中國造出世界最大3D砂型印表機，猜一猜它究竟能幹啥？

出品| 網易新聞

作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生

　　「鑄成大錯」這個成語想必大家都並不陌生，它現在的意思是指造成嚴重的錯誤。然而，如果要追溯到這個詞的源頭，其實它是指鑄造成一把大銼刀的意思，而所謂的鑄造，則是金屬加工的方式之一，是將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄造空腔中，待其冷卻凝固後，獲得具有一定形狀、尺寸和性能金屬零件毛坯的金屬加工方法。

　　金屬的加工方式一共包含五種：鑄造、塑性成型、切削加工、焊接以及粉末冶金，其中歷史最悠久的就是鑄造。

　　傳統的砂型鑄造已經有6000多年的歷史，直到目前，砂型鑄造因成本低廉、操作簡單、對規模的限制少等優點，仍占所有鑄造件中的80%以上的數量，機床的床身等大型配件經常需要通過砂型鑄造來製造。可以說，鑄造一直都跟「大」有著千絲萬縷的聯繫。

　　而時下非常火熱的增材製造技術（常被稱為3D列印技術）則是一種製造原理的突破，它不需要任何專門的輔助工具，並且不受批量大小的限制，能夠直接從CAD三維模型快速地轉變為三維實體模型，而產品造價幾乎與零件的複雜性無關，特別適合於複雜的、帶有精細內部結構的零件製造，並且製造柔性極高，一台機器就可以用來製造各種各樣形狀的零件，而且隨著技術的進一步發展，零件精度也不斷提高。

　　那麼，如果將3D列印技術與傳統的金屬加工技術結合，會帶來什麼呢？讓我們從3D列印技術在鑄造行業中的應用說起。

（一）傳統砂型鑄造不光大，還傻、黑、粗

　　傳統的砂型鑄造是真的傻大黑粗，這四個字一字不落。

　　傻是說砂型鑄造過程需要消耗大量的人工。

　　就跟玩砂子（當然不是普通砂子）一樣，鑄造工人需要通過手去把一個個的模樣放進鑄造用的砂子里，壓實後再把模樣取出來，造好砂型，用來模仿零件的外形；緊接著，再通過芯盒捏一個砂芯出來，用來模仿零件的內腔，砂型和砂芯擺弄好就構成一個零件的形狀的腔體，最後把液體金屬澆進砂子組成的型腔里。

　　如果零件太大人搬不動的話，鑄造時就需要用車間里的天車幫忙吊裝……可以說，數控化、自動化技術發展到現在，砂型鑄造實現的自動化卻寥寥無幾。

　　「大」指的是相對其他幾種加工方法，因為鑄造便宜又不精密，砂型鑄造經常用來造一些較大的毛坯件，後續還要繼續精加工。

　　而「黑」則是因為工人的工作環境里充滿了黑泥和砂末粉塵，工作一天下來想乾淨都不行。

　　至於「粗」，由於鑄造的原理是金屬液體冷卻，金屬會經歷劇烈的狀態變化，體積發生收縮，另外砂型的精度也很難控制，為了在做砂型的時候方便把模樣取出來，還需要設計一些拔模斜度，造成製造不精密，是為「粗」。

（二）3D砂型列印讓操作簡單了，效率和精度卻提高了

　　而3D列印運用在鑄造中，就大大改觀了傳統砂型鑄造工藝繁複、自動化程度低、製造精度低的問題。

　　傳統砂型鑄造零件的結構越複雜，砂型製作的難度也會越複雜，這時候只有通過精巧的設計才能在不互相干涉的情況下拼出來一個需要的型腔進行鑄造，極度依賴工人的水平。

　　而3D列印則一層一層堆疊砂子，再通過噴嘴按照零件截面的形狀噴射樹脂（例如冷成型呋喃樹脂、酚醛樹脂等），就可以將砂子粘結在一起，通過反覆的鋪砂-選擇性噴射粘結用樹脂的操作，就實現了極為複雜的幾何結構，操作可謂簡單粗暴、毫不費腦。

　　並且，3D砂型列印技術製造模具不再需要製作模樣和芯盒，同時可以自動化、高精度地製造砂型，工藝周期被大大地縮短，降低了製造成本。

　　另外，它的出現也讓工人的勞動環境得到大大改善，勞動強度下降了很多，對工人的操作技能要求大大降低，但是生產效率卻得到提高，傻大黑粗的鑄造業變成了「窈窕淑女」。

　　這樣的技術極具美感，雖然少了手工業的匠人心意，但卻多了大工業的高效和精確之美。

（三）中國的3D砂型印表機：個頭大、效率高、成本低

　　由於上面提到的這些優勢，工使得業用的3D砂型印表機在鑄造行業裡面有極為廣闊的應用空間；但是之前的很多印表機的列印空間較小，無法列印大型砂型，從而不能用於鑄造如船舶、火車用內燃機的缸蓋、曲軸等大型零件。

　　而在中國實現自主研發之前，進口的3D砂型印表機極為昂貴，德國公司提供的列印空間為4米×2米×1米的3D砂型印表機，是當時世界上最大的機器，需要約230萬美元；另一家美國公司提供的大型工業用3D砂型印表機，列印空間為1.8米×1米×0.7米，也要花費130萬-150萬美元，成本昂貴不說，還不夠大。

　　所幸的是，2016年初，中國自主研製的砂型印表機通過測試並上線使用，這台機器是兩個工作箱同時造型，單個工作箱的列印空間達到了2.2米×1.5米×0.7米，售價為600萬人民幣，是目前世界上體積最大的砂型3D印表機。

　　在使用這款3D砂型印表機為中車製造機車發動機零件時，參與的人工數較傳統砂型鑄造方法降低了一半還多，發動機缸蓋零件的成品率從原來的60%左右提高到了95%。

（四）不止印表機，關鍵零部件和原材料也成功國產化

　　對於砂型印表機來說，鋪砂的質量好壞直接影響列印出的砂型的強度、表面質量以及砂型的尺寸精度等。其中，鋪砂器的兩個主要作用是均勻下砂和刮平下砂面。

　　國外同類產品中鋪砂器的刮砂板與砂面存在一定的間隙，如果鋪砂器行進不精確，刮砂板前堆積的砂子便會從縫隙中流落到之前刮過的砂面上，形成尺寸很小的「丘陵」，雖然肉眼無法直接識別，但這種情況對已列印出的砂型尺寸的精度及表面質量會產生影響。另外，現有技術中的鋪砂器由於下砂口固定，下砂量不方便調節，無法實現按砂子的型號及鋪砂實時需求調節出砂量。

　　而國產大型3D砂型印表機的鋪砂器克服了這些技術難關，通過巧妙設置二次刮砂板、將下砂口改為2-8mm區間可調，大大提高了列印產品的質量。

　　砂型印表機的另外一個重要組成是列印頭，它影響著產品的列印效率、列印質量等。

　　鑄造用列印設備列印的物件較大，單次噴墨列印行程長，完成一次往返列印任務的時間較長。由於列印物件是一層一層進行的，往往花費的列印時間漫長，甚至需要十幾、幾十個小時。同時，列印頭裝置自身的負重大，致使列印頭長時間運作後，容易發生形變，最終導致無法滿足列印精度的要求，影響產品列印質量。

　　上面提到的德國的3D砂型印表機為了讓列印頭的自重減少，不惜將其尺寸改小，需要兩次往複才能覆蓋整個列印空間，而這降低了列印效率。

　　而中國國產的列印頭，將噴嘴陣列化，單次列印的面積大，效率相應提高；通過優化供墨系統保證了列印的連續性；通過設置額外的調節拉伸裝置，在列印頭長期工作後進行方向的校準，保證了列印的精度。

　　除了設備的國產化，3D列印過程中用到的砂料也實現了自主研製，這些砂料並不是普通砂子，其粒度、酸耗值、微觀形態等都要滿足相應的列印需求，在不能實現自主研製之前，成本居高不下。

　　國產砂的替代，使得成本下降了三分之二，固化劑實現了自主研製，其成本下降到了原來的四分之一，國產樹脂也完全達到了列印需求。

結語

　　智能製造的浪潮席捲全球，以3D列印為代表的新型製造手段正在逐步進入普通的中國工廠，將傳統勞動密集型的製造過程改造的越來越智能、環保、高效，也提高了中國製造業在全球的競爭力。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

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編輯| 曹雪、史文慧