化水平，滿足了現(xiàn)代人的訂制需求;②在工業(yè)產(chǎn)品制造過程中，例如，外形尺寸較大的金屬加工件或者是在精度要求方面有嚴(yán)苛要求的金屬零部件加工中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以滿足高精度乃至超高精度的要求，解決一些因為構(gòu)件外形尺寸多大造成的加工困難的問題;③3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域和生物工程中也逐漸得到較為廣泛的應(yīng)用，例如，醫(yī)療領(lǐng)域中的軟組織再造技術(shù)、牙齒復(fù)刻技術(shù)等，都是通過3D打印技術(shù)來完成的，此外，一些大型的醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)中也有3D打印技術(shù)應(yīng)用的影子。

1.2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景分析

就目前而言，3D打印技術(shù)還是一項象征著高水平的尖端科技，其技術(shù)水平的高低可以折射出一個國家或者地區(qū)的技術(shù)水平的層級。目前，歐美一些發(fā)達(dá)國家在3D打印技術(shù)方面的建樹已經(jīng)初具規(guī)模，軟件和技術(shù)方面均有不錯的發(fā)展，我國雖然在3D打印方面也進(jìn)行了研發(fā)并取得了初步的成果，但是在應(yīng)用方面還不成熟，尚不能滿足實踐生產(chǎn)提出的要求?，F(xiàn)階段，我國在3D打印技術(shù)方面的研發(fā)和應(yīng)用方面主要存在以下不足：①技術(shù)與市場銜接不暢，缺乏深度融合;②社會各界對3D打印技術(shù)的重視程度不夠。就目前而言，3D打印技術(shù)在我國的應(yīng)用方面，例如醫(yī)療和建筑相關(guān)方面，已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用示范，但就整個社會層面來說，3D打印技術(shù)的普及率較低，一些企業(yè)更傾向于選擇正在使用的傳統(tǒng)技術(shù)，一方面原因是傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用成本較低，另一方面是因為傳統(tǒng)技術(shù)與企業(yè)間已經(jīng)形成較好的磨合，企業(yè)對傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用得心應(yīng)手;目前我國在3D打印技術(shù)的材料應(yīng)用方面推廣欠缺。

2? 3D打印技術(shù)在整個鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

從3D打印技術(shù)出現(xiàn)到現(xiàn)在，該技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，在技術(shù)積累和生產(chǎn)實踐方面，都完成了一定深度的成就。在鑄造領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)也得到了較為成熟的應(yīng)用，例如，在鑄造模具的定制生產(chǎn)、砂型的成型制造以及金屬產(chǎn)品的直接打印方面，均可以看到3D打印技術(shù)的應(yīng)用;此外，由于3D打印技術(shù)可以修復(fù)產(chǎn)品在鑄造過程中出現(xiàn)的缺陷和不足，所以該技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用較為深入且廣泛。

2.1 3D打印技術(shù)在藝術(shù)鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，該技術(shù)在藝術(shù)品生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了較好的應(yīng)用。例如，我國一些從事藝術(shù)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的公司，融合了3D打印技術(shù)和雕塑加工，將3D打印技術(shù)引入到了藝術(shù)品鑄造領(lǐng)域。可以說，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，提高了該行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了藝術(shù)品鑄造的轉(zhuǎn)型，助力藝術(shù)品鑄造行業(yè)向著智能化、內(nèi)涵化的方向發(fā)展。

2.2 3D打印技術(shù)中激光立體成形技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平的提高，激光立體成形技術(shù)也引入了3D打印技術(shù)，并進(jìn)行了有機(jī)融合，兩種技術(shù)融合后，通過激光先融化金屬粉末，然后再通過3D打印機(jī)可以直接完成各種形狀、各種類型產(chǎn)品的精準(zhǔn)加工。3D打印激光立體成形技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)多種金屬的直接打印成形，且產(chǎn)品具有良好的精度和力學(xué)性能，可以滿足人們的多種使用需求。尤其是在航空鑄造領(lǐng)域，該技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用，可以對鈦合金結(jié)構(gòu)件完成加工制造和零件修復(fù)等工藝，并取得了良好的效果。在航空領(lǐng)域，由于其特殊的要求較多，各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，生產(chǎn)采購成本很高，通過借助3D打印技術(shù)與激光立體成形技術(shù)的融合，可以完成對航空構(gòu)件的有效修復(fù)，一方面降低了航空企業(yè)的維護(hù)成本，另一方面也使得3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍得到拓寬，提高該領(lǐng)域的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 3D打印技術(shù)在無模精密鑄型方面的應(yīng)用

就整個鑄造領(lǐng)域而言，無模精密鑄型是能夠完成快速成型的一項重要技術(shù)。當(dāng)前階段，3D打印技術(shù)正在無模精密鑄型生產(chǎn)過程中的應(yīng)用也較為陳述，現(xiàn)梳理該技術(shù)的應(yīng)用思路如下：首先，通過激光完成SLS的燒結(jié)。具體操作為：首先，使用覆膜砂，進(jìn)行多層的鋪粉，在鋪粉的過程中利用激光技術(shù)實現(xiàn)這些粉末的固化，進(jìn)而實現(xiàn)SLS的燒結(jié);其次，利用三維打印頭進(jìn)行粘結(jié)劑噴射。通過識別界面輪廓上的數(shù)據(jù)，使用兩個噴頭同時噴射粘結(jié)劑和催化劑，讓催化劑和粘結(jié)劑充分交聯(lián)，可以將砂型鑄造進(jìn)行涂層處理以滿足澆鑄需要;再者，借助三維打印的殼體鑄造技術(shù)，將陶瓷顆粒與硅酸鹽水溶液融合在一起，進(jìn)行殼型打印，需要注意的是，在進(jìn)行澆鑄操作前，要先進(jìn)行產(chǎn)品的充分焙燒。

3? 3D打印技術(shù)在整個鑄造領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢探究

在藝術(shù)鑄造領(lǐng)域方面，3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢為：從經(jīng)典鑄造生產(chǎn)模式向智能化制模方向過渡并延伸，所以，藝術(shù)鑄造領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的應(yīng)用需求量較大。3D打印技術(shù)在藝術(shù)品鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用，雖然目前還存在一定的不足和困難，但取得的成果也是豐碩的，未來還會有更加廣泛的機(jī)遇。例如，通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)模型和砂型鑄造的快速成形，從而加快了相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的研發(fā)速度，降低了鑄造過程中的綜合研發(fā)成本。此外，3D打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用可以降低產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的風(fēng)險，滿足外形尺寸較小的產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。同時，3D打印技術(shù)可以極大的降低高端鑄造零部件的殘次品發(fā)生率，并且可以完成不良產(chǎn)品的修復(fù)，特別是在一些大型的高端鑄造產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量缺陷時，可以直接使用3D打印技術(shù)完成整個構(gòu)件的全面修復(fù)，恢復(fù)其外形尺寸和性能水平，既降低了鑄件產(chǎn)品的不良率，又拓展了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍，降低了生產(chǎn)維護(hù)方面的成本。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用和推廣，需要3D打印機(jī)具備卓越的性能，但是由于技術(shù)、經(jīng)驗等方面因素的限制，目前尚不能實現(xiàn)大型鑄模產(chǎn)品的精準(zhǔn)打印和快速打印的零誤差。所以，為了提高3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍，需要提升3D打印機(jī)的性能水平，使其能夠滿足高效、快速的鑄模打印成形的需要;3D打印機(jī)方面的技術(shù)瓶頸突破后，必然會助力3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍向更加廣泛的方面延伸，未來，無論是在航空設(shè)備鑄件、高端大型零部件、精密鑄件等產(chǎn)品的鑄造生產(chǎn)過程中，還是在一些高端構(gòu)件的修復(fù)方面，3D打印技術(shù)都必將占有舉足輕重的地位。

4? 結(jié)語

一方面，在研發(fā)和消費的綜合影響下，鑄造產(chǎn)品的設(shè)計越來越趨于個性化，傳統(tǒng)的鑄造工藝已經(jīng)不能滿足要求，產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計可以通過3D打印技術(shù)在大企業(yè)內(nèi)部實現(xiàn)，3D打印技術(shù)依然成為高端鑄造生產(chǎn)工序以及高端鑄造產(chǎn)品形象的代名詞。甚至，美國和俄羅斯的一些軍工研發(fā)單位也在積極的推進(jìn)3D打印技術(shù)與武器設(shè)計生產(chǎn)工藝的結(jié)合和實踐，以期提高武器產(chǎn)品的制造精度和使用性能;博士、力士樂等知名跨國集團(tuán)也在嘗試將3D打印系統(tǒng)布置在鑄造廠內(nèi)，越來越多的世界級大型企業(yè)已經(jīng)著手將3D打印技術(shù)應(yīng)用到鑄造領(lǐng)域中，并取得了一定的成效。但是，目前我國大多數(shù)企業(yè)還未具備將3D打印技術(shù)與鑄造產(chǎn)業(yè)進(jìn)行融合的研發(fā)和設(shè)計能力，技術(shù)上對西方發(fā)達(dá)國家還存在較大的依賴性。所以，加大技術(shù)創(chuàng)新力度，推動3D打印與鑄造生產(chǎn)的融合，是我國鑄造領(lǐng)域升級轉(zhuǎn)型的重要方向。

另一方面，使用3D打印技術(shù)可以制成鑄型模具，使用該模具可以便捷、快速的實現(xiàn)鑄造鑄件的生產(chǎn)，且該方法綠色環(huán)保，符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展理念，在可持續(xù)性發(fā)展受到越來越多關(guān)注的今天，具有廣闊的發(fā)展空間。近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，并引導(dǎo)著鑄造生產(chǎn)工藝的改革。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，未來的鑄造生產(chǎn)必將向數(shù)字化、多功能化、綠色化的模式過渡，通過將3D打印技術(shù)和鑄造技術(shù)的深度契合，3D打印技術(shù)在重工業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)中的應(yīng)用也將推向新的高度。

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