3D打印行業(yè)研究：“蠟型3D打印+熔模鑄造”技術(shù)路線(xiàn)
Chapter 1 : 3D打印行業(yè)背景1.3D打印定義3D打印定義：根據(jù)國(guó)標(biāo)《增材制造術(shù)語(yǔ)》（GB/T35351-2017），增材制造（Additive Manufacturing；AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に?。三維打?。?D printing）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過(guò)材料堆積的方式來(lái)制造零件或?qū)嵨锏墓に嚕诵g(shù)語(yǔ)通常作為增材制造的同義詞，又稱(chēng)“3D打印”。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)通過(guò)切削等機(jī)械加工方式對(duì)材料去除從而成形的“減”材制造，3D打印通過(guò)對(duì)材料自下而上逐層疊加的方式，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，大幅降低了制造的復(fù)雜度。2.中國(guó)3D打印行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)3D打印技術(shù)于上世紀(jì)八九十年代開(kāi)始探索，早期以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的研究力量為主，行業(yè)發(fā)展起步較晚。2017年起國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)政策，支持國(guó)內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)發(fā)展，新企業(yè)不斷進(jìn)入，行業(yè)發(fā)展速度加快。伴隨政策支持與技術(shù)進(jìn)步，3D打印企業(yè)逐漸增加。截至2021年底，以3D打印為主營(yíng)業(yè)務(wù)的上市公司有20余家（含新三板），2021年國(guó)內(nèi)3D打印企業(yè)融資額達(dá)48億元。3D打印是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，借助3D打印技術(shù)，企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品和開(kāi)展定制化等方面都有所提升。3D打印有利于企業(yè)創(chuàng)新，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)制造產(chǎn)業(yè)逐步升級(jí)。中國(guó)3D打印行業(yè)相對(duì)歐美國(guó)家起步較晚，在經(jīng)歷了初期產(chǎn)業(yè)鏈分離、原材料不成熟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一與不完善及成本昂貴等問(wèn)題后，當(dāng)前中國(guó)3D打印行業(yè)已日趨成熟，市場(chǎng)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。我國(guó)高度重視3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近年來(lái)，中國(guó)3D打印市場(chǎng)應(yīng)用程度不斷深化，在各行業(yè)均得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2017-2020年，中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2020年中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為208億元，同比增長(zhǎng)32.06%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，到2025年我國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)630億元，2021-2025年復(fù)合年均增速20%以上。
隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破及設(shè)備、工藝水平的顯著提升，我國(guó)3D打印在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療等下游領(lǐng)域的應(yīng)用水平和規(guī)模都在快速提升，為3D打印的發(fā)展提供了巨大空間。以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔?，根?jù)IBIS World分析，2014年至2019年中國(guó)航空制造業(yè)（包括飛機(jī)制造、飛機(jī)零部件制造、維修服務(wù)等）年均復(fù)合增速為9.8%，2019年中國(guó)航空制造業(yè)市場(chǎng)價(jià)值約698億美元（約合4886億元人民幣），預(yù)測(cè)未來(lái)十年（2020年~2029年）中國(guó)航空制造業(yè)的價(jià)值年均復(fù)合增速為10%，則未來(lái)十年中國(guó)航空制造業(yè)市場(chǎng)價(jià)值約9.05萬(wàn)億元，年均9,054.33億元，假設(shè)未來(lái)十年3D打印在航空制造業(yè)占據(jù)的份額提升至1%，據(jù)此可估算出未來(lái)十年中國(guó)航空制造業(yè)為3D打印帶來(lái)的市場(chǎng)價(jià)值約905.43億元，年均約90.54億元。3.服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，鑄造等領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)爆發(fā)Wohlers Report報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，國(guó)際3D打印服務(wù)企業(yè)占比逐年增加，2021年3D打印服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模約為62.5億美元，占整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模的41%，也意味著服務(wù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力量。國(guó)內(nèi)3D打印服務(wù)商目前仍然較少，根據(jù)調(diào)研企業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示僅為21%左右。未來(lái)，3D打印服務(wù)供應(yīng)商將逐漸成長(zhǎng)為涵蓋設(shè)計(jì)、制造、后處理為一體的方案系統(tǒng)解決供應(yīng)商。根據(jù)中鑄協(xié)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有26,000家鑄造廠，砂型鑄件的市場(chǎng)規(guī)模約1,200億元，利用3D打印可將鑄造的工藝流程從15步縮減至8步，在“雙碳”背景下，3D打印技術(shù)持續(xù)賦能鑄造行業(yè)，假設(shè)3D打印在砂型鑄件市場(chǎng)占據(jù)的份額提升至10%，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到120億元。Chapter 2 : 3D打印的應(yīng)用場(chǎng)景3D打印目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域，并逐漸被嘗試應(yīng)用于更多的領(lǐng)域中。根據(jù)Wohlers Report 2022報(bào)告顯示，2021年3D打印主要應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、消費(fèi)及電子產(chǎn)品、醫(yī)療/牙科、學(xué)術(shù)科研等領(lǐng)域，占比情況如下：
1.航空航天領(lǐng)域在航空航天領(lǐng)域，由于零部件形態(tài)復(fù)雜、傳統(tǒng)工藝加工成本高及輕量化要求等因素，3D打印已發(fā)展成為提升設(shè)計(jì)與制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，其利用逐層堆積的原理，能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜構(gòu)件成形與多材料一體化制造，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、復(fù)雜程度、成形材料的限制，提供了變革性的技術(shù)途徑，應(yīng)用場(chǎng)景日趨多樣化。航空航天領(lǐng)域用于3D打印的材料主要包括高性能金屬材料和高分子材料。高性能金屬材料中鈦合金、鋁合金和鎳基高溫合金的應(yīng)用最為廣泛，鈦合金主要應(yīng)用于高強(qiáng)度、輕量化結(jié)構(gòu)部件，鋁合金主要應(yīng)用于輕量化結(jié)構(gòu)部件，鎳基高溫合金主要應(yīng)用于高強(qiáng)度熱端部件，通常以粉末床熔融技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)為主進(jìn)行加工，常見(jiàn)包括選區(qū)激光熔融(SLM)、激光近凈成形(LENS)等。高分子材料主要應(yīng)用于有耐沖擊、耐熱、阻燃性和抗老化性要求的部件，常用選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)進(jìn)行加工。在復(fù)雜部件的研制階段，3D打印技術(shù)可節(jié)省反復(fù)工藝試驗(yàn)的時(shí)間，提高速度的同時(shí)降低成本；在零件制造階段，3D打印技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高零件性能；此外，3D打印技術(shù)還可用于制件修復(fù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、減少經(jīng)濟(jì)損失。利用3D打印可以制作出符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的高精密零件，為提高航天器的整體性能提供積極幫助。歐洲航天局（ESA）、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、SpaceX和Relativity Space均使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)火箭點(diǎn)火裝置、推進(jìn)器噴頭、燃燒室和油箱，美國(guó)GE、波音（Boeing）、法國(guó)空客（Aribus）、賽峰（Safran）使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、軍機(jī)機(jī)身部件、飛機(jī)風(fēng)管、艙內(nèi)件等。同時(shí)，3D打印的構(gòu)件也已在國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，先后成功參與了天問(wèn)一號(hào)、實(shí)踐衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等數(shù)十次發(fā)射和飛行任務(wù)。3D打印技術(shù)已成為提高航天設(shè)計(jì)和制造能力的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用規(guī)模近年來(lái)增長(zhǎng)迅速，未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。2.汽車(chē)制造領(lǐng)域伴隨3D技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)，其在汽車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用將逐漸深入，從概念模型打印到功能模型打印，目前逐步應(yīng)用于功能部件制造，并向打造整車(chē)方向拓展。汽車(chē)制造領(lǐng)域3D打印，主要應(yīng)用已覆蓋汽車(chē)設(shè)計(jì)、零部件開(kāi)發(fā)、內(nèi)外飾應(yīng)用等方面，主要技術(shù)為SLS、SLM等。在設(shè)計(jì)方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)無(wú)模具設(shè)計(jì)和制造，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品概念模型的設(shè)計(jì)及制作周期，幫助整車(chē)廠和零配件廠商優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，可以在安全性測(cè)試環(huán)節(jié)打印部分非關(guān)鍵部件作為替代，加速產(chǎn)品驗(yàn)證流程，有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速小批量定制，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，此外，3D打印可以在設(shè)計(jì)階段引導(dǎo)零件輕量化、一體化、個(gè)性化、功能化方面的創(chuàng)新；在制造方面，3D打印技術(shù)可提升零件的制造效率和生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)零件輕量化制造和降低質(zhì)量的位移途徑，進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的加工，加強(qiáng)對(duì)制造精度的控制，同時(shí)，3D打印一體化成形技術(shù)允許將多個(gè)零件整合為一個(gè)零件，可減輕復(fù)雜關(guān)鍵部件的重量；在維修方面，3D打印技術(shù)可以進(jìn)行門(mén)把手、輪轂、汽缸、變速器和其他基礎(chǔ)部件的制作，從而保證了維修的效率和經(jīng)濟(jì)收益。汽車(chē)行業(yè)是最早使用3D打印技術(shù)的行業(yè)之一，在3D打印技術(shù)應(yīng)用中占據(jù)重要位置，隨著近年來(lái)汽車(chē)保有量和產(chǎn)量的上升，汽車(chē)行業(yè)巨大的市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供廣闊的空間。3.醫(yī)療領(lǐng)域基于人體存在個(gè)體差異而傳統(tǒng)制造醫(yī)療器械多為標(biāo)準(zhǔn)化樣式或尺寸的現(xiàn)狀，3D打印憑借可個(gè)性化定制的特點(diǎn)在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用逐步廣泛，主要應(yīng)用方向包括制造醫(yī)療模型、手術(shù)導(dǎo)板、外科/口腔科植入物、康復(fù)器械等（主要材料包括塑料、樹(shù)脂、金屬、高分子復(fù)合材料等），以及生物3D打印人體組織、器官等。3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中已逐漸成熟應(yīng)用于義齒打印、矯正器制作、預(yù)演手術(shù)模型制作、手術(shù)導(dǎo)板制作等，有助于提高精度和效率，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)在骨科植入方面也發(fā)展迅速，目前開(kāi)始采用金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)全膝關(guān)節(jié)植入物、髖臼杯、脊柱植入物等，金屬3D打印技術(shù)有利于模擬人體骨骼的層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)多孔設(shè)計(jì)可以更好地與人體組織融合，促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)，此外3D打印技術(shù)亦為植入物設(shè)計(jì)帶來(lái)了更高設(shè)計(jì)自由度。隨著未來(lái)經(jīng)濟(jì)水平和精準(zhǔn)醫(yī)療要求的不斷提升，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展將擁有巨大空間。4.其他行業(yè)領(lǐng)域消費(fèi)品領(lǐng)域：消費(fèi)品領(lǐng)域范圍廣泛，3D打印技術(shù)有助于加速消費(fèi)品行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化和迭代，提升并豐富產(chǎn)品性能，如為運(yùn)動(dòng)員量身定制輕量化、個(gè)性化運(yùn)動(dòng)設(shè)備等。模具領(lǐng)域：3D打印已廣泛應(yīng)用于鞋模及隨形冷卻模具等領(lǐng)域，優(yōu)化冷卻水路設(shè)計(jì)，不受水路復(fù)雜程度的限制，提升模具的冷卻效率和生產(chǎn)效率。電子電器領(lǐng)域：3D打印技術(shù)在產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)階段，如裝配和功能驗(yàn)證、外觀及性能測(cè)試、人體工程學(xué)、快速手板、批量制造等方面，都能提供較大的幫助，降低研發(fā)和時(shí)間成本，提高產(chǎn)品利潤(rùn)。Chapter 3 : 3D打印的幾種技術(shù)3D打印技術(shù)包含多種工藝類(lèi)型，國(guó)標(biāo)《增材制造術(shù)語(yǔ)》（GB∕T 35351-2017）根據(jù)3D打印技術(shù)的成形原理，將3D打印工藝分成七種基本類(lèi)別，具體分類(lèi)情況如下：粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、定向能量沉積（Directed Energy Deposition）、立體光固化（VAT Photopoly merization）、粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）、材料擠出（Material Extrusion）、材料噴射（Material Jetting）和薄材疊層（Sheet Lamination）。主要工藝原理對(duì)應(yīng)的代表性工藝技術(shù)如下：1.粉末床熔融(PBF)（1）選區(qū)激光熔融(SLM)選區(qū)激光熔融(SLM)是一種由計(jì)算機(jī)控制激光束進(jìn)行逐層掃描融化層層堆積成型的技術(shù)。優(yōu)勢(shì)：加工過(guò)程中粉末完全熔化且不需要粘結(jié)材料，所以加工所形成零件的精度以及力學(xué)性能都要比較好。致密度高，激光束光斑直徑細(xì)微，致密度接近100%，幾乎等于冶金。可以簡(jiǎn)單并且直接的制造出復(fù)雜形狀的金屬件。劣勢(shì)：設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，需要專(zhuān)業(yè)人員來(lái)操作。后處理復(fù)雜，工藝需要添加支撐，并需要對(duì)成型件進(jìn)行后處理來(lái)去掉支撐。應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、模具、汽車(chē)、醫(yī)療、核工業(yè)、科研教育等領(lǐng)域。（2）選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)是一種用激光束來(lái)燒結(jié)預(yù)先加熱過(guò)的提前鋪設(shè)在粉末床上的金屬粉末，由計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行分層燒結(jié)、分層堆積的零件加工技術(shù)。優(yōu)勢(shì)：可以使用多種材料，包括高分子材料、金屬粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末等，選擇性強(qiáng)。不需要支撐，在打印過(guò)程中未經(jīng)燒結(jié)的粉末即可支撐生成的懸空層。材料利用率高。劣勢(shì)：表面粗糙，工藝制造原型的表面是粉末進(jìn)行熔融粘結(jié)的，為粉粒狀，所以表面質(zhì)量不高。金屬顆粒結(jié)合度低，需要進(jìn)一步熱處理。如果采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體的話(huà)，會(huì)產(chǎn)生有害氣體。應(yīng)用領(lǐng)域：汽車(chē)、造船、航天、航空、通信、微機(jī)電系統(tǒng)、建筑、醫(yī)療、考古等領(lǐng)域。（3）電子束熔化(EBM)電子束熔化(EBM)是一種通過(guò)電子束掃描、熔化粉末材料，逐層沉積制造3D金屬零件的技術(shù)。優(yōu)勢(shì)：在真空條件下預(yù)熱溫度很高，可以熔解高熔點(diǎn)金屬，減小了熱應(yīng)力集中，避免了成型件產(chǎn)生彎曲變形的現(xiàn)象。成型過(guò)程中不需要支撐，制作完成后只需吹去粉末即可。劣勢(shì)：“吹粉”現(xiàn)象。鋪粉器鋪在粉床上的粉末在電子束的作用下離開(kāi)預(yù)先的鋪設(shè)位置，由于靜電的排斥力導(dǎo)致粉末產(chǎn)生潰散。“球化”現(xiàn)象。指金屬未完全熔化而形成了一群彼此分開(kāi)的金屬球。設(shè)備需要真空條件下完成，維護(hù)成本高，且電子束沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生伽瑪射線(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致泄漏，污染環(huán)境等。應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)、航空航天、工業(yè)等領(lǐng)域。（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(xì)節(jié)劑沉積在粉末材料床中，然后將其熔合成固體層的技術(shù)。優(yōu)勢(shì)：打印速度快。與其他3D打印技術(shù)具備同樣的精度和強(qiáng)度。劣勢(shì)：設(shè)備的消耗成本居高。制造過(guò)程中受到化學(xué)試劑的影響，打印零件顏色一般是多為灰色或黑色。應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、醫(yī)療保健、汽車(chē)等領(lǐng)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(jī)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(shù)。優(yōu)勢(shì)：成型效率高。金屬零件的致密度極高，可達(dá)100%。進(jìn)行金屬零件表面噴涂，結(jié)合強(qiáng)度高于傳統(tǒng)噴涂和電鍍工藝?？梢赃M(jìn)行零件表面缺陷的修復(fù)。劣勢(shì):零件的成型精度稍低。零件需要后處理才能進(jìn)一步提高精度。應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域。3、光固化成形(SLA3D打印)光固化成形(SLA3D打印)是一種采用紫外波長(zhǎng)的激光束對(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描，液體自下而上逐層固化的技術(shù)。優(yōu)勢(shì)：原材料利用率很高。加工出的實(shí)體表面光滑，質(zhì)量?jī)?yōu)異。劣勢(shì)：成本高，可利用的原材料十分有限。打印出的實(shí)體在光照下也極易分解。應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、大眾消費(fèi)、藝術(shù)等領(lǐng)域。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(lèi)很多，并且開(kāi)發(fā)新材料的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)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)?？梢缘玫礁呔鹊牧慵?。劣勢(shì)：直接制造金屬或陶瓷材料時(shí)的低密度問(wèn)題。整個(gè)制造流程耗時(shí)較長(zhǎng)。應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)、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(guò)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(jiǎn)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(lè)、醫(yī)療、電子、汽車(chē)、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?？蛇M(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(chē)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(wú)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(chē)、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(jiǎn)介1.砂型/蠟型3D打印簡(jiǎn)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(shù)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。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(kāi)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(guò)程無(wú)需人工編程，操作簡(jiǎn)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(mǎn)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(lèi)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(lái)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(zhēng)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(guó)內(nèi)砂鑄行業(yè)帶來(lái)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(lái)顛覆性的變革，鑄件制造棄繁從簡(jiǎn)，提質(zhì)增效，制造過(guò)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(lái)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(guó)商業(yè)衛(wèi)星輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件“卡脖子”問(wèn)題我國(guó)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(wàn)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(wú)限想象的軍事應(yīng)用。我國(guó)于2021年專(zhuān)門(mén)成立了注冊(cè)資金達(dá)百億的中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)公司，計(jì)劃發(fā)射一萬(wàn)多顆小衛(wèi)星，組建中國(guó)自己的“星鏈”。2021年我國(guó)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(lái)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(lái)七年國(guó)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(wàn)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(lái)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(wú)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(guó)制造該類(lèi)結(jié)構(gòu)件的技術(shù)路線(xiàn)之一是使用金屬直接3D打印技術(shù)，該技術(shù)路線(xiàn)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(zhǎng)衛(wèi)星生產(chǎn)周期，無(wú)法滿(mǎn)足航班化發(fā)射的要求。以隸屬于中國(guó)航天科技集團(tuán)公司的中國(guó)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(mǎn)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(xiàn)的原理性限制，存在尺寸?。ú淮笥?00mm*800mm）的問(wèn)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(guó)內(nèi)有望解決商業(yè)衛(wèi)星“卡脖子”問(wèn)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。
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