浅谈基于3D 打印技术的铸造系统

李 行，常 涛，田学智，卫飞龙

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750021）

我国铸件产量从2000 年起超越美国已连续多年位居世界第一，铸件年产值超过2 500 亿元，铸件产量占世界总产量的1/4，已成为世界铸造生产基地。2021 年我国铸件总产量已达3 960 万t，产值超过4 000 亿元，铸造厂点约3 万家，从业人员约200万人。我国铸造企业数量多，但企业的平均产量远低于发达国家。现有的铸造系统，平均产量低、铸件附加值低、从业人员队伍庞大、铸造工艺水平偏低，诸如上料、下料、运输等工作都需要人工去完成，自动化水平低，劳动力强度很大，铸造效率低下。另外，有些企业铸造设备的排布不合理，前一个工序到后一个工序需跨过其他工序，进一步降低铸造效率。3D 打印铸造系统的应用打破了传统铸造系统模式，可以实现铸造过程高效率、高自动化，可用于黑色金属件、铸钢件及有色合金件的铸造，在航空航天、汽车制造、家用电器、模具开发及其他工业设计行业使用。通过校企合作和3D 打印技术及相关设备走进高校或者职业院校，可以使学生们充分了解先进制造技术的突出优势与传统加工技术的区别，并在一定程度上掌握、实际应用该技术，对未来创新技术的发展和创新人才培养具有实际意义。

1 3D 打印铸造系统

1.1 总体结构

图1 所示为3D 打印铸造系统总体结构，包括成型区（A）、熔炼浇注区（B）、砂处理区、精整区（C）和智能单元。3D 打印铸造系统可以解决传统铸造效率低下的技术问题，自动化程度高，布局合理。

图1 总体布局结构示意图

成型区包括若干3D 砂芯打印机，砂芯打印机前方设有桁架机器人，桁架机器人的下方依次设有工作箱缓存站、清砂站、浸涂池、微波烘干设备、组芯线和砂芯缓存库；熔炼浇注区设置在砂芯缓存库一侧；砂处理区设置在熔炼浇注区；精整区设置在砂处理区，精整后的铸件被送至喷漆线；物流单元包括重载AGV 和轻载AGV，重载AGV 进行打印工作箱和芯包的转运，轻载AGV 负责铸件的搬运；自动化程度高，铸造效率高。

熔炼浇注区包括用来炼铁水的电炉和用来放置芯包的浇注工位，电炉的过道上设有自动浇注小车轨道和烤包器，扒渣和去杂质后的铁水包可自动浇注到芯包内。浇注前压箱机构工作将砂芯压紧定位，浇注后静置完成后压箱机构返回原位置，AGV将浇注后的芯包转运至冷却区进行冷却，冷却完成后AGV 将冷却后的芯包转运至精整区。

精整区包括振动落砂破碎、铸件机械手、抛丸机、热处理、喷漆线等设备。砂处理区包括翻箱机构、振动落砂破碎系统。翻箱机构将放好的芯包翻转到落砂破碎处进行破碎和落砂处理，破碎后的砂子通过筛分将可用砂发送到打印机集中供砂系统的回用砂库中，不可用的废砂发送到热法再生砂库，通过热法再生设备将废砂回收利用生成可以使用的砂子并发送到打印机集中供砂系统的再生砂库中，再生砂库和回收砂库中的砂子通过集中供砂系统送至各个砂芯打印机的进砂口进行打印砂芯生产使用。铸件机械手进行铸件的搬运和翻转；喷漆线设置在抛丸室一侧，喷漆线有出货通道。抛丸机对破碎后的铸件表面进行清理，去除表面的毛刺、碎砂、杂质等。热处理设备用于改变铸件的性能。喷漆线将检测合格的铸件喷漆防锈处理。

通过桁架机器人实现砂芯的自动抓取、清砂、浸涂和组芯，桁架机器人结构如图2 所示，包括横向移动机构和支撑组件，支撑组件包括结构相同的立柱，均固定在地基上；横向移动机构包括横向支撑块，立柱固定支撑座，横向支撑块做水平直线运动，水平移动机构上设有在竖直方向做直线运动的竖直移动机构，竖直移动机构设有可转动的夹紧机构，夹紧机构可将砂芯夹紧。

图2 桁架机器人结构简图

1.2 铸造系统的工作流程

3D 打印成形工作流程如图3 所示，通过砂集中供应和液料集中供应系统提供砂子和液料，砂芯打印机打印出砂芯，砂芯在打印工作箱内，各个砂芯打印机打印后的打印工作箱放置在砂箱转运AGV上依次缓存至砂箱缓存线上，缓存后由砂箱转运AGV 转运至清砂站上，桁架机器人对砂芯进行抓取，桁架机器人抓取砂芯后带动砂芯依次进行自动清砂、自动浸涂、微波烘干，微波烘干后的砂芯通过桁架机器人在组芯线上完成自动组芯，组芯后的砂芯称为芯包，芯包置于转运托盘上；组芯后再由砂芯转运AGV 将转运托盘转运至熔炼浇注区，转运托盘也可由桁架机器人将其搬运至砂芯立体库上进行缓存。

图3 3D 打印成形工作流程

组芯后的砂芯运转至熔炼浇注区，浇注机系统将熔炼好的铁水浇注到芯包内。浇注工作流程如图4 所示，芯包浇注铁水前压箱机构工作对芯包进行压箱定位，浇注铁水后的芯包放置在芯包托盘上，砂芯转运AGV 将芯包托盘转运至砂芯处理区，砂芯处理区对芯包进行落砂处理，落砂后的砂子进行砂再生，砂再生后可发送至砂芯打印机内以实现砂子的回收利用。

图4 浇注机及压箱机工作流程

落砂工作流程如图5 所示，落砂处理后的为铸件，砂芯转运AGV 将芯包托盘转运至精整区。

图5 砂处理工作流程

砂芯转运AGV 实现铸件在精整区的转运工作。精整工作流程如图6 所示。AGV 转运芯包至翻箱机上，翻箱机自动翻箱使芯包进入落砂区进行砂处理，砂处理后的铸件通过机械手依次进行时效、抛丸、精整处理，处理后的铸件进行表面处理，通过叉车转运至喷漆房依次对铸件进行喷漆、烘干，铸件加工完成。

图6 精整工作流程

上述3D 打印铸造系统以铸造工艺集成设计为龙头，以成型智能单元、熔化浇注智能单元、精整智能单元和物流智能单元为支撑，形成具有完善的PLM、LIMS、TDM（全面数字化管理）平台，建立实时数据库、历史数据库和专家知识库，通过数据分析、推理，利用物联网/ERP/LIMS/VCS/智能单元等系统的无缝高效集成，对设备、安全环境、生产、质量、成本的全过程监控，实现产品研发、工艺设计、仿真分析、制造数控化；采用多种实时传感系统、测控设备、3D 打印技术、机械手、AGV 与立体库结合的智能物流系统、工业信息安全防护等智能装备，实现制造过程的自动化和网络化、物流采集信息化、物料传送自动化，为行业转型升级树立示范和经验。

1.3 技术路线

如图7 所示，3D 打印铸造系统按照设备层、控制层、车间层、企业层和协同层的五层架构设计，以铸造工艺集成设计为龙头，与PLM、ERP、MES、LIMS、VCS、智能单元等系统集成，实现了从材料采购、工艺设计到生产过程、车间管理等全面集成的数字化管理：

图7 铸造系统技术路线

1）感知层：增加影响质量、生产、设备、安全等因素较大的设备、传感器，进行现场状态或环境感知：如测量距离、位置、位移、转速、加速度、振动、电参数、温度、压力、差压、流量、物位、环境、称重、金属成分检测等的传感仪表，以及执行器（如中间继电器、接触器、电机调速系统、电机伺服系统、气压及液压系统等传动与执行装置）的状态或参数反馈。

2）设备层：通过PLC 及其配套模块、以太网模块、网关模块，将现场开关量、模拟量、脉冲量、通信量等不同接口与协议的数据采集后，转换为实际物理量，进行逻辑分析与计算。其自动控制系统通过现场总线，在执行从专家管理系统下发的命令与参数的同时，反馈实时物理量参数，配合实现生产过程的闭环控制。

3）控制层：通过专家管理系统软件实现生产单元的全过程控制。专家管理系统软件向上与ERP、MES、PLM、LIMS、VCS、智能单元等系统集成，引入生产计划、维保计划、质量标准、专家知识库等信息，并向MES 系统反馈设备、生产、成本、质量、绿色、人员等六维信息；向下与底层设备及功能部件集成，依据标准工艺与参数执行现场作业，同时采集六维数据，与专家知识库设定值实时比对，优化决策后闭环调整控制。

4）管理层：主要通过管理系统软件、MES 系统与其他信息管理系统的双向集成实现。ERP、MES、VCS、LIMS、智能单元等信息管理系统提供关于现场设备生产需要的计划、BOM 清单、工时定额、工艺标准及检测结果等信息，并接受专家管理系统软件的设备、生产、成本、质量、绿色、人员等六维物理信息反馈。

5）决策层：决策层软件将管理层和控制层信息通过分类、汇总后，形成中间数据库，然后按照不同管理主体要求，进行对应KPI 信息展示，指导、辅助企业管理人员作出客观决策。

1.4 技术特点

3D 铸造打印系统具有以下技术特点：

1）采用3D 打印等快速成形技术，缩短铸造工艺流程。

2）采用先进的3D 打印技术，重新构建了铸造工艺流程，取缔传统模样制造工序，建立基于3D 打印环境下的铸造用原辅材料标准、成形工艺技术标准。

3）能够有效降低新产品开发周期，大幅提升铸件的内在和表面质量、能够让综合能耗达到国际铸造先进水平。

4）采用工艺集成设计+仿真分析+智能生产+全面数字化管理集成理念和技术，建立多品种、小批量铸件高效铸造新模式；

5）打造基于3D 打印铸造系统的智能工厂，全球领先。

6）本铸造系统中主要设备和软件可实现100%国产化、关键设备数控化率100%、关键数据自动采集率100%.

7）“五无”生产——无吊车、无模型、无重体力劳动、无废砂及粉尘排放、无温差（空调环境）。

8）高性价比——对比传统铸造，3D 打印铸造系统建设成本下降20%以上，运营成本下降30%以上。

9）绿色、安全生产——实施全流程绿色（虚拟）制造；构建安全生产“1+1+1”治理体系，自创数字化（EHSI）安全管理系统，创新应用先进装备和技术，实现安全生产由“人管”变为“数控”。严守生态环保“红线”和安全生产“底线”。

10）多项变革创新——自创VCS 全流程设计，持续提升质量；成形、熔炼、精整智能单元管控制造过程；集中管控砂子质量及统一混砂供砂；新型压箱卡箱工艺，降低砂铁比；智控中心、电脑端、手机端管控生产经营。

1.5 市场前景分析

中国铸造目前年产量4 500 万吨，适合3D 打印的多品种、小批量的铸件占比约60%，即2 700 万t，按照单台铸造3D 打印设备年产铸件1 000 t，3D 打印设备市场需求量为27 000 台套，3D 打印设备（包括远程运维等服务），市场需求总金额约为1 800 亿元。

中国目前有铸造企业大约2.6 万家，预计未来将会缩减到1 万家，其中6 000 家将会实施智能化改造。按照单个铸造智能工厂年产5 000 t 产能设计，每个铸造智能工厂固定资产投资6 000 万元，铸造智能工厂（包括远程运维等服务）市场需求总金额约为4 700 亿元。

中国铸造及相关配套企业主要是以中小企业为主，铸件及配套设备、材料、服务等市场规模约为8 000 亿元。

2 结论

本文所阐述的3D 打印铸造系统，经过实际项目的验证，使用效果较好，自动化程度高。3D 打印铸造系统技术的应用，简化了造型工艺，大幅缩短了生产周期，降低了铸件制造成本，有效提高了新产品研发效率，可在结构复杂、质量要求高、单件小批量铸件制造领域进行大范围推广应用。