3D打印行業(yè)研究：“蠟型3D打印+熔模鑄造”技術(shù)路線

來源：3D打印行業(yè)研究
作者： 張良
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Chapter 1 : 3D打印行業(yè)背景

1.3D打印定義
3D打印定義：根據(jù)國標(biāo)《增材制造術(shù)語》（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)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒Ｈ�維打�。�3D printing）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過材料堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に�，此術(shù)語通常作為增材制造的同義詞，又稱“3D打印”。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)通過切削等機(jī)械加工方式對材料去除從而成形的“減”材制造，3D打印通過對材料自下而上逐層疊加的方式，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚�二維平面，大幅降低了制造的復(fù)雜度。

2.中國3D打印行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
我國3D打印技術(shù)于上世紀(jì)八九十年代開始探索，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年起國家出臺多項(xiàng)政策，支持國內(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打印為主營業(yè)務(wù)的上市公司有20余家（含新三板），2021年國內(nèi)3D打印企業(yè)融資額達(dá)48億元。3D打印是對傳統(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)計研發(fā)、生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品和開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)而推動我國制造產(chǎn)業(yè)逐步升級。

中國3D打印行業(yè)相對歐美國家起步較晚，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題后，當(dāng)前中國3D打印行業(yè)已日趨成熟，市場呈現(xiàn)快速增長趨勢。

我國高度重視3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近年來，中國3D打印市場應(yīng)用程度不斷深化，在各行業(yè)均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2017-2020年，中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模呈逐年增長趨勢，2020年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為208億元，同比增長32.06%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2025年我國3D打印市場規(guī)模將超過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3D打印在航空航天、汽車、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年中國航空制造業(yè)市場價值約698億美元（約合4886億元人民幣），預(yù)測未來十年（2020年~2029年）中國航空制造業(yè)的價值年均復(fù)合增速為10%，則未來十年中國航空制造業(yè)市場價值約9.05萬億元，年均9,054.33億元，假設(shè)未來十年3D打印在航空制造業(yè)占據(jù)的份額提升至1%，據(jù)此可估算出未來十年中國航空制造業(yè)為3D打印帶來的市場價值約905.43億元，年均約90.54億元。

3.服務(wù)市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，鑄造等領(lǐng)域?qū)⒂瓉肀�發(fā)

Wohlers Report報告數(shù)據(jù)顯示，國際3D打印服務(wù)企業(yè)占比逐年增加，2021年3D打印服務(wù)市場規(guī)模約為62.5億美元，占整個市場規(guī)模的41%，也意味著服務(wù)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要推動力量。國內(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)計數(shù)據(jù)顯示僅為21%左右。未來，3D打印服務(wù)供應(yīng)商將逐漸成長為涵蓋設(shè)計、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，我國有26,000家鑄造廠，砂型鑄件的市場規(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占據(jù)的份額提升至10%，市場規(guī)模將達(dá)到120億元。

Chapter 2 : 3D打印的應(yīng)用場景

3D打印目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、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報告顯示，2021年3D打印主要應(yīng)用于航空航天、汽車、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：
圖片

2021年3D打印各應(yīng)用領(lǐng)域占比

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)的時間，提高速度的同時降低成本；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）、美國國家航空航天局（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GE、波音（Boeing）、法國空客（Aribus）、賽峰（Safran）使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)商用航空發(fā)動機(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，3D打印的構(gòu)件也已在國內(nèi)航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，先后成功參與了天問一號、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)計和制造能力的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用規(guī)模近年來增長迅速，未來市場空間巨大。

2.汽車制造領(lǐng)域

伴隨3D技術(shù)的創(chuàng)新升級，其在汽車制造領(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，并向打造整車方向拓展。汽車制造領(lǐng)域3D打印，主要應(yīng)用已覆蓋汽車設(shè)計、零部件開發(fā)、內(nèi)外飾應(yīng)用等方面，主要技術(shù)為SLS、SLM等。

在設(shè)計方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)無模具設(shè)計和制造，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品概念模型的設(shè)計及制作周期，幫助整車廠和零配件廠商優(yōu)化設(shè)計，同時，可以在安全性測試環(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)品上市時間，此外，3D打印可以在設(shè)計階段引導(dǎo)零件輕量化、一體化、個性化、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)對制造精度的控制，同時，3D打印一體化成形技術(shù)允許將多個零件整合為一個零件，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，隨著近年來汽車保有量和產(chǎn)量的上升，汽車行業(yè)巨大的市場規(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。3D打印技術(shù)在骨科植入方面也發(fā)展迅速，目前開始采用金屬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)，通過多孔設(shè)計可以更好地與人體組織融合，促進(jìn)骨骼生長，此外3D打印技術(shù)亦為植入物設(shè)計帶來了更高設(shè)計自由度。隨著未來經(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、優(yōu)化和迭代，提升并豐富產(chǎn)品性能，如為運(yùn)動員量身定制輕量化、個性化運(yùn)動設(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，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)和時間成本，提高產(chǎn)品利潤。

Chapter 3 : 3D打印的幾種技術(shù)
3D打印技術(shù)包含多種工藝類型，國標(biāo)《增材制造術(shù)語》（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別，具體分類情況如下：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：
加工過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。
可以簡單并且直接的制造出復(fù)雜形狀的金屬件。
劣勢：
設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，需要專業(yè)人員來操作。
后處理復(fù)雜，工藝需要添加支撐，并需要對成型件進(jìn)行后處理來去掉支撐。
應(yīng)用領(lǐng)域：
航空航天、模具、汽車、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)是一種用激光束來燒結(jié)預(yù)先加熱過的提前鋪設(shè)在粉末床上的金屬粉末，由計算機(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：
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：
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，會產(chǎn)生有害氣體。
應(yīng)用領(lǐng)域：
汽車、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：
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。
成型過程中不需要支撐，制作完成后只需吹去粉末即可。
劣勢：
“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，且電子束沉積過程中會產(chǎn)生伽瑪射線，可能會導(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：
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：
設(shè)備的消耗成本居高。
制造過程中受到化學(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：
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。
可以進(jìn)行零件表面缺陷的修復(fù)。
劣勢:
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、船舶等領(lǐng)域。

3、光固化成形(SLA)
光固化成形(SLA)是一種采用紫外波長的激光束對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行掃描，液體自下而上逐層固化的技術(shù)。
優(yōu)勢：
原材料利用率很高。
加工出的實(shí)體表面光滑，質(zhì)量優(yōu)異。
劣勢：
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)用場景中具備較突出的價值和優(yōu)勢。（后續(xù)章節(jié)詳細(xì)描述）
優(yōu)勢：
可選擇的材料種類很多，并且開發(fā)新材料的過程相對簡單。
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)。
可以得到高精度的零件。
劣勢：
直接制造金屬或陶瓷材料時的低密度問題。
整個制造流程耗時較長。
應(yīng)用領(lǐng)域：
航空航天、醫(yī)療、汽車、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：
成本低。
加工體積小巧。
操作簡單。
劣勢：
凝固成型的實(shí)體表面結(jié)合處會有明顯的裂紋。
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、醫(yī)療、電子、汽車、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：
在不影響構(gòu)建速度的情況下生產(chǎn)多個零件。
零件具有非常光滑的表面，是制作美學(xué)原型的理想選擇。
可進(jìn)行全彩色和多材料打印。
劣勢：
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材料層進(jìn)行輪廓切割從而成型的技術(shù)。
優(yōu)勢：
制造成本低。
無需填充材料。
產(chǎn)品成型率高。
劣勢：
表面質(zhì)量較差。
材料利用率很低。
應(yīng)用領(lǐng)域：
汽車、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打印簡介

1.砂型/蠟型3D打印簡介

（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（呋喃樹脂），打印出一個截面；工作臺面下降一個層厚（0.2~0.4mm）；系統(tǒng)重復(fù)鋪砂、噴粘結(jié)劑、下降一個層厚，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。

噴墨砂型3D打印原理示意圖

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)自帶的軟件會將三維數(shù)據(jù)自動切片轉(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，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個月縮短至3周，從而大大增加開發(fā)迭代次數(shù)，顯著提高批量生產(chǎn)成品率和質(zhì)量，整個過程無需人工編程，操作簡單。同時由于目前該技術(shù)的成型尺寸最大達(dá)到4,000*2,000*1,000mm，對于中小尺寸的砂型一次可以制作幾百上千件，完全可以滿足小批量生產(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)用場景中的優(yōu)勢

（1）砂型3D打印給傳統(tǒng)鑄造帶來變革
砂型3D打印技術(shù)具備了解決鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的優(yōu)勢，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)鑄造流程對比

隨著市場競爭和技術(shù)進(jìn)步，采用砂型3D打印技術(shù)的成本優(yōu)勢將逐步顯現(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。由此將給國內(nèi)砂鑄行業(yè)帶來深遠(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)鑄造帶來顛覆性的變革，鑄件制造棄繁從簡，提質(zhì)增效，制造過程以人為本，綠色制造，為鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供示范作用，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)計等優(yōu)勢，對提高產(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)場環(huán)境，降低工人勞動強(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)用對鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、鑄造智能制造及未來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”有望解決我國商業(yè)衛(wèi)星輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件“卡脖子”問題
我國發(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�！鄙虡I(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的星鏈計劃預(yù)計發(fā)射4萬多顆小衛(wèi)星，組成地球低軌道衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)，不僅具有獨(dú)特的民用價值，還伴隨無限想象的軍事應(yīng)用。我國于2021年專門成立了注冊資金達(dá)百億的中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)公司，計劃發(fā)射一萬多顆小衛(wèi)星，組建中國自己的“星鏈”。2021年我國共發(fā)射102顆衛(wèi)星（占比7.6%）。根據(jù)華泰研究測算未來商業(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，對衛(wèi)星發(fā)射需求進(jìn)行估算，未來七年國內(nèi)市場對衛(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，動輒每公斤近萬美元，結(jié)構(gòu)件占衛(wèi)星整體比重為15%-20%，對于輕量化的需求最為迫切。除選擇輕質(zhì)材料外，主要依靠計算機(jī)輔助的拓?fù)鋬?yōu)化/點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等手段，來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)加工手段無法實(shí)現(xiàn)，需要依靠3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)。

目前我國制造該類結(jié)構(gòu)件的技術(shù)路線之一是使用金屬直接3D打印技術(shù)，該技術(shù)路線采用激光對金屬粉末進(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)致的不能按時交付的情況屢屢出現(xiàn)，甚至大幅延長衛(wèi)星生產(chǎn)周期，無法滿足航班化發(fā)射的要求。以隸屬于中國航天科技集團(tuán)公司的中國空間技術(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)路線的原理性限制，存在尺寸�。ú淮笥�800mm*800mm）的問題，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，國內(nèi)有望解決商業(yè)衛(wèi)星“卡脖子”問題的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。

Chapter 5 ：砂型/蠟型3D打印企業(yè)
1、湖州美邁科技有限公司

湖州美邁科技有限公司前身為蘇州美邁快速制造技術(shù)有限公司，蘇州美邁成立于2013年，是高新技術(shù)企業(yè)，多年來深耕3D打印工業(yè)化應(yīng)用。美邁科技主要采用混合3D打印技術(shù)（3D打印+精密金屬熱成型技術(shù)），與德國Voxeljet AG、德國MK-Technology GmbH、德國RWP GmbH、美國3D SYSTEMS、英國Blayson等世界知名企業(yè)合作，為航天航空、汽車制造、機(jī)械設(shè)備、兵工裝備、船用機(jī)械等領(lǐng)域提供大型復(fù)雜精密金屬零部件的單件、中小批量快速制造服務(wù)，是中國航天科技集團(tuán)公司五院、中國北方車輛研究所、安川電機(jī)等行業(yè)頭部企業(yè)供應(yīng)商。

目前，美邁科技聯(lián)合航天五院正在共同研發(fā)“鴻翼”項(xiàng)目，該項(xiàng)目屬于“我國小型衛(wèi)星研發(fā)項(xiàng)目”中的子項(xiàng)目，研發(fā)過程中，美邁科技成功實(shí)現(xiàn)采用快干制殼技術(shù)、“蠟型3D打印+熔模鑄造”工藝，制造小衛(wèi)星蒙皮點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鋁合金精鑄件，且整套工藝流程日趨成熟穩(wěn)定，近期，產(chǎn)品已經(jīng)順利通過航天五院驗(yàn)收，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件制造即將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，自此，美邁科技成為國內(nèi)首家采用此技術(shù)路線用于制造該產(chǎn)品的企業(yè)。

2、康碩電氣集團(tuán)有限公司
康碩電氣集團(tuán)有限公司成立于2010年9月，總部位于北京，是國家級專精特新小巨人企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)，是國內(nèi)關(guān)鍵零部件領(lǐng)域智能制造系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商。

康碩電氣專注于3D打印產(chǎn)業(yè)整體解決方案以及相關(guān)材料、應(yīng)用的開發(fā)，以行業(yè)應(yīng)用和工藝為先導(dǎo)，以設(shè)備和材料為核心，為客戶提供專業(yè)的3D打印系統(tǒng)解決方案，引進(jìn)國際砂型/蠟型3D打印技術(shù)，打造以3D工業(yè)云服務(wù)平臺、3D數(shù)字化生物醫(yī)療平臺、3D文化創(chuàng)意平臺、3D智慧化工業(yè)城市四大綜合性板塊為支撐的智慧化工業(yè)集團(tuán)。

3、共享裝備股份有限公司

共享裝備股份有限公司始建于1966年，總部位于銀川，主要從事高端裝備配套的關(guān)鍵零部件的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，提供工業(yè)級鑄造3D打印設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等智能制造裝備及智能制造服務(wù)等。

共享集團(tuán)研制出大尺寸高效率鑄造砂型3D打印設(shè)備，建成全球首個萬噸級鑄造砂型3D打印數(shù)字化工廠，顛覆多品種、小批量傳統(tǒng)砂型鑄造生產(chǎn)方式。通過“標(biāo)準(zhǔn)+示范”引領(lǐng)，建成4個基于鑄造砂型3D打印的數(shù)字化工廠，實(shí)現(xiàn)砂型鑄造無吊車、無模具、無重體力勞動、無廢砂、恒溫的成形作業(yè)環(huán)境，改變了多品種小批量砂型鑄造生產(chǎn)方式，為50余家企業(yè)提供智能制造服務(wù)，推動行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。


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