淺談基于3D 打印技術(shù)的鑄造系統(tǒng)

李 行，常 濤，田學(xué)智，衛(wèi)飛龍

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

我國鑄件產(chǎn)量從2000 年起超越美國已連續(xù)多年位居世界第一，鑄件年產(chǎn)值超過2 500 億元，鑄件產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/4，已成為世界鑄造生產(chǎn)基地。2021 年我國鑄件總產(chǎn)量已達(dá)3 960 萬t，產(chǎn)值超過4 000 億元，鑄造廠點約3 萬家，從業(yè)人員約200萬人。我國鑄造企業(yè)數(shù)量多，但企業(yè)的平均產(chǎn)量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家?，F(xiàn)有的鑄造系統(tǒng)，平均產(chǎn)量低、鑄件附加值低、從業(yè)人員隊伍龐大、鑄造工藝水平偏低，諸如上料、下料、運輸?shù)裙ぷ鞫夹枰斯とネ瓿?，自動化水平低，勞動力強度很大，鑄造效率低下。另外，有些企業(yè)鑄造設(shè)備的排布不合理，前一個工序到后一個工序需跨過其他工序，進(jìn)一步降低鑄造效率。3D 打印鑄造系統(tǒng)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)鑄造系統(tǒng)模式，可以實現(xiàn)鑄造過程高效率、高自動化，可用于黑色金屬件、鑄鋼件及有色合金件的鑄造，在航空航天、汽車制造、家用電器、模具開發(fā)及其他工業(yè)設(shè)計行業(yè)使用。通過校企合作和3D 打印技術(shù)及相關(guān)設(shè)備走進(jìn)高?；蛘呗殬I(yè)院校，可以使學(xué)生們充分了解先進(jìn)制造技術(shù)的突出優(yōu)勢與傳統(tǒng)加工技術(shù)的區(qū)別，并在一定程度上掌握、實際應(yīng)用該技術(shù)，對未來創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有實際意義。

1 3D 打印鑄造系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

圖1 所示為3D 打印鑄造系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，包括成型區(qū)（A）、熔煉澆注區(qū)（B）、砂處理區(qū)、精整區(qū)（C）和智能單元。3D 打印鑄造系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)鑄造效率低下的技術(shù)問題，自動化程度高，布局合理。

圖1 總體布局結(jié)構(gòu)示意圖

成型區(qū)包括若干3D 砂芯打印機，砂芯打印機前方設(shè)有桁架機器人，桁架機器人的下方依次設(shè)有工作箱緩存站、清砂站、浸涂池、微波烘干設(shè)備、組芯線和砂芯緩存庫；熔煉澆注區(qū)設(shè)置在砂芯緩存庫一側(cè)；砂處理區(qū)設(shè)置在熔煉澆注區(qū)；精整區(qū)設(shè)置在砂處理區(qū)，精整后的鑄件被送至噴漆線；物流單元包括重載AGV 和輕載AGV，重載AGV 進(jìn)行打印工作箱和芯包的轉(zhuǎn)運，輕載AGV 負(fù)責(zé)鑄件的搬運；自動化程度高，鑄造效率高。

熔煉澆注區(qū)包括用來煉鐵水的電爐和用來放置芯包的澆注工位，電爐的過道上設(shè)有自動澆注小車軌道和烤包器，扒渣和去雜質(zhì)后的鐵水包可自動澆注到芯包內(nèi)。澆注前壓箱機構(gòu)工作將砂芯壓緊定位，澆注后靜置完成后壓箱機構(gòu)返回原位置，AGV將澆注后的芯包轉(zhuǎn)運至冷卻區(qū)進(jìn)行冷卻，冷卻完成后AGV 將冷卻后的芯包轉(zhuǎn)運至精整區(qū)。

精整區(qū)包括振動落砂破碎、鑄件機械手、拋丸機、熱處理、噴漆線等設(shè)備。砂處理區(qū)包括翻箱機構(gòu)、振動落砂破碎系統(tǒng)。翻箱機構(gòu)將放好的芯包翻轉(zhuǎn)到落砂破碎處進(jìn)行破碎和落砂處理，破碎后的砂子通過篩分將可用砂發(fā)送到打印機集中供砂系統(tǒng)的回用砂庫中，不可用的廢砂發(fā)送到熱法再生砂庫，通過熱法再生設(shè)備將廢砂回收利用生成可以使用的砂子并發(fā)送到打印機集中供砂系統(tǒng)的再生砂庫中，再生砂庫和回收砂庫中的砂子通過集中供砂系統(tǒng)送至各個砂芯打印機的進(jìn)砂口進(jìn)行打印砂芯生產(chǎn)使用。鑄件機械手進(jìn)行鑄件的搬運和翻轉(zhuǎn)；噴漆線設(shè)置在拋丸室一側(cè)，噴漆線有出貨通道。拋丸機對破碎后的鑄件表面進(jìn)行清理，去除表面的毛刺、碎砂、雜質(zhì)等。熱處理設(shè)備用于改變鑄件的性能。噴漆線將檢測合格的鑄件噴漆防銹處理。

通過桁架機器人實現(xiàn)砂芯的自動抓取、清砂、浸涂和組芯，桁架機器人結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括橫向移動機構(gòu)和支撐組件，支撐組件包括結(jié)構(gòu)相同的立柱，均固定在地基上；橫向移動機構(gòu)包括橫向支撐塊，立柱固定支撐座，橫向支撐塊做水平直線運動，水平移動機構(gòu)上設(shè)有在豎直方向做直線運動的豎直移動機構(gòu)，豎直移動機構(gòu)設(shè)有可轉(zhuǎn)動的夾緊機構(gòu)，夾緊機構(gòu)可將砂芯夾緊。

圖2 桁架機器人結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 鑄造系統(tǒng)的工作流程

3D 打印成形工作流程如圖3 所示，通過砂集中供應(yīng)和液料集中供應(yīng)系統(tǒng)提供砂子和液料，砂芯打印機打印出砂芯，砂芯在打印工作箱內(nèi)，各個砂芯打印機打印后的打印工作箱放置在砂箱轉(zhuǎn)運AGV上依次緩存至砂箱緩存線上，緩存后由砂箱轉(zhuǎn)運AGV 轉(zhuǎn)運至清砂站上，桁架機器人對砂芯進(jìn)行抓取，桁架機器人抓取砂芯后帶動砂芯依次進(jìn)行自動清砂、自動浸涂、微波烘干，微波烘干后的砂芯通過桁架機器人在組芯線上完成自動組芯，組芯后的砂芯稱為芯包，芯包置于轉(zhuǎn)運托盤上；組芯后再由砂芯轉(zhuǎn)運AGV 將轉(zhuǎn)運托盤轉(zhuǎn)運至熔煉澆注區(qū)，轉(zhuǎn)運托盤也可由桁架機器人將其搬運至砂芯立體庫上進(jìn)行緩存。

圖3 3D 打印成形工作流程

組芯后的砂芯運轉(zhuǎn)至熔煉澆注區(qū)，澆注機系統(tǒng)將熔煉好的鐵水澆注到芯包內(nèi)。澆注工作流程如圖4 所示，芯包澆注鐵水前壓箱機構(gòu)工作對芯包進(jìn)行壓箱定位，澆注鐵水后的芯包放置在芯包托盤上，砂芯轉(zhuǎn)運AGV 將芯包托盤轉(zhuǎn)運至砂芯處理區(qū)，砂芯處理區(qū)對芯包進(jìn)行落砂處理，落砂后的砂子進(jìn)行砂再生，砂再生后可發(fā)送至砂芯打印機內(nèi)以實現(xiàn)砂子的回收利用。

圖4 澆注機及壓箱機工作流程

落砂工作流程如圖5 所示，落砂處理后的為鑄件，砂芯轉(zhuǎn)運AGV 將芯包托盤轉(zhuǎn)運至精整區(qū)。

圖5 砂處理工作流程

砂芯轉(zhuǎn)運AGV 實現(xiàn)鑄件在精整區(qū)的轉(zhuǎn)運工作。精整工作流程如圖6 所示。AGV 轉(zhuǎn)運芯包至翻箱機上，翻箱機自動翻箱使芯包進(jìn)入落砂區(qū)進(jìn)行砂處理，砂處理后的鑄件通過機械手依次進(jìn)行時效、拋丸、精整處理，處理后的鑄件進(jìn)行表面處理，通過叉車轉(zhuǎn)運至噴漆房依次對鑄件進(jìn)行噴漆、烘干，鑄件加工完成。

圖6 精整工作流程

上述3D 打印鑄造系統(tǒng)以鑄造工藝集成設(shè)計為龍頭，以成型智能單元、熔化澆注智能單元、精整智能單元和物流智能單元為支撐，形成具有完善的PLM、LIMS、TDM（全面數(shù)字化管理）平臺，建立實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和專家知識庫，通過數(shù)據(jù)分析、推理，利用物聯(lián)網(wǎng)/ERP/LIMS/VCS/智能單元等系統(tǒng)的無縫高效集成，對設(shè)備、安全環(huán)境、生產(chǎn)、質(zhì)量、成本的全過程監(jiān)控，實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計、仿真分析、制造數(shù)控化；采用多種實時傳感系統(tǒng)、測控設(shè)備、3D 打印技術(shù)、機械手、AGV 與立體庫結(jié)合的智能物流系統(tǒng)、工業(yè)信息安全防護(hù)等智能裝備，實現(xiàn)制造過程的自動化和網(wǎng)絡(luò)化、物流采集信息化、物料傳送自動化，為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級樹立示范和經(jīng)驗。

1.3 技術(shù)路線

如圖7 所示，3D 打印鑄造系統(tǒng)按照設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層的五層架構(gòu)設(shè)計，以鑄造工藝集成設(shè)計為龍頭，與PLM、ERP、MES、LIMS、VCS、智能單元等系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了從材料采購、工藝設(shè)計到生產(chǎn)過程、車間管理等全面集成的數(shù)字化管理：

圖7 鑄造系統(tǒng)技術(shù)路線

1）感知層：增加影響質(zhì)量、生產(chǎn)、設(shè)備、安全等因素較大的設(shè)備、傳感器，進(jìn)行現(xiàn)場狀態(tài)或環(huán)境感知：如測量距離、位置、位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、電參數(shù)、溫度、壓力、差壓、流量、物位、環(huán)境、稱重、金屬成分檢測等的傳感儀表，以及執(zhí)行器（如中間繼電器、接觸器、電機調(diào)速系統(tǒng)、電機伺服系統(tǒng)、氣壓及液壓系統(tǒng)等傳動與執(zhí)行裝置）的狀態(tài)或參數(shù)反饋。

2）設(shè)備層：通過PLC 及其配套模塊、以太網(wǎng)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊，將現(xiàn)場開關(guān)量、模擬量、脈沖量、通信量等不同接口與協(xié)議的數(shù)據(jù)采集后，轉(zhuǎn)換為實際物理量，進(jìn)行邏輯分析與計算。其自動控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線，在執(zhí)行從專家管理系統(tǒng)下發(fā)的命令與參數(shù)的同時，反饋實時物理量參數(shù)，配合實現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。

3）控制層：通過專家管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)生產(chǎn)單元的全過程控制。專家管理系統(tǒng)軟件向上與ERP、MES、PLM、LIMS、VCS、智能單元等系統(tǒng)集成，引入生產(chǎn)計劃、維保計劃、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、專家知識庫等信息，并向MES 系統(tǒng)反饋設(shè)備、生產(chǎn)、成本、質(zhì)量、綠色、人員等六維信息；向下與底層設(shè)備及功能部件集成，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工藝與參數(shù)執(zhí)行現(xiàn)場作業(yè)，同時采集六維數(shù)據(jù)，與專家知識庫設(shè)定值實時比對，優(yōu)化決策后閉環(huán)調(diào)整控制。

4）管理層：主要通過管理系統(tǒng)軟件、MES 系統(tǒng)與其他信息管理系統(tǒng)的雙向集成實現(xiàn)。ERP、MES、VCS、LIMS、智能單元等信息管理系統(tǒng)提供關(guān)于現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)需要的計劃、BOM 清單、工時定額、工藝標(biāo)準(zhǔn)及檢測結(jié)果等信息，并接受專家管理系統(tǒng)軟件的設(shè)備、生產(chǎn)、成本、質(zhì)量、綠色、人員等六維物理信息反饋。

5）決策層：決策層軟件將管理層和控制層信息通過分類、匯總后，形成中間數(shù)據(jù)庫，然后按照不同管理主體要求，進(jìn)行對應(yīng)KPI 信息展示，指導(dǎo)、輔助企業(yè)管理人員作出客觀決策。

1.4 技術(shù)特點

3D 鑄造打印系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點：

1）采用3D 打印等快速成形技術(shù)，縮短鑄造工藝流程。

2）采用先進(jìn)的3D 打印技術(shù)，重新構(gòu)建了鑄造工藝流程，取締傳統(tǒng)模樣制造工序，建立基于3D 打印環(huán)境下的鑄造用原輔材料標(biāo)準(zhǔn)、成形工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3）能夠有效降低新產(chǎn)品開發(fā)周期，大幅提升鑄件的內(nèi)在和表面質(zhì)量、能夠讓綜合能耗達(dá)到國際鑄造先進(jìn)水平。

4）采用工藝集成設(shè)計+仿真分析+智能生產(chǎn)+全面數(shù)字化管理集成理念和技術(shù)，建立多品種、小批量鑄件高效鑄造新模式；

5）打造基于3D 打印鑄造系統(tǒng)的智能工廠，全球領(lǐng)先。

6）本鑄造系統(tǒng)中主要設(shè)備和軟件可實現(xiàn)100%國產(chǎn)化、關(guān)鍵設(shè)備數(shù)控化率100%、關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動采集率100%.

7）“五無”生產(chǎn)——無吊車、無模型、無重體力勞動、無廢砂及粉塵排放、無溫差（空調(diào)環(huán)境）。

8）高性價比——對比傳統(tǒng)鑄造，3D 打印鑄造系統(tǒng)建設(shè)成本下降20%以上，運營成本下降30%以上。

9）綠色、安全生產(chǎn)——實施全流程綠色（虛擬）制造；構(gòu)建安全生產(chǎn)“1+1+1”治理體系，自創(chuàng)數(shù)字化（EHSI）安全管理系統(tǒng)，創(chuàng)新應(yīng)用先進(jìn)裝備和技術(shù)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)由“人管”變?yōu)椤皵?shù)控”。嚴(yán)守生態(tài)環(huán)保“紅線”和安全生產(chǎn)“底線”。

10）多項變革創(chuàng)新——自創(chuàng)VCS 全流程設(shè)計，持續(xù)提升質(zhì)量；成形、熔煉、精整智能單元管控制造過程；集中管控砂子質(zhì)量及統(tǒng)一混砂供砂；新型壓箱卡箱工藝，降低砂鐵比；智控中心、電腦端、手機端管控生產(chǎn)經(jīng)營。

1.5 市場前景分析

中國鑄造目前年產(chǎn)量4 500 萬噸，適合3D 打印的多品種、小批量的鑄件占比約60%，即2 700 萬t，按照單臺鑄造3D 打印設(shè)備年產(chǎn)鑄件1 000 t，3D 打印設(shè)備市場需求量為27 000 臺套，3D 打印設(shè)備（包括遠(yuǎn)程運維等服務(wù)），市場需求總金額約為1 800 億元。

中國目前有鑄造企業(yè)大約2.6 萬家，預(yù)計未來將會縮減到1 萬家，其中6 000 家將會實施智能化改造。按照單個鑄造智能工廠年產(chǎn)5 000 t 產(chǎn)能設(shè)計，每個鑄造智能工廠固定資產(chǎn)投資6 000 萬元，鑄造智能工廠（包括遠(yuǎn)程運維等服務(wù)）市場需求總金額約為4 700 億元。

中國鑄造及相關(guān)配套企業(yè)主要是以中小企業(yè)為主，鑄件及配套設(shè)備、材料、服務(wù)等市場規(guī)模約為8 000 億元。

2 結(jié)論

本文所闡述的3D 打印鑄造系統(tǒng)，經(jīng)過實際項目的驗證，使用效果較好，自動化程度高。3D 打印鑄造系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，簡化了造型工藝，大幅縮短了生產(chǎn)周期，降低了鑄件制造成本，有效提高了新產(chǎn)品研發(fā)效率，可在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量要求高、單件小批量鑄件制造領(lǐng)域進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用。