3D打印行業研究：“蠟型3D打印+熔模鑄造”技術路線(2)
時間：2023-03-14 10:26 來源：3D打印行業研究 作者：admin 閱讀：次
（4）多射流熔融成形(MJF)
多射流熔融成形(MJF)是一種使用噴墨陣列，將熔融劑和細節劑沉積在粉末材料床中，然后將其熔合成固體層的技術。
優勢：
打印速度快。
與其他3D打印技術具備同樣的精度和強度。
劣勢：
設備的消耗成本居高。
制造過程中受到化學試劑的影響，打印零件顏色一般是多為灰色或黑色。
應用領域：
航空航天、醫療保健、汽車等領域。
2、激光近凈成形(LENS)
激光近凈成形(LENS)是一種利用激光束將機體金屬熔化后將不同成分、不同性能的金屬粉末送入熔池中熔化的技術。
優勢：
成型效率高。
金屬零件的致密度極高，可達100%。
進行金屬零件表面噴涂，結合強度高于傳統噴涂和電鍍工藝。
可以進行零件表面缺陷的修復。
劣勢:
零件的成型精度稍低。
零件需要后處理才能進一步提高精度。
應用領域：
航空航天、汽車、船舶等領域。
3、光固化成形(SLA)
光固化成形(SLA)是一種采用紫外波長的激光束對液態光敏樹脂進行掃描，液體自下而上逐層固化的技術。
優勢：
原材料利用率很高。
加工出的實體表面光滑，質量優異。
劣勢：
成本高，可利用的原材料十分有限。
打印出的實體在光照下也極易分解。
應用領域：
航空航天、工業制造、生物醫學、大眾消費、藝術等領域。
4、粘結劑噴射(BJ)
粘結劑噴射(BJ)是一種使用噴墨打印頭將粘結劑噴到粉末里，從而粉末粘合層層疊加的技術。其中，粘結劑噴射(BJ)技術中的砂型/蠟型3D打印技術在應用場景中具備較突出的價值和優勢。（后續章節詳細描述）
優勢：
可選擇的材料種類很多，并且開發新材料的過程相對簡單。
適合制造一些使用激光或電子束燒結（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。
可以得到高精度的零件。
劣勢：
直接制造金屬或陶瓷材料時的低密度問題。
整個制造流程耗時較長。
應用領域：
航空航天、醫療、汽車、消費等領域。
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，在特定環境下和指定位置處完成沉積、冷卻凝固成型的技術。
優勢：
成本低。
加工體積小巧。
操作簡單。
劣勢：
凝固成型的實體表面結合處會有明顯的裂紋。
結合強度不能保證。
應用領域：
文化創意、消費、教育、娛樂、醫療、電子、汽車、建筑等領域。
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。
優勢：
在不影響構建速度的情況下生產多個零件。
零件具有非常光滑的表面，是制作美學原型的理想選擇。
可進行全彩色和多材料打印。
劣勢：
成本較高。
打印部件的強度不高。
應用領域：
醫療、消費、工業工具、電子、汽車等領域。
7、薄材疊層(LOM)
薄材疊層(LOM)是一種使用激光光束對材料層進行輪廓切割從而成型的技術。
優勢：
制造成本低。
無需填充材料。
產品成型率高。
劣勢：
表面質量較差。
材料利用率很低。
應用領域：
汽車、機械設備、儀器儀表、醫療、通訊、制鞋等領域。
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，是粘結劑噴射(BJ)技術的一種。砂型3D打印的工作原理如圖所示：系統先在工作平臺上鋪一層砂料（預混好固化劑）；噴墨打印頭根據CAD數據生成的截面形狀在粉床上選擇性地噴出粘結劑（呋喃樹脂），打印出一個截面；工作臺面下降一個層厚（0.2~0.4mm）；系統重復鋪砂、噴粘結劑、下降一個層厚，層層堆疊，全部打印完畢，然后去除未黏結的浮砂，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據導入3D打印機的控制電腦中，系統自帶的軟件會將三維數據自動切片轉換為二維截面，利用噴墨打印頭打印出粘結劑將砂粒粘接在一起，層層疊加，直接生產砂型/芯。較傳統工藝，一是省略了制模環節，縮短了產品生產周期；二是可以直接制作任意復雜形狀的砂型，不受模具加工工藝限制；三是保證了砂型精度。結合合理的澆鑄系統設計，可大幅提高鑄件成品率，降低生產成本。據目前已實施的案例，采用砂型3D打印技術，可以使產品試制周期從3個月縮短至3周，從而大大增加開發迭代次數，顯著提高批量生產成品率和質量，整個過程無需人工編程，操作簡單。同時由于目前該技術的成型尺寸最大達到4,000*2,000*1,000mm，對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的要求。
（2）蠟型3D打印
蠟型3D打印設備與砂型3D打印相同，流程及技術相類似，區別為打印材料選為PMMA（有機玻璃）。在蠟型3D打印完成后，使用熔模鑄造工藝完成結構件的制造。
主要流程如圖：
2、砂型/蠟型3D打印在應用場景中的優勢
（1）砂型3D打印給傳統鑄造帶來變革
砂型3D打印技術具備了解決鑄造業轉型升級的優勢，適于工業領域的應用，也更適于實現產業化應用。
砂型3D打印、傳統鑄造流程對比
隨著市場競爭和技術進步，采用砂型3D打印技術的成本優勢將逐步顯現，在500~1,000件的中小批量鑄件的生產上逐步替代傳統砂鑄工藝。由此將給國內砂鑄行業帶來深遠的影響，為鑄造行業提供一套非常有用的工具。
砂型3D打印技術的產業化應用給傳統鑄造帶來顛覆性的變革，鑄件制造棄繁從簡，提質增效，制造過程以人為本，綠色制造，為鑄造行業的轉型升級提供示范作用，具體為：
縮短鑄造生產流程。鑄件工藝直接從三維圖形數據制造出復雜的砂型，變革了傳統使用模具、制型、造型、合箱的鑄造方法。
提高鑄件質量，提升生產效率。此工藝生產的產品精度高，砂型快速一體成形，大幅縮短了產品的研發和生產周期。
設計靈活，節約成本，降低制造難度。此工藝具有靈活的修改模型設計等優勢，對提高產品精度，降低砂鐵比效果突出，特別適用于內部結構復雜鑄件的生產。
以人為本，綠色鑄造，智能鑄造。大幅改善鑄造現場環境，降低工人勞動強度；機器換人，人力成本大幅下降；典型數字化制造，大幅提高鑄造生產的智能化水平。
鑄造3D打印技術的產業化應用對鑄造行業的轉型升級、鑄造智能制造及未來鑄造智能工廠的建設將產生變革性的意義，影響深遠。
（2）“蠟型3D打印+熔模鑄造”有望解決我國商業衛星輕質結構件“卡脖子”問題
我國發布的“十四五規劃和2035遠景目標”明確提出“打造全球覆蓋、高效運行的通信、導航、遙感空間基礎設施體系，建設商業航天發射場。”商業衛星成為數字新基建的重要組成部分，發展前景明確。
SpaceX的星鏈計劃預計發射4萬多顆小衛星，組成地球低軌道衛星通訊網絡，不僅具有獨特的民用價值，還伴隨無限想象的軍事應用。我國于2021年專門成立了注冊資金達百億的中國衛星網絡集團公司，計劃發射一萬多顆小衛星，組建中國自己的“星鏈”。2021年我國共發射102顆衛星（占比7.6%）。根據華泰研究測算未來商業衛星需求，以星座規模16,451顆衛星、組網周期7年為例，對衛星發射需求進行估算，未來七年國內市場對衛星的年均需求約為2,350顆，衛星產能缺口巨大。
航天載荷發射成本高昂，動輒每公斤近萬美元，結構件占衛星整體比重為15%-20%，對于輕量化的需求最為迫切。除選擇輕質材料外，主要依靠計算機輔助的拓撲優化/點陣結構等手段，來實現輕量化設計。由于結構復雜，傳統加工手段無法實現，需要依靠3D打印等先進制造技術。
目前我國制造該類結構件的技術路線之一是使用金屬直接3D打印技術，該技術路線采用激光對金屬粉末進行點狀燒結的方式，單機生產效率難以提升，由于成品率低導致的不能按時交付的情況屢屢出現，甚至大幅延長衛星生產周期，無法滿足航班化發射的要求。以隸屬于中國航天科技集團公司的中國空間技術研究院（航天五院）為例，受結構件生產效率限制，目前小衛星生產能力遠不能滿足每年1,000+以上的發射需求。另外，由于金屬直接3D打印技術路線的原理性限制，存在尺寸小（不大于800mm*800mm）的問題，商業衛星的大尺寸結構件生產成本居高不下。
在此背景下，國內有望解決商業衛星“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
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有限公司，蘇州美邁成立于2013年，是高新技術企業，多年來深耕3D打印工業化應用。美邁科技主要采用混合3D打印技術（3D打印+精密金屬熱成型技術），與德國Voxeljet AG、德國MK-Technology GmbH、德國RWP GmbH、美國3D Systems、英國Blayson等世界知名企業合作，為航天航空、汽車制造、機械設備、兵工裝備、船用機械等領域提供大型復雜精密金屬零部件的單件、中小批量快速制造服務，是中國航天科技集團公司五院、中國北方車輛研究所、安川電機等行業頭部企業供應商。
目前，美邁科技聯合航天五院正在共同研發“鴻翼”項目，該項目屬于“我國小型衛星研發項目”中的子項目，研發過程中，美邁科技成功實現采用快干制殼技術、“蠟型3D打印+熔模鑄造”工藝，制造小衛星蒙皮點陣結構的鋁合金精鑄件，且整套工藝流程日趨成熟穩定，近期，產品已經順利通過航天五院驗收，衛星結構件制造即將進入商業化應用階段，自此，美邁科技成為國內首家采用此技術路線用于制造該產品的企業。
2、康碩電氣集團有限公司
康碩電氣集團有限公司成立于2010年9月，總部位于北京，是國家級專精特新小巨人企業、高新技術企業，是國內關鍵零部件領域智能制造系統解決方案供應商。
康碩電氣專注于3D打印產業整體解決方案以及相關材料、應用的開發，以行業應用和工藝為先導，以設備和材料為核心，為客戶提供專業的3D打印系統解決方案，引進國際砂型/蠟型3D打印技術，打造以3D工業云服務平臺、3D數字化生物醫療平臺、3D文化創意平臺、3D智慧化工業城市四大綜合性板塊為支撐的智慧化工業集團。
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鍵零部件的研發、生產及銷售，提供工業級鑄造3D打印設備、工業機器人等智能制造裝備及智能制造服務等。
共享集團研制出大尺寸高效率鑄造砂型3D打印設備，建成全球首個萬噸級鑄造砂型3D打印數字化工廠，顛覆多品種、小批量傳統砂型鑄造生產方式。通過“標準+示范”引領，建成4個基于鑄造砂型3D打印的數字化工廠，實現砂型鑄造無吊車、無模具、無重體力勞動、無廢砂、恒溫的成形作業環境，改變了多品種小批量砂型鑄造生產方式，為50余家企業提供智能制造服務，推動行業轉型升級。
參考資料
1.金天拾.《3D打印在鑄造行業的應用》
2.華泰證券.《商業航天：關注衛星生產制造》
3.3D科學谷.《3D打印與航天研發與制造業白皮書》
4.倪耀源,金天拾,趙彬.《3D打印技術在批量生產中的應用》
5.沈達.《3D打印在鑄造領域的應用》
6.《華曙高科招股說明書》
7.楊永泉,劉文輝,金天拾.《噴墨砂型三維打印技術在發動機缸體試制上的應用》
8.顧波.《增材制造技術國內外應用與發展趨勢》
9.Wohlers Associates,Inc.《Wohlers Report 2022》
10.孫亮,石鑫.《3D打印技術的應用與發展》
11.李瑞鋒,李客,周偉召.《激光金屬3D打印技術的研究進展》
12.張賽博,趙俊淞,李小海,高勝學,丁興平.《金屬3D打印技術的應用與發展前景》
13.億渡數據.《2022年中國3D打印行業短報告》
14.艾瑞咨詢.《中國3D打印行業報告》
15.艾迪智聯.《2021年中國增材制造產業發展調研報告》
(責任編輯：admin)
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