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大国重器:世界最大3D砂芯打印机在中国

3D打印技术的应用在我们的生活中随处可见,我们前沿竞技场曾介绍过多种3D打印机,大多小巧精悍,在医学领域发挥着不小的功劳。今天要说的这台3D打印机可是个大家伙,大到可以说是全世界最大的3D砂芯打印机了。更重要的是,它的原材料全部都是咱们中国自主研发的哦!



3D打印技术的应用分类


传统的铸造生产是设计-模具-造型-浇注-清理-后处理-机加。3D打印学名为增材制造技术,其工作原理是将计算机设计出的三维模型分解为若干层平面切片,然后把“打 印”材料按切片图形逐层叠加, 最终“堆积”成完整的物体。


目前,3D打印主要用在3个方面:大众消费 (桌面级)、工业级、生物工程级。 


1.大众消费(桌面级)。用于工业设计、 工艺设计、珠宝、玩具、文化创意等领域。 


2.工业级又有两个方面,一是原型制造, 主要用于模具、模型等行业。二是产品制造, 包括大型金属结构件和小型金属零部件的直接制造。 


3.生物工程级。如打印器官、 骨骼、牙齿、细胞、软组织等。


我们经常看到的3D人偶属于第一类,3D打印的器官也常在医疗领域代替人体组织,而今天的主角——3D砂芯打印机就属于第二类。


最大有多大?


这台让研发人员付出了7年光阴的3D砂芯打印机,它的体积比目前国外最大的机型还要大两倍,但它的设备成本降低了三分之二,生产效率提高了5倍。像火车内燃发动机那样的大型铸件之前需要十几块砂芯才能组装完成,现在一次就可以成型。


图片中的场景是3D砂芯打印机首次打印内燃机发动机的气缸盖。发动机气缸盖是全球铸铁领域最有代表性,且工艺最复杂的产品。 

工作人员将参数输入打印机后,砂箱推入,打印开始。  



铺砂器均匀铺砂,动作舒展,每一层都展现出完美的平整度。 



上万个5微米的喷孔,在计算机的控制下,根据砂芯的截面图形喷射树脂。树脂与砂子中的固化剂进行反应,形成固化,勾画出砂芯的截面。每打印完一层,升降平台就下降一层。铺砂器铺砂,打印喷头喷出树脂,交替进行。  



经过2000层的堆叠,中国自主设计制造的3D砂芯打印机完成了它的第一个作品。 



经过吹砂这道程序,固化的砂芯渐渐呈现。



简直完美!



最大3D砂芯打印机核心部件——铺砂器


打印机体积越大,铺砂器安装难度也就越大。这是决定未来打印机精度的关键步骤。长2.5米的铺砂器比国外机型长出近1米,对安装的水平要求极高,与铺砂器等长的刮砂板,平整度必须控制在0.02毫米以内,哪怕是一粒砂的瑕疵,也会影响到整台机器的精度。

下砂口,中国工程师采用了与国外设备完全不同的设计,将4毫米固定宽度的下砂口改成了2-8毫米可任意调节。这样不仅能让高端砂芯精度更高,同时还能打印大颗粒低端砂芯。

2.5米长的铺砂器,安装缝隙必须绝对均匀,误差不能超过0.05毫米,这样铺出来的砂芯才会绝对平整。


铺砂器要铺砂1500-2000层,每层砂子厚度不能超过0.3毫米(一粒砂的直径),只要有一层没达到水平,之后所有的砂子都将倾斜,导致整个砂芯报废。



看到没?我们在沙滩上踩的砂子是柔软且不成型的,而3D砂芯打印机制作出来的砂芯是结实、有密度的,用力踩也不会有很大的形态变化。



缝隙的大小决定着下砂量和铺砂均匀度,精准控制缝隙大小,是保证产品表面精度的基础。


刮砂板上60个螺栓的松紧度决定着下砂的均匀度,每一个螺栓的扭动数据都是经过精确计算的。光是摸索这些数据,五位工程师就整整计算了四年。



慢工出细活,这不是假话。


砂料、树脂都是高性价比的国货


适合3D砂芯打印机的砂料在整个作业流程中也是非常重要的,砂料的粒度、酸耗值、微观形态等数十项参数都会影响砂料的打印质量。我国原先使用进口砂料的最大问题就是成本,加上运费,相当于2000元一吨。而在使用国产砂替代后,成本下降了三分之二。


砂子能否循环再利用,关键在于树脂和固化剂,固化剂这一难题在一年前就已经得到解决,这样成本就降到了国外的四分之余。剩下的就要看树脂的品质了。树脂的纯净度、黏度和表面张力决定了树脂喷出的均匀度和流畅性。一旦树脂过黏堵塞喷孔,砂芯打印精度就要大打折扣,还可能造成价值上百万元的喷头报废。那国产树脂品质如何呢?

工程师做了这样一个实验:用国产树脂和进口树脂分别在这一米长的打印头上测试,这打印头上共有7000多个直径只有50微米的喷孔,那喷出的效果如何?


图片一对比,一个平整,一个粗糙,能明显看出国产树脂的流动性更胜一筹。




7年光阴,12项关键技术突破,132项专利,原材料全部国产化,这就是大国重器,这就是中国制造。


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