铸造是制造业的根本,铸造业的发展更是国家强国战略的关键一环。国家非常重视铸造产业的发展和布局,“十四五”规划明确了要数字化转型发展的目标:到2025年,采用3D打印技术生产的铸件超过50万吨;实现无机粘结剂等绿色造型材料的示范应用;铸造废砂再生循环利用达到800万吨以上;培育200家以上绿色铸造工厂。今年4月三部委的联合发文中也提出,要推动一体化压铸成形、无模铸造、砂型3D打印等先进工艺技术实现产业化应用。

作为世界第一铸造大国,中国的铸造产业有4000亿左右的市场规模,全球占比45%;有24000多家铸造厂,2022年铸件总产量5170万吨,保持着稳健的增长。但同时也存在产能过剩、高能耗、高污染、不强、不精的问题,节能减排压力大、技术工人短缺、自主创新能力弱、同质化竞争严重。据统计,全国铸件年产量万吨以上的铸造企业超过千家,5万吨以上的企业近200家。头部2000多家的铸件产量占全国总产能的55%以上。而头部企业缺乏定制能力或小批量试制能力,开发新产品速度慢、成本高;“长尾”企业产能利用率低,大多要被淘汰;只有“长尾”中的头部企业,在依靠3D打印和自动化率提升后能够生存,并可能有数倍的集中度提升空间。

在政策、市场、技术等的多轮驱动下,3DP砂型打印技术应运而起。3DP砂型打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或非金属等可粘合材料,逐层打印的方式来构造物体的数字化绿色制造技术。相较传统砂型铸造,3DP砂型打印技术无需模具,直接打印砂型,设计灵活,可以低本、高效地完成新品开发和中小批量产品交付,快速响应市场需求。在质量方面,3DP砂型不受模具翻砂工艺的制约,具有微米级高精度,复杂结构一体自由成型,部分铸铝件的铸造面精度可和精密铸造媲美,同时也减少了装配误差造成的废品率,减少了工人劳动。

目前,3DP砂型打印技术已在铸造生产中得到了成熟的商业化应用,是一项真正经过市场验证的普惠性技术。其对砂型性能、加工速度、成型尺寸等的优化提升优势明显,尤其适用于新品研发、复杂产品及小批量产品的生产。一些引入3DP砂型打印装备进行智能化改造的铸造企业,已经建立了绿色、柔性、高端的快速铸造能力,实现了生产效率、产能、营收的翻倍增长。部分企业甚至由于技术和服务提升明显,出现了供不应求、订单外溢的情况。

图:已成熟应用3DP砂型打印技术的绿色快速铸造工厂

面对市场上各品牌的3DP砂型打印设备,价格、性能、稳定性、使用维护成本等通常是用户在选购时会考量的因素。其中,由3D打印装备及快速制造服务提供商北京三帝科技股份有限公司自主研制的一款生产型旗舰产品——隆源成型3DP砂型打印设备AFS-J1600Pro一经面市即广受市场青睐,已被多家铸造厂用户购入用于产线,凭借卓越的成型精度、平衡可控的铸造性能和优良的可靠性帮助用户解决了铸造生产中效率、强度与铸造性能的矛盾,完成订单数千万。

据了解,该设备成型缸尺寸为1600×800×600mm,采用了最新一代高稳定性、低噪音的高速振动铺粉技术和2-Pass高精度打印技术,配合高性能成型工艺和智能算法技术,可实现15秒每层的打印速度和最高±0.3mm的打印精度;打印砂型的抗拉强度最高可达2.5MPa,发气量8-11ml/g,表面粗糙度≤Ra25。设备采用了模块化设计,维护方便灵活,维护成本低;配备智能化系统,令操作更简便,可实现一键式打印,且具有打印预警提示功能;还可通过视觉监控等智能化系统,实现加工全过程的实时监测、记录可追溯。面向铸铝、铸铁、铸钢、铸镁等不同铸造应用需求,提供开源砂材工艺解决方案,配套丰富的砂材体系及高性能的粘结剂、固化剂、清洗剂,为用户优化使用成本。

某用户通过AFS-J1600Pro采用砂型快速铸造工艺为某新能源车企试制轻量化车架,6天即交付铝合金(ZL101)成品铸件。成品尺寸精度达到CT7级,表面粗糙度优于Ra12.5,铸件表面无气孔、裂纹,形状完整、结构清晰。相较传统制造工艺需要40天的制作周期,采用3DP砂型打印快速铸造,制作周期缩短了85%,成本减少32%。

某用户通过AFS-J1600Pro采用砂型快速铸造工艺为某车厂试制发动机缸体,由于缸体结构复杂,且壁厚较小,如果采用传统方法制作周期需要1个多月。3DP砂型打印设备制作的砂型,精度和强度较传统工艺均有很大提高,抗拉强度可达2MPa,铸件表面粗糙度优于Ra12.5,缺陷控制良好,无多肉、气孔、裂纹、夹渣,无表面缺陷及残缺。仅耗时10天即交付灰铸铁(HT250)成品铸件,制作周期缩短了2/3,成本降低30%。

“十四五”是我国经济结构调整、产业转型升级的重要阶段,也是我国铸造行业加快发展的重要时期。一些铸造企业还在因高能耗、高污染、产品精度达不到要求、招工难等问题而困扰,深陷资金、技术、订单的循环怪圈中而彷徨和迷茫。建议这些企业经营者们应及早跳出固有思维,在深刻理解并领会国家大政方针的基础上,主动求变,转换思路和发展方式,通过技术、工艺的改造升级,走绿色化、智能化、高端化的可持续发展之路,才能抓住机遇,在困境中实现突围。