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隆源成型3DP砂型打印助力中國鑄造
2022/5/28
我國是鑄造大國,2021年鑄造產量達5130萬噸,產業規模位居世界榜首。中國鑄造協會數據統計顯示,國內現有26000家鑄造廠,其中砂型鑄件的市場規模約1200億元。但近年來行業發展面臨重重困難,節能減排壓力大、技術工人短缺、同質化競爭嚴重等問題凸顯。為擺脫困境,企業投入大量資金進行新產品研發和技術改造,而隨著經濟發展增速放緩、人口紅利衰減和綜合成本上升,鑄造行業產品附加值總體降低,產業轉型升級的步伐放緩,亟待探明一條新的轉型發展之路。傳統的技術已經無法改變這個局面,亟需一種能為眾多鑄造企業“創新賦能”的新技術——以較低的成本、可預期的收益,構建企業產品技術從低端向中高端轉換的“綠色通道”。

在這個背景下,3DP砂型打印技術(也稱“粘結劑噴射砂型3D打印技術”)進入人們的視野,歷經多年的發展和成熟,已經極具競爭力。本文中可以看到國產砂型3D打印設備出現在陜西省咸陽市一家民營鑄造企業的生產線上,為他們的鑄件產品賦予了“不對稱競爭”的技術優勢,成功進軍高端鑄件市場。

砂型鑄造與鍛造、擠壓、焊接、銑削等金屬加工工藝相比,是最為簡約高效的金屬成型技術之一,因此被廣泛采用。傳統砂型鑄造主要采用模具翻制砂型或芯盒方式造型,需要制造木?;蚪饘倌>?,制造模具耗時長、成本較高且存在風險,使得不少鑄造企業在前期新產品開發時面臨兩難的選擇——如果開了模具而拿不到訂單,就會白白損失模具費。在這種情況下,除了新產品開發以外,一些小批量件、復雜件的需求也難以得到滿足。另一方面,模具翻砂本身也有許多工藝短板,如為模具組裝和脫模預留的裝配余量和拔模斜度余量等,導致砂型鑄造產品的加工去除量較大、尺寸誤差偏高、鑄造面光潔度較差等問題。因此,對質量要求更高的復雜鑄件不得不放棄砂型鑄造工藝,轉而采用其他成本更高的替代工藝,例如壓力鑄造、精密鑄造等。

3DP砂型打印技術的出現,可以很大程度上改變砂型鑄造所處的不利境地。采用3DP砂型打印技術無需模具,直接打印砂型,可以用最少時間和最低成本完成新產品開發和中小批量產品交付。經過3DP工藝驗證后,鑄造工藝得以完善、合同順利簽訂,再投入資金開模具進行大批量制造,可以節省大量模具投入。在質量方面,3DP砂型不受到模具翻砂工藝的制約,具有10微米級的高精度、復雜結構一體自由成型,部分鑄鋁件的鑄造面精度可以和精密鑄造媲美,同時也減少了裝配誤差造成的廢品率,減少了工人勞動,綜合經濟效益十分顯著。

近年來,在技術及市場需求的雙重驅動下,我國3DP砂型打印技術發展迅速。國內領先的3D打印裝備及制造服務提供商北京隆源自動成型系統有限公司(三帝科技旗下,簡稱“隆源成型”)自主開發并推出了AFS-J1600、AFS-J2100系列量產型設備,實現了15s以內/層的打印速度并通過了1000小時級設備穩定性測試,具有良好的打印精度和內在質量,面向鑄鋁、鑄鐵、鑄鎂、鑄鋼等應用需求,配套豐富的砂材體系及粘結劑材料體系。
  
圖:隆源成型3DP砂型打印機AFS-J1600、AFS-J2100

陜西省武功縣欣鑫有色金屬鑄造有限公司于2021年引進了兩臺隆源成型3DP砂型打印機用于砂型生產,現在已經完全替代了木模翻砂工藝。不僅節省了開模成本和時間,還避免了模具設計的不合理及修模造成的風險。生產效率大幅提高,尤其對于周期短、精度高、小批量的高附加值產品試制,能夠更加得心應手地高質高效交付,成為一大競爭優勢。

 
欣鑫鑄造通過隆源成型3DP砂型打印機采用砂型快速鑄造工藝為某車廠試制發動機缸體,由于缸體結構復雜,且壁厚較小,如果采用傳統方法制作周期需要1個多月。3DP砂型打印設備制作的砂型,精度和強度較傳統工藝均有很大提高,抗拉強度可達2MPa,鑄件表面粗糙度低于Ra12.5,缺陷控制良好,無多肉、氣孔、裂紋、夾渣,無表面缺陷及殘缺。僅耗時10天交付灰鑄鐵(HT250)成品鑄件,制作周期縮短了2/3,成本降低30%。

    
圖:3DP砂型快速鑄造發動機缸體

欣鑫鑄造通過隆源成型3DP砂型打印機采用砂型快速鑄造工藝為某新能源車企試制輕量化車架,如果采用傳統方法制作,生產周期需要40天。采用3DP砂型打印快速鑄造,最終成型鑄件的尺寸精度達到CT7級,表面粗糙度低于Ra12.5μm,鑄件表面無氣孔、裂紋,形狀完整、結構清晰。最終6天交付鋁合金(ZL101)成品鑄件,制作周期縮短85%,成本減少32%。
 
  
圖:3DP砂型快速鑄造新能源輕量化車架

欣鑫鑄造負責人譚大為表示,現在訂單多得做不過來,兩臺3DP砂型打印機24小時開機連軸運轉,目前月打印20噸砂型的產能已遠遠滿足不了巨大的市場需求。欣鑫鑄造下一步將引進更多的3DP砂型打印機,實現月產能近百噸、年產值近億元的目標?!叭缃窀鞣N復雜結構的產品我們都能生產,效率提升了2倍,成本降低了一半。同時,因為交貨周期大幅縮短,產品的利潤率也有很大提高,我們得到的是實實在在的效益?!痹诤芏鄠鹘y鑄造企業還在因高耗能、高污染、產品精度達不到要求而面臨轉型困境的當下,欣鑫鑄造已搭上3D打印綠色鑄造的快車成功實現了突圍。
 

  
綜上,3DP砂型打印技術對于砂型性能、加工速度、成型尺寸等的優化提升具備明顯優勢,目前已成熟應用于鑄造生產中,尤其適用于新品研發、復雜產品及小批量產品的生產。隨著市場的進步以及對新產品開發速度與質量要求的逐漸提升,相信在未來幾年,面對千億級的砂型鑄造市場,3DP砂型打印會占據越來越多的份額,助力中國鑄造高質量發展。

【關于隆源成型】
北京隆源自動成型系統有限公司(Longyuan AFS Co.,Ltd.)為北京三帝科技股份有限公司(3D Printing Technology, Inc.)旗下企業。1994年即研制成功國內首臺自主知識產權的商品化工業級3D打印設備——選區激光粉末燒結快速成型機,是中國最早實現工業級3D打印產業化、服務化的企業之一,是國家高新技術企業,中關村高新技術企業,海淀區創新企業,北京市專精特新企業,智能制造關鍵技術裝備供應商。
隆源成型專注3D打印裝備及制造服務,公司擁有近30年的3D打印服務經驗,通過研究院、博士后工作站、工程技術中心“三位一體”的協同創新體系,提供堅實的技術保障。通過自主研發的SLS選區激光燒結、SLM選區激光熔化、3DP砂型打印、BJ噴墨金屬打印、DED定向能量沉積等系列智能裝備,通過分布全國的智造中心為用戶提供砂型打印快速鑄造、蠟型打印精密鑄造、成品件快速試制、梯度金屬3D打印等快速制造服務。逾千家設備、加工服務用戶遍布航空航天、汽車、摩托車、軌道交通、船舶泵閥、機械制造、藝術鑄造、金屬加工等領域。
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