3D打印行業(yè)研究：“蠟型3D打印+熔模鑄造”技術(shù)路線(2)
時(shí)間：2023-03-15 10:29 來源：3D打印行業(yè)研究 作者：admin 閱讀：次
4、粘結(jié)劑噴射(BJ)
粘結(jié)劑噴射(BJ)是一種使用噴墨打印頭將粘結(jié)劑噴到粉末里，從而粉末粘合層層疊加的技術(shù)。其中，粘結(jié)劑噴射(BJ)技術(shù)中的砂型/蠟型3D打印技術(shù)在應(yīng)用場(chǎng)景中具備較突出的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。（后續(xù)章節(jié)詳細(xì)描述）
優(yōu)勢(shì)：
可選擇的材料種類很多，并且開發(fā)新材料的過程相對(duì)簡單。
適合制造一些使用激光或電子束燒結(jié)（或熔融）有難度的材料。
成型過程中不需要支撐。
常適合用于大尺寸的制造和大批量的零件生產(chǎn)。
可以得到高精度的零件。
劣勢(shì)：
直接制造金屬或陶瓷材料時(shí)的低密度問題。
整個(gè)制造流程耗時(shí)較長。
應(yīng)用領(lǐng)域：
航空航天、醫(yī)療、汽車、消費(fèi)等領(lǐng)域。
5、熔融沉積成形(FDM)
熔融沉積成形(FDM)是一種通過熔融噴頭將熔融材料熔化后擠出，在特定環(huán)境下和指定位置處完成沉積、冷卻凝固成型的技術(shù)。
優(yōu)勢(shì)：
成本低。
加工體積小巧。
操作簡單。
劣勢(shì)：
凝固成型的實(shí)體表面結(jié)合處會(huì)有明顯的裂紋。
結(jié)合強(qiáng)度不能保證。
應(yīng)用領(lǐng)域：
文化創(chuàng)意、消費(fèi)、教育、娛樂、醫(yī)療、電子、汽車、建筑等領(lǐng)域。
6、材料噴射成形(MJ)
材料噴射成形(MJ)是一種使用噴射出液體光聚合物液滴，并在紫外光的照射下固化成型的技術(shù)。
優(yōu)勢(shì)：
在不影響構(gòu)建速度的情況下生產(chǎn)多個(gè)零件。
零件具有非常光滑的表面，是制作美學(xué)原型的理想選擇。
可進(jìn)行全彩色和多材料打印。
劣勢(shì)：
成本較高。
打印部件的強(qiáng)度不高。
應(yīng)用領(lǐng)域：
醫(yī)療、消費(fèi)、工業(yè)工具、電子、汽車等領(lǐng)域。
7、薄材疊層(LOM)
薄材疊層(LOM)是一種使用激光光束對(duì)材料層進(jìn)行輪廓切割從而成型的技術(shù)。
優(yōu)勢(shì)：
制造成本低。
無需填充材料。
產(chǎn)品成型率高。
劣勢(shì)：
表面質(zhì)量較差。
材料利用率很低。
應(yīng)用領(lǐng)域：
汽車、機(jī)械設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療、通訊、制鞋等領(lǐng)域。
Chapter 4 ：砂型/蠟型3D打印簡介
1.砂型/蠟型3D打印簡介
（1）砂型3D打印
砂型3D打印技術(shù)，是粘結(jié)劑噴射(BJ)技術(shù)的一種。砂型3D打印的工作原理如圖所示：系統(tǒng)先在工作平臺(tái)上鋪一層砂料（預(yù)混好固化劑）；噴墨打印頭根據(jù)CAD數(shù)據(jù)生成的截面形狀在粉床上選擇性地噴出粘結(jié)劑（呋喃樹脂），打印出一個(gè)截面；工作臺(tái)面下降一個(gè)層厚（0.2~0.4mm）；系統(tǒng)重復(fù)鋪砂、噴粘結(jié)劑、下降一個(gè)層厚，層層堆疊，全部打印完畢，然后去除未黏結(jié)的浮砂，最后得到我們想要的砂型。
噴墨砂型3D打印原理示意圖
操作人員只需將鑄型三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)的控制電腦中，系統(tǒng)自帶的軟件會(huì)將三維數(shù)據(jù)自動(dòng)切片轉(zhuǎn)換為二維截面，利用噴墨打印頭打印出粘結(jié)劑將砂粒粘接在一起，層層疊加，直接生產(chǎn)砂型/芯。較傳統(tǒng)工藝，一是省略了制模環(huán)節(jié)，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期；二是可以直接制作任意復(fù)雜形狀的砂型，不受模具加工工藝限制；三是保證了砂型精度。結(jié)合合理的澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可大幅提高鑄件成品率，降低生產(chǎn)成本。據(jù)目前已實(shí)施的案例，采用砂型3D打印技術(shù)，可以使產(chǎn)品試制周期從3個(gè)月縮短至3周，從而大大增加開發(fā)迭代次數(shù)，顯著提高批量生產(chǎn)成品率和質(zhì)量，整個(gè)過程無需人工編程，操作簡單。同時(shí)由于目前該技術(shù)的成型尺寸最大達(dá)到4,000*2,000*1,000mm，對(duì)于中小尺寸的砂型一次可以制作幾百上千件，完全可以滿足小批量生產(chǎn)的要求。
（2）蠟型3D打印
蠟型3D打印設(shè)備與砂型3D打印相同，流程及技術(shù)相類似，區(qū)別為打印材料選為PMMA（有機(jī)玻璃）。在蠟型3D打印完成后，使用熔模鑄造工藝完成結(jié)構(gòu)件的制造。
主要流程如圖：
2、砂型/蠟型3D打印在應(yīng)用場(chǎng)景中的優(yōu)勢(shì)
（1）砂型3D打印給傳統(tǒng)鑄造帶來變革
砂型3D打印技術(shù)具備了解決鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的優(yōu)勢(shì)，適于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，也更適于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
砂型3D打印、傳統(tǒng)鑄造流程對(duì)比
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭和技術(shù)進(jìn)步，采用砂型3D打印技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)將逐步顯現(xiàn)，在500~1,000件的中小批量鑄件的生產(chǎn)上逐步替代傳統(tǒng)砂鑄工藝。由此將給國內(nèi)砂鑄行業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響，為鑄造行業(yè)提供一套非常有用的工具。
砂型3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用給傳統(tǒng)鑄造帶來顛覆性的變革，鑄件制造棄繁從簡，提質(zhì)增效，制造過程以人為本，綠色制造，為鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供示范作用，具體為：
縮短鑄造生產(chǎn)流程。鑄件工藝直接從三維圖形數(shù)據(jù)制造出復(fù)雜的砂型，變革了傳統(tǒng)使用模具、制型、造型、合箱的鑄造方法。
提高鑄件質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。此工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品精度高，砂型快速一體成形，大幅縮短了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期。
設(shè)計(jì)靈活，節(jié)約成本，降低制造難度。此工藝具有靈活的修改模型設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高產(chǎn)品精度，降低砂鐵比效果突出，特別適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。
以人為本，綠色鑄造，智能鑄造。大幅改善鑄造現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；機(jī)器換人，人力成本大幅下降；典型數(shù)字化制造，大幅提高鑄造生產(chǎn)的智能化水平。
鑄造3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對(duì)鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、鑄造智能制造及未來鑄造智能工廠的建設(shè)將產(chǎn)生變革性的意義，影響深遠(yuǎn)。
（2）“蠟型3D打印+熔模鑄造”有望解決我國商業(yè)衛(wèi)星輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件“卡脖子”問題
我國發(fā)布的“十四五規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)”明確提出“打造全球覆蓋、高效運(yùn)行的通信、導(dǎo)航、遙感空間基礎(chǔ)設(shè)施體系，建設(shè)商業(yè)航天發(fā)射場(chǎng)。”商業(yè)衛(wèi)星成為數(shù)字新基建的重要組成部分，發(fā)展前景明確。
SpaceX的星鏈計(jì)劃預(yù)計(jì)發(fā)射4萬多顆小衛(wèi)星，組成地球低軌道衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)，不僅具有獨(dú)特的民用價(jià)值，還伴隨無限想象的軍事應(yīng)用。我國于2021年專門成立了注冊(cè)資金達(dá)百億的中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)公司，計(jì)劃發(fā)射一萬多顆小衛(wèi)星，組建中國自己的“星鏈”。2021年我國共發(fā)射102顆衛(wèi)星（占比7.6%）。根據(jù)華泰研究測(cè)算未來商業(yè)衛(wèi)星需求，以星座規(guī)模16,451顆衛(wèi)星、組網(wǎng)周期7年為例，對(duì)衛(wèi)星發(fā)射需求進(jìn)行估算，未來七年國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星的年均需求約為2,350顆，衛(wèi)星產(chǎn)能缺口巨大。
航天載荷發(fā)射成本高昂，動(dòng)輒每公斤近萬美元，結(jié)構(gòu)件占衛(wèi)星整體比重為15%-20%，對(duì)于輕量化的需求最為迫切。除選擇輕質(zhì)材料外，主要依靠計(jì)算機(jī)輔助的拓?fù)鋬?yōu)化/點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等手段，來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)加工手段無法實(shí)現(xiàn)，需要依靠3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)。
目前我國制造該類結(jié)構(gòu)件的技術(shù)路線之一是使用金屬直接3D打印技術(shù)，該技術(shù)路線采用激光對(duì)金屬粉末進(jìn)行點(diǎn)狀燒結(jié)的方式，單機(jī)生產(chǎn)效率難以提升，由于成品率低導(dǎo)致的不能按時(shí)交付的情況屢屢出現(xiàn)，甚至大幅延長衛(wèi)星生產(chǎn)周期，無法滿足航班化發(fā)射的要求。以隸屬于中國航天科技集團(tuán)公司的中國空間技術(shù)研究院（航天五院）為例，受結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)效率限制，目前小衛(wèi)星生產(chǎn)能力遠(yuǎn)不能滿足每年1,000+以上的發(fā)射需求。另外，由于金屬直接3D打印技術(shù)路線的原理性限制，存在尺寸小（不大于800mm*800mm）的問題，商業(yè)衛(wèi)星的大尺寸結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)成本居高不下。
在此背景下，國內(nèi)有望解決商業(yè)衛(wèi)星“卡脖子”問題的3D打印公司加速崛起，其中包括湖州美邁科技有限公司、康碩電氣集團(tuán)有限公司和共享裝備股份有限公司。
Chapter 5 ：砂型/蠟型3D打印企業(yè)
1、湖州美邁科技有限公司
湖州美邁科技有限公司前身為蘇州美邁快速制造技術(shù)有限公司，蘇州美邁成立于2013年，是高新技術(shù)企業(yè)，多年來深耕3D打印工業(yè)化應(yīng)用。美邁科技主要采用混合3D打印技術(shù)（3D打印+精密金屬熱成型技術(shù)），與德國Voxeljet AG、德國MK-Technology GmbH、德國RWP GmbH、美國3D Systems、英國Blayson等世界知名企業(yè)合作，為航天航空、汽車制造、機(jī)械設(shè)備、兵工裝備、船用機(jī)械等領(lǐng)域提供大型復(fù)雜精密金屬零部件的單件、中小批量快速制造服務(wù)，是中國航天科技集團(tuán)公司五院、中國北方車輛研究所、安川電機(jī)等行業(yè)頭部企業(yè)供應(yīng)商。
目前，美邁科技聯(lián)合航天五院正在共同研發(fā)“鴻翼”項(xiàng)目，該項(xiàng)目屬于“我國小型衛(wèi)星研發(fā)項(xiàng)目”中的子項(xiàng)目，研發(fā)過程中，美邁科技成功實(shí)現(xiàn)采用快干制殼技術(shù)、“蠟型3D打印+熔模鑄造”工藝，制造小衛(wèi)星蒙皮點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鋁合金精鑄件，且整套工藝流程日趨成熟穩(wěn)定，近期，產(chǎn)品已經(jīng)順利通過航天五院驗(yàn)收，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件制造即將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，自此，美邁科技成為國內(nèi)首家采用此技術(shù)路線用于制造該產(chǎn)品的企業(yè)。
2、康碩電氣集團(tuán)有限公司
康碩電氣集團(tuán)有限公司成立于2010年9月，總部位于北京，是國家級(jí)專精特新小巨人企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)，是國內(nèi)關(guān)鍵零部件領(lǐng)域智能制造系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商。
康碩電氣專注于3D打印產(chǎn)業(yè)整體解決方案以及相關(guān)材料、應(yīng)用的開發(fā)，以行業(yè)應(yīng)用和工藝為先導(dǎo)，以設(shè)備和材料為核心，為客戶提供專業(yè)的3D打印系統(tǒng)解決方案，引進(jìn)國際砂型/蠟型3D打印技術(shù)，打造以3D工業(yè)云服務(wù)平臺(tái)、3D數(shù)字化生物醫(yī)療平臺(tái)、3D文化創(chuàng)意平臺(tái)、3D智慧化工業(yè)城市四大綜合性板塊為支撐的智慧化工業(yè)集團(tuán)。
3、共享裝備股份有限公司
共享裝備股份有限公司始建于1966年，總部位于銀川，主要從事高端裝備配套的關(guān)鍵零部件的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，提供工業(yè)級(jí)鑄造3D打印設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等智能制造裝備及智能制造服務(wù)等。
共享集團(tuán)研制出大尺寸高效率鑄造砂型3D打印設(shè)備，建成全球首個(gè)萬噸級(jí)鑄造砂型3D打印數(shù)字化工廠，顛覆多品種、小批量傳統(tǒng)砂型鑄造生產(chǎn)方式。通過“標(biāo)準(zhǔn)+示范”引領(lǐng)，建成4個(gè)基于鑄造砂型3D打印的數(shù)字化工廠，實(shí)現(xiàn)砂型鑄造無吊車、無模具、無重體力勞動(dòng)、無廢砂、恒溫的成形作業(yè)環(huán)境，改變了多品種小批量砂型鑄造生產(chǎn)方式，為50余家企業(yè)提供智能制造服務(wù)，推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
參考資料
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10.孫亮,石鑫.《3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展》
11.李瑞鋒,李客,周偉召.《激光金屬3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展》
12.張賽博,趙俊淞,李小海,高勝學(xué),丁興平.《金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展前景》
13.億渡數(shù)據(jù).《2022年中國3D打印行業(yè)短報(bào)告》
14.艾瑞咨詢.《中國3D打印行業(yè)報(bào)告》
15.艾迪智聯(lián).《2021年中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)研報(bào)告》
(責(zé)任編輯：admin)
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