3D打印行业研究：“蜡型3D打印+熔模铸造”技术路线(2)
时间：2023-03-14 10:26 来源：3D打印行业研究 作者：admin 阅读：次
（4）多射流熔融成形(MJF)
多射流熔融成形(MJF)是一种使用喷墨阵列，将熔融剂和细节剂沉积在粉末材料床中，然后将其熔合成固体层的技术。
优势：
打印速度快。
与其他3D打印技术具备同样的精度和强度。
劣势：
设备的消耗成本居高。
制造过程中受到化学试剂的影响，打印零件颜色一般是多为灰色或黑色。
应用领域：
航空航天、医疗保健、汽车等领域。
2、激光近净成形(LENS)
激光近净成形(LENS)是一种利用激光束将机体金属熔化后将不同成分、不同性能的金属粉末送入熔池中熔化的技术。
优势：
成型效率高。
金属零件的致密度极高，可达100%。
进行金属零件表面喷涂，结合强度高于传统喷涂和电镀工艺。
可以进行零件表面缺陷的修复。
劣势:
零件的成型精度稍低。
零件需要后处理才能进一步提高精度。
应用领域：
航空航天、汽车、船舶等领域。
3、光固化成形(SLA)
光固化成形(SLA)是一种采用紫外波长的激光束对液态光敏树脂进行扫描，液体自下而上逐层固化的技术。
优势：
原材料利用率很高。
加工出的实体表面光滑，质量优异。
劣势：
成本高，可利用的原材料十分有限。
打印出的实体在光照下也极易分解。
应用领域：
航空航天、工业制造、生物医学、大众消费、艺术等领域。
4、粘结剂喷射(BJ)
粘结剂喷射(BJ)是一种使用喷墨打印头将粘结剂喷到粉末里，从而粉末粘合层层叠加的技术。其中，粘结剂喷射(BJ)技术中的砂型/蜡型3D打印技术在应用场景中具备较突出的价值和优势。（后续章节详细描述）
优势：
可选择的材料种类很多，并且开发新材料的过程相对简单。
适合制造一些使用激光或电子束烧结（或熔融）有难度的材料。
成型过程中不需要支撑。
常适合用于大尺寸的制造和大批量的零件生产。
可以得到高精度的零件。
劣势：
直接制造金属或陶瓷材料时的低密度问题。
整个制造流程耗时较长。
应用领域：
航空航天、医疗、汽车、消费等领域。
5、熔融沉积成形(FDM)
熔融沉积成形(FDM)是一种通过熔融喷头将熔融材料熔化后挤出，在特定环境下和指定位置处完成沉积、冷却凝固成型的技术。
优势：
成本低。
加工体积小巧。
操作简单。
劣势：
凝固成型的实体表面结合处会有明显的裂纹。
结合强度不能保证。
应用领域：
文化创意、消费、教育、娱乐、医疗、电子、汽车、建筑等领域。
6、材料喷射成形(MJ)
材料喷射成形(MJ)是一种使用喷射出液体光聚合物液滴，并在紫外光的照射下固化成型的技术。
优势：
在不影响构建速度的情况下生产多个零件。
零件具有非常光滑的表面，是制作美学原型的理想选择。
可进行全彩色和多材料打印。
劣势：
成本较高。
打印部件的强度不高。
应用领域：
医疗、消费、工业工具、电子、汽车等领域。
7、薄材叠层(LOM)
薄材叠层(LOM)是一种使用激光光束对材料层进行轮廓切割从而成型的技术。
优势：
制造成本低。
无需填充材料。
产品成型率高。
劣势：
表面质量较差。
材料利用率很低。
应用领域：
汽车、机械设备、仪器仪表、医疗、通讯、制鞋等领域。
Chapter 4 ：砂型/蜡型3D打印简介
1.砂型/蜡型3D打印简介
（1）砂型3D打印
砂型3D打印技术，是粘结剂喷射(BJ)技术的一种。砂型3D打印的工作原理如图所示：系统先在工作平台上铺一层砂料（预混好固化剂）；喷墨打印头根据CAD数据生成的截面形状在粉床上选择性地喷出粘结剂（呋喃树脂），打印出一个截面；工作台面下降一个层厚（0.2~0.4mm）；系统重复铺砂、喷粘结剂、下降一个层厚，层层堆叠，全部打印完毕，然后去除未黏结的浮砂，最后得到我们想要的砂型。
喷墨砂型3D打印原理示意图
操作人员只需将铸型三维数据导入3D打印机的控制电脑中，系统自带的软件会将三维数据自动切片转换为二维截面，利用喷墨打印头打印出粘结剂将砂粒粘接在一起，层层叠加，直接生产砂型/芯。较传统工艺，一是省略了制模环节，缩短了产品生产周期；二是可以直接制作任意复杂形状的砂型，不受模具加工工艺限制；三是保证了砂型精度。结合合理的浇铸系统设计，可大幅提高铸件成品率，降低生产成本。据目前已实施的案例，采用砂型3D打印技术，可以使产品试制周期从3个月缩短至3周，从而大大增加开发迭代次数，显著提高批量生产成品率和质量，整个过程无需人工编程，操作简单。同时由于目前该技术的成型尺寸最大达到4,000*2,000*1,000mm，对于中小尺寸的砂型一次可以制作几百上千件，完全可以满足小批量生产的要求。
（2）蜡型3D打印
蜡型3D打印设备与砂型3D打印相同，流程及技术相类似，区别为打印材料选为PMMA（有机玻璃）。在蜡型3D打印完成后，使用熔模铸造工艺完成结构件的制造。
主要流程如图：
2、砂型/蜡型3D打印在应用场景中的优势
（1）砂型3D打印给传统铸造带来变革
砂型3D打印技术具备了解决铸造业转型升级的优势，适于工业领域的应用，也更适于实现产业化应用。
砂型3D打印、传统铸造流程对比
随着市场竞争和技术进步，采用砂型3D打印技术的成本优势将逐步显现，在500~1,000件的中小批量铸件的生产上逐步替代传统砂铸工艺。由此将给国内砂铸行业带来深远的影响，为铸造行业提供一套非常有用的工具。
砂型3D打印技术的产业化应用给传统铸造带来颠覆性的变革，铸件制造弃繁从简，提质增效，制造过程以人为本，绿色制造，为铸造行业的转型升级提供示范作用，具体为：
缩短铸造生产流程。铸件工艺直接从三维图形数据制造出复杂的砂型，变革了传统使用模具、制型、造型、合箱的铸造方法。
提高铸件质量，提升生产效率。此工艺生产的产品精度高，砂型快速一体成形，大幅缩短了产品的研发和生产周期。
设计灵活，节约成本，降低制造难度。此工艺具有灵活的修改模型设计等优势，对提高产品精度，降低砂铁比效果突出，特别适用于内部结构复杂铸件的生产。
以人为本，绿色铸造，智能铸造。大幅改善铸造现场环境，降低工人劳动强度；机器换人，人力成本大幅下降；典型数字化制造，大幅提高铸造生产的智能化水平。
铸造3D打印技术的产业化应用对铸造行业的转型升级、铸造智能制造及未来铸造智能工厂的建设将产生变革性的意义，影响深远。
（2）“蜡型3D打印+熔模铸造”有望解决我国商业卫星轻质结构件“卡脖子”问题
我国发布的“十四五规划和2035远景目标”明确提出“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系，建设商业航天发射场。”商业卫星成为数字新基建的重要组成部分，发展前景明确。
SpaceX的星链计划预计发射4万多颗小卫星，组成地球低轨道卫星通讯网络，不仅具有独特的民用价值，还伴随无限想象的军事应用。我国于2021年专门成立了注册资金达百亿的中国卫星网络集团公司，计划发射一万多颗小卫星，组建中国自己的“星链”。2021年我国共发射102颗卫星（占比7.6%）。根据华泰研究测算未来商业卫星需求，以星座规模16,451颗卫星、组网周期7年为例，对卫星发射需求进行估算，未来七年国内市场对卫星的年均需求约为2,350颗，卫星产能缺口巨大。
航天载荷发射成本高昂，动辄每公斤近万美元，结构件占卫星整体比重为15%-20%，对于轻量化的需求最为迫切。除选择轻质材料外，主要依靠计算机辅助的拓扑优化/点阵结构等手段，来实现轻量化设计。由于结构复杂，传统加工手段无法实现，需要依靠3D打印等先进制造技术。
目前我国制造该类结构件的技术路线之一是使用金属直接3D打印技术，该技术路线采用激光对金属粉末进行点状烧结的方式，单机生产效率难以提升，由于成品率低导致的不能按时交付的情况屡屡出现，甚至大幅延长卫星生产周期，无法满足航班化发射的要求。以隶属于中国航天科技集团公司的中国空间技术研究院（航天五院）为例，受结构件生产效率限制，目前小卫星生产能力远不能满足每年1,000+以上的发射需求。另外，由于金属直接3D打印技术路线的原理性限制，存在尺寸小（不大于800mm*800mm）的问题，商业卫星的大尺寸结构件生产成本居高不下。
在此背景下，国内有望解决商业卫星“卡脖子”问题的3D打印公司加速崛起，其中包括湖州美迈科技有限公司、康硕电气集团有限公司和共享装备股份有限公司。
Chapter 5 ：砂型/蜡型3D打印企业
1、湖州美迈科技有限公司
湖州美迈科技有限公司前身为苏州美迈快速制造技术有限公司，苏州美迈成立于2013年，是高新技术企业，多年来深耕3D打印工业化应用。美迈科技主要采用混合3D打印技术（3D打印+精密金属热成型技术），与德国Voxeljet AG、德国MK-Technology GmbH、德国RWP GmbH、美国3D Systems、英国Blayson等世界知名企业合作，为航天航空、汽车制造、机械设备、兵工装备、船用机械等领域提供大型复杂精密金属零部件的单件、中小批量快速制造服务，是中国航天科技集团公司五院、中国北方车辆研究所、安川电机等行业头部企业供应商。
目前，美迈科技联合航天五院正在共同研发“鸿翼”项目，该项目属于“我国小型卫星研发项目”中的子项目，研发过程中，美迈科技成功实现采用快干制壳技术、“蜡型3D打印+熔模铸造”工艺，制造小卫星蒙皮点阵结构的铝合金精铸件，且整套工艺流程日趋成熟稳定，近期，产品已经顺利通过航天五院验收，卫星结构件制造即将进入商业化应用阶段，自此，美迈科技成为国内首家采用此技术路线用于制造该产品的企业。
2、康硕电气集团有限公司
康硕电气集团有限公司成立于2010年9月，总部位于北京，是国家级专精特新小巨人企业、高新技术企业，是国内关键零部件领域智能制造系统解决方案供应商。
康硕电气专注于3D打印产业整体解决方案以及相关材料、应用的开发，以行业应用和工艺为先导，以设备和材料为核心，为客户提供专业的3D打印系统解决方案，引进国际砂型/蜡型3D打印技术，打造以3D工业云服务平台、3D数字化生物医疗平台、3D文化创意平台、3D智慧化工业城市四大综合性板块为支撑的智慧化工业集团。
3、共享装备股份有限公司
共享装备股份有限公司始建于1966年，总部位于银川，主要从事高端装备配套的关键零部件的研发、生产及销售，提供工业级铸造3D打印设备、工业机器人等智能制造装备及智能制造服务等。
共享集团研制出大尺寸高效率铸造砂型3D打印设备，建成全球首个万吨级铸造砂型3D打印数字化工厂，颠覆多品种、小批量传统砂型铸造生产方式。通过“标准+示范”引领，建成4个基于铸造砂型3D打印的数字化工厂，实现砂型铸造无吊车、无模具、无重体力劳动、无废砂、恒温的成形作业环境，改变了多品种小批量砂型铸造生产方式，为50余家企业提供智能制造服务，推动行业转型升级。
参考资料
1.金天拾.《3D打印在铸造行业的应用》
2.华泰证券.《商业航天：关注卫星生产制造》
3.3D科学谷.《3D打印与航天研发与制造业白皮书》
4.倪耀源,金天拾,赵彬.《3D打印技术在批量生产中的应用》
5.沈达.《3D打印在铸造领域的应用》
6.《华曙高科招股说明书》
7.杨永泉,刘文辉,金天拾.《喷墨砂型三维打印技术在发动机缸体试制上的应用》
8.顾波.《增材制造技术国内外应用与发展趋势》
9.Wohlers Associates,Inc.《Wohlers Report 2022》
10.孙亮,石鑫.《3D打印技术的应用与发展》
11.李瑞锋,李客,周伟召.《激光金属3D打印技术的研究进展》
12.张赛博,赵俊淞,李小海,高胜学,丁兴平.《金属3D打印技术的应用与发展前景》
13.亿渡数据.《2022年中国3D打印行业短报告》
14.艾瑞咨询.《中国3D打印行业报告》
15.艾迪智联.《2021年中国增材制造产业发展调研报告》
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