我国是铸造大国，2021年铸造产量达5130万吨，产业规模位居世界榜首。中国铸造协会数据统计显示，国内现有26000家铸造厂，其中砂型铸件的市场规模约1200亿元。但近年来行业发展面临重重困难，节能减排压力大、技术工人短缺、同质化竞争严重等问题凸显。为摆脱困境，企业投入大量资金进行新产品研发和技术改造，而随着经济发展增速放缓、人口红利衰减和综合成本上升，铸造行业产品附加值总体降低，产业转型升级的步伐放缓，亟待探明一条新的转型发展之路。传统的技术已经无法改变这个局面，亟需一种能为众多铸造企业“创新赋能”的新技术——以较低的成本、可预期的收益，构建企业产品技术从低端向中高端转换的“绿色通道”。
在这个背景下，3DP砂型打印技术（也称“粘结剂喷射砂型3D打印技术”）进入人们的视野，历经多年的发展和成熟，已经极具竞争力。本文中可以看到国产砂型3D打印设备出现在陕西省咸阳市一家民营铸造企业的生产线上，为他们的铸件产品赋予了“不对称竞争”的技术优势，成功进军高端铸件市场。
砂型铸造与锻造、挤压、焊接、铣削等金属加工工艺相比，是最为简约高效的金属成型技术之一，因此被广泛采用。传统砂型铸造主要采用模具翻制砂型或芯盒方式造型，需要制造木模或金属模具，制造模具耗时长、成本较高且存在风险，使得不少铸造企业在前期新产品开发时面临两难的选择——如果开了模具而拿不到订单，就会白白损失模具费。在这种情况下，除了新产品开发以外，一些小批量件、复杂件的需求也难以得到满足。另一方面，模具翻砂本身也有许多工艺短板，如为模具组装和脱模预留的装配余量和拔模斜度余量等，导致砂型铸造产品的加工去除量较大、尺寸误差偏高、铸造面光洁度较差等问题。因此，对质量要求更高的复杂铸件不得不放弃砂型铸造工艺，转而采用其他成本更高的替代工艺，例如压力铸造、精密铸造等。
3DP砂型打印技术的出现，可以很大程度上改变砂型铸造所处的不利境地。采用3DP砂型打印技术无需模具，直接打印砂型，可以用最少时间和最低成本完成新产品开发和中小批量产品交付。经过3DP工艺验证后，铸造工艺得以完善、合同顺利签订，再投入资金开模具进行大批量制造，可以节省大量模具投入。在质量方面，3DP砂型不受到模具翻砂工艺的制约，具有10微米级的高精度、复杂结构一体自由成型，部分铸铝件的铸造面精度可以和精密铸造媲美，同时也减少了装配误差造成的废品率，减少了工人劳动，综合经济效益十分显著。
近年来，在技术及市场需求的双重驱动下，我国3DP砂型打印技术发展迅速。国内领先的3D打印装备及制造服务提供商北京隆源自动成型系统有限公司（三帝科技旗下，简称“隆源成型”）自主开发并推出了AFS-J1600、AFS-J2100系列量产型设备，实现了15s以内/层的打印速度并通过了1000小时级设备稳定性测试，具有良好的打印精度和内在质量，面向铸铝、铸铁、铸镁、铸钢等应用需求，配套丰富的砂材体系及粘结剂材料体系。
图：隆源成型3DP砂型打印机AFS-J1600、AFS-J2100
陕西省武功县欣鑫有色金属铸造有限公司于2021年引进了两台隆源成型3DP砂型打印机用于砂型生产，现在已经完全替代了木模翻砂工艺。不仅节省了开模成本和时间，还避免了模具设计的不合理及修模造成的风险。生产效率大幅提高，尤其对于周期短、精度高、小批量的高附加值产品试制，能够更加得心应手地高质高效交付，成为一大竞争优势。
欣鑫铸造通过隆源成型3DP砂型打印机采用砂型快速铸造工艺为某车厂试制发动机缸体，由于缸体结构复杂，且壁厚较小，如果采用传统方法制作周期需要1个多月。3DP砂型打印设备制作的砂型，精度和强度较传统工艺均有很大提高，抗拉强度可达2MPa，铸件表面粗糙度低于Ra12.5，缺陷控制良好，无多肉、气孔、裂纹、夹渣，无表面缺陷及残缺。仅耗时10天交付灰铸铁（HT250）成品铸件，制作周期缩短了2/3，成本降低30%。
图：3DP砂型快速铸造发动机缸体
欣鑫铸造通过隆源成型3DP砂型打印机采用砂型快速铸造工艺为某新能源车企试制轻量化车架，如果采用传统方法制作，生产周期需要40天。采用3DP砂型打印快速铸造，最终成型铸件的尺寸精度达到CT7级，表面粗糙度低于Ra12.5μm，铸件表面无气孔、裂纹，形状完整、结构清晰。最终6天交付铝合金（ZL101）成品铸件，制作周期缩短85%，成本减少32%。
图：3DP砂型快速铸造新能源轻量化车架
欣鑫铸造负责人谭大为表示，现在订单多得做不过来，两台3DP砂型打印机24小时开机连轴运转，目前月打印20吨砂型的产能已远远满足不了巨大的市场需求。欣鑫铸造下一步将引进更多的3DP砂型打印机，实现月产能近百吨、年产值近亿元的目标。“如今各种复杂结构的产品我们都能生产，效率提升了2倍，成本降低了一半。同时，因为交货周期大幅缩短，产品的利润率也有很大提高，我们得到的是实实在在的效益。”在很多传统铸造企业还在因高耗能、高污染、产品精度达不到要求而面临转型困境的当下，欣鑫铸造已搭上3D打印绿色铸造的快车成功实现了突围。
综上，3DP砂型打印技术对于砂型性能、加工速度、成型尺寸等的优化提升具备明显优势，目前已成熟应用于铸造生产中，尤其适用于新品研发、复杂产品及小批量产品的生产。随着市场的进步以及对新产品开发速度与质量要求的逐渐提升，相信在未来几年，面对千亿级的砂型铸造市场，3DP砂型打印会占据越来越多的份额，助力中国铸造高质量发展。
【关于隆源成型】
北京隆源自动成型系统有限公司（Longyuan AFS Co.,Ltd.）为北京三帝科技股份有限公司（3D Printing Technology, Inc.）旗下企业。1994年即研制成功国内首台自主知识产权的商品化工业级3D打印设备——选区激光粉末烧结快速成型机，是中国最早实现工业级3D打印产业化、服务化的企业之一，是国家高新技术企业，中关村高新技术企业，海淀区创新企业，北京市专精特新企业，智能制造关键技术装备供应商。
隆源成型专注3D打印装备及制造服务，公司拥有近30年的3D打印服务经验，通过研究院、博士后工作站、工程技术中心“三位一体”的协同创新体系，提供坚实的技术保障。通过自主研发的SLS选区激光烧结、SLM选区激光熔化、3DP砂型打印、BJ喷墨金属打印、DED定向能量沉积等系列智能装备，通过分布全国的智造中心为用户提供砂型打印快速铸造、蜡型打印精密铸造、成品件快速试制、梯度金属3D打印等快速制造服务。逾千家设备、加工服务用户遍布航空航天、汽车、摩托车、轨道交通、船舶泵阀、机械制造、艺术铸造、金属加工等领域。
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