增材制造让铸造简单化柔性化

（文章转载自《铸造》杂志2022年第10期/第71卷）

增材制造让铸造简单化柔性化——广东中立鼎智能科技有限公司致力于提升铸造企的柔性化生产

         王君衡，清华大学MBA，机电一体化专业，机电工程师、经济师、管理咨询师，在3D打印领域，获得国家专li30多项、发表专业论文多篇、主要参与团体标准编写3篇、主导或者主要参与研发项目多个、多次获得佛山市高新技术进步奖

未来中国，以大批量生产、低成本取胜的劳动密集型产业将不可避免地外迁到低劳动力成本地区。中国可以留下的就是小批量、定制化、附加值高的柔性制造产能。即如果中国能大规模地改造生产制造系统，使之都具备柔性化生产能力，那么就可以把更多的制造业留在中国。柔性化生产将成为制造业的核心竞争力，而作为制造业基础的铸造行业具备柔性化的创新生产方式也是大势所趋。

柔性化生产是指，在品质、交期、成本保持一致的条件下，生产线在大批量生产和小批量生产之间任意切换。增材制造技术可在无模具条件下直接制备铸造型（芯）、快速浇注复杂铸件。将增材制造与传统铸造技术相结合，打破了传统铸造工艺束缚，提高了铸造柔性，改善了铸造环境；可实现零件“自由铸造”，极大减少加工工序，缩短制造周期（图1）。欧美等国从20世纪90年代起开始研究增材制造技术在铸造领域的应用，同时期，中国的华中理工大学、清华大学、西安交通大学等也开始了快速铸造技术研究工作。

图1  3D打印技术简化了砂型铸件的生产流程

应用于铸造领域的增材制造技术主要包括喷射粘结成形（3DP）、激光选区烧结成形、光固化成形等。喷射粘结成形（即3DP，三维打印）技术，于1989年由麻省理工学院提出，从那时起就开始用于制备快速铸造所需的模样，清华大学在喷射粘结成形基础上较早提出了快速无模铸型制造技术（PCM）。喷射粘结成形工作原理是将粉体材料铺在工作台上，通过喷头把粘结剂以液滴的形式喷到选定区域，从而将粉末粘结在一起，打印完一层后工作台下降一个层厚，重复上述过程，打印完成后零件经过固化建立一定强度后进行清粉处理，zui后通过后处理即获得所需的构件。目前，喷射粘结成形可制备砂型（芯）、陶瓷型（芯）（图2），主要应用于砂型铸造、熔模铸造等领域。

图2  3D打印砂型

致力于智能制造——创建中立鼎公司

近几年，国内也涌现了一批智能制造的企业，2021年11月在佛山成立的广东中立鼎智能科技有限公司（以下简称中立鼎）就是这样一家公司。作为创始人之一的王君衡出身机电一体化专业，从事大型机电装备技术研发及制造二十多年，专注3DP技术应用研发多年，曾经主持主导研发第四代砂型3D打印机。2020年底，王君衡从一家3DP企业离职之后，牵头与分别来自机电、自动化、铸造和软件领域的其他几位合伙人共同创建了中立鼎。创始团队已经在3DP行业深耕多年，具有丰富的3D打印技术和数字化智能装备经验。

采用3DP技术的全新铸造砂型3D打印机的几大亮点

由于具有良好的技术基础，因此在中立鼎成立不到一年时间里，已经研发出全新的铸造砂型3D打印技术解决方案（图3）。王君衡表示：“中立鼎公司研发的砂型3D打印技术解决方案涵盖了从数字模型、砂型打印、砂型后处理、合箱浇注、铸造工艺应用、信息系统等全过程，全新设计的解决方案采用模块化单元设计，用户可以选择方案中的不同功能的设备，以满足自身的需求，并且所有的单元模块都是按照数字化智能化要求来设计的，既方便单机运行，也方便组成和升级数字化智能生产线。”

图3  砂型3D打印智能生产线鸟瞰图

中立鼎研发制造的全新铸造砂型3D打印机采用3DP技术，其有以下几大亮点：

（1）打印速度更快，打印效率更高，全系列规格的打印机每层打印时间为11~15s，领先同行40%；

（2）使用全新的墨水体系，发气量更低，铸件的毛坯质量更好；腐蚀性更小，喷头寿命经过实验测试指标提高了2.6倍多，使用维护成本更低；打印和浇注的时候墨水气味更小，更环保；

（3）打印机的使用维护成本更低，行业内有成本优势（同型号规格喷头数量消耗少）；

（3）砂型3D打印机的X轴、Y轴、铺砂轴的运动单元采用直线电机，运动精度更高，响应速度更快，使用维护更简单；砂型打印精度更高；

（4）手机APP推送砂型3D打印机的运行参数，可实现远程运行维护，现场无人值守，停机推送报警处理信息，操作使用智能化程度更高；    （5）拥有多年砂型3D打印丰富经验的专家团队精心设计，产品软件硬件自主研发，具有完全知识产权。

创立至今，已有授权商标7项，申请专li16项，其中发明专li已受理或实质审查的8项、实用新型已授权和受理的8项，软著3项。

中立鼎研发的砂型3D打印技术解决方案涵盖了从数字模型、砂型打印、砂型后处理、合箱浇注、铸造工艺应用等全过程，全新设计的解决方案采用模块化设计，并且核心功能指标大幅提高，效率更高，稳定性更可靠，可实现远程运行维护，现场无人值守。

选择3D打印机的建议

3D打印机的个性化功能

3D打印很重要的一个特点就是能够满足用户个性化、柔性化的需求，中立鼎研发的全新砂型3D打印机是按照柔性化原则来设计的，个性化功能丰富，并且也能接受客户的定制需求。如局部尺寸打印（大机小用），局部加密打印（局部细小结构加大打印强度）等等，虽然是个性化的功能，但有时对某些用户也是挺实用的。

3D打印机的生产批量

有一些用户是将砂型3D打印机作为生产装备，需要较大批量生产，多台打印机组合成生产线运行。有一些客户砂型3D打印机只是用来研发，做小批量或单件生产，那么只需要单台机器运行。中立鼎研发的全新砂型3D打印机，有高速版和plus版两个版本。高速版适合小批量单件生产特征，Plus版适合较大批量生产特征。并且采用模块化单元设计，用户可以选择方案中的不同功能的设备，以满足自身的需求，并且所有的单元模块都是按照数字化智能化要求来设计的，既方便单台装备运行，也方便与其他装备组成和升级数字化智能化生产线，还符合现代企业信息系统的要求。而且，即便是现在选用了高速版的方案，后续也能升级为数字化智能化生产线，更加符合柔性化需求。

砂型3D打印机的操作

砂型3D打印机操作是否方便也是选择砂型3D打印机应当考虑的要素之一。用工方面看，如果普通工人稍加培训就可以上岗，这样用工成本就低，还能解决用工难的问题；从砂型3D打印机的操作设置层面来说，能够实现快速选择和切换打印参数，其操作便利性就好。根据不同铸件的要求，快速切换打印参数，对于非制造厂家专业技术人员难度较大，调试也浪费时间和耗材。而中立鼎自主研发的CNL-3DP Control打印控制软件操作便捷，还有打印工艺参数配方功能，为铸造厂技术人员操作使用带来了极大的方便。

3D砂型打印机的规格

3D砂型打印机的规格即打印机的成型尺寸的选择必须提前测试。3D打印机规格选择太大了浪费，选择小了又不够用。铸造企业在购买3D砂型打印机前如果选择规格尺寸，中立鼎都会给出专业的建议。

（1）用户首先评估统计当前自身产品的品种以及几何尺寸大小，并且找出有代表性的产品，根据有代表性的产品铸件测算铸造砂型的几何尺寸大小，统计分析规律，寻找合适的打印机规格，也就是工作砂箱可打印砂型的zui大长、宽、高尺寸（成型尺寸）。

（2）从公司未来3~5年的战略发展考虑，评估公司可能会引入什么样的产品结构。相应的战略产品其产品的品种以及几何尺寸大小，并测算战略产品的铸造砂型的几何尺寸大小，寻找合适的打印机规格。

（3）如果尺寸较大的砂型只是个别现象，那么可以忽略不与考虑，因为不同规格的砂型3D打印机价格相差比较大，没必要浪费。个别较大尺寸的砂型发外加工即可。

（4）分析统计相关信息后，拟定计划购买3D砂型打印机的规格（成型尺寸），所选购的砂型3D打印机规格，工作砂箱成型空间（成型尺寸）要能涵盖自身企业绝大部分的产品。

3D打印机的打印效率

砂型3D打印机的打印效率是用户选择砂型3D打印机的重要考虑因素。在如何依据打印效率选择砂型3D打印机时，中立鼎会给用户更专业的建议。

打印速度决定了效率，效率决定产量，产量高还可以摊薄制造成本，打印效率高可以减少电费，加快生产交货进度，提高资金周转率等等。因此产量可以带来效益，所以打印机的打印速度、成型效率、运行稳定是选型的关键考量指标。用户在选择砂型3D打印机时，应当对比各制造厂家的打印参数包括：每层打印速度，每小时打印效率，满箱打印时间。

每层打印速度（秒/层），要评估砂型3D打印机的一整箱的平均每层打印速度，因为只有平均速度更快，才能确定打印机是否能够持续稳定运行，这个打印速度快才有意义。中立鼎自主研发的砂型3D打印机全系列规格，每层平均打印速度达到11~15 s，在行业内打印速度相当靠前。每小时打印效率（升/小时），要评估砂型3D打印机的打印层厚是多少。因为只有在打印相同的层厚时对比打印效率才有意义。满箱打印时间（小时/箱），同样也要评估砂型3D打印机的打印层厚是多少。因为只有在打印相同的层厚时对比满箱打印时间才有意义。另外，满箱打印时间短，说明中间待机时间短，效率更高，运行稳定性更好。

3D打印耗材成本

打印耗材成本直接影响用户的生产成本，生产成本往往决定企业的竞争力，如何依据打印耗材成本选择砂型3D打印机，中立鼎同样会给用户专业的建议。

（1）砂型3D打印机是否设计有兼容不同档次的耗材。从耗材的成本角度考虑，为了降低使用成本，打印机可以使用国产化的耗材，兼容不同档次的砂，是必然趋势。打印用砂基本分为两种，一种为天然硅砂，基本能满足通用铸造的中档和低档质量用砂要求；另一种为人造砂，比如：陶瓷砂、宝珠砂，对打印高档复杂产品的砂型建议使用。在满足铸件的质量前提下，选择低成本的砂材，直接关系到生产成本，有重大意义。

（2）砂型3D打印机在生产运行过程中切换不同的砂材是否操作方便。能够切换不同的打印材料，并且切换操作很方便，意味着生产成本更低，有经济价值。

（3）砂型打印机是否设计有节约耗材的功能。打印机能够节约耗材相当于也是为用户创造了价值。比如打印机是否具备以下功能：铺砂过程的余砂自动收集并在线循环使用（节约催化剂），旧砂回收重复利用，打印前铺砂打底的厚度小（准备作业用砂量小），局部区域打印功能（大机小用）等。如有类似上述节约耗材的功能设计，就能很好地解决砂和催化剂的回用，极大地降低了使用成本。中立鼎自主研发的砂型3D打印机功能丰富，可实现铺砂余砂全自动收集，在线循环使用；旧砂回收，过筛分选重复使用。

3D打印机的维护成本

砂型3D打印机的维护成本直接影响用户的使用成本，成本是企业的核心竞争力之一，因此，选择砂型3D打印机时，评估使用维护成本相当重要，也关系到企业的成本，甚至在评估阶段影响到企业是否敢用砂型3D打印机，中立鼎在如何依据维护成本选择砂型3D打印机给用户如下建议。

（1）砂型3D打印机目前打印头采用的是压电式喷头，打印头集成可以获得较宽幅面的喷射面积，虽然可以提高打印效率，但是喷头配置数量多，喷头的使用维护成本就高，单纯地增加喷头组数并不是一个很好的理想办法。用户选型时既要考虑打印效率，又要尽可能地降低使用维护成本。因此打印机制造厂家要提高设计技术水平，既要保证打印效率，又要能够降低使用维护成本，给用户一个双赢的选择。这就要求用户在评估时要看，同等规格的打印机，相同的喷头数量，看谁家的打印速度更快。

（2）砂型3D打印机zui大的使用维护成本是喷头，由于当前行业打印粘接剂以低氮或高氮呋喃为主，呋喃对喷头的兼容性当前技术条件下还不是很强，喷头寿命仍然是个难题。因此喷头使用寿命的长短是一个非常关键重要的指标，应当重点考虑谁家的喷头使用寿命更长。中立鼎研发的无氮呋喃腐蚀性小，具有延长喷头使用寿命的优势。还要评估砂型3D打印机其他易损易耗件，因为也关系到使用成本。

（3）还要评估砂型3D打印机是否是维修方便，故障率低。这个就要看具体的设计结构，了解常见的基本的维修保养是否维修操作方便，还要看具体的设计结构是否在设计时就不容易出故障等等。

中立鼎发展规划

在从事砂型3D打印之前，王君衡一直在陶瓷机械装备行业。创建中立鼎之后，他们不但要延续与砂型3D打印的情怀，还要将3DP技术扩展到陶瓷领域。中立鼎计划总投资1亿元，进行砂型及陶瓷3D打印技术的研发，目前公司规划分为两步走。

第1期投资预算3000万元，主要是研发制造砂型3D打印数字化技术解决方案，研究工业陶瓷3D打印机和卫生洁具陶瓷3D打印机。

第二期投资预算7000万元以上，主要是扩大陶瓷3D打印机在工业陶瓷领域和卫生洁具领域的应用，打造陶瓷3D打印数字化技术解决方案和柔性化生产线，以及3DP技术在其他多材料多领域的研究和应用。

让铸造简单化柔性化

我国的铸造企业两万多家，普遍规模较小，而且技术、设备和管理相对落后。通过3D打印技术可以大幅简化砂型铸件的生产流程，是砂型铸造行业发展趋势。而3D打印技术将持续赋能铸造行业，可帮助铸造业提升柔性化生产能力，中立鼎推出的3D打印机及其配套服务，将对中小型铸造企业的工艺柔性得到改造升级，使得企业具备小批量、定制化的柔性生产能力，从而提升企业的核心竞争力。

面对千亿砂型铸件市场，在新产品研发领域、复杂产品制造、小批量生产领域，以及高附加值产品领域，3D打印有效缩短研发周期，极大减少了各项费用的投入，具有极高的应用价值，其优势非常明显。而且，砂型3D打印在铸造上的应用工艺已经越来越成熟，无论国外与国内均有非常多的成功案例，其工艺可行性不需质疑。随着经济和技术的发展进步，中立鼎将与铸造行业一起推进我国制造业的转型升级。

                                                                                                                                          （潘继勇，pjy@foundryworld.com）