我们都知道，当今世界的主流制造工艺是模具工艺。模具工艺也素有“工业之母”的称号。我们生活中的许多日常消费品，都是由模具工艺制造而来。

模具与其制成的消费品和工业品

提到模具，就不能不说到铸造工艺。

铸造，就是往一个模具里头灌热的金属浆，金属浆成型冷却后就有了预期的形状。

是不是很像香港的著名小吃鸡蛋仔，也是把鸡蛋浆放入一个黑色的插着电的有很多球型隆起的模具里，那么等下成型后的样子就是一个个圆球状的啦。

工业产品的铸造，可不像鸡蛋仔的形状那么简单。很多工业零件的模具，是由一整套组合拼接、组合而成。

这一整套模具，都可以通过3D打印技术来完成。在3D打印机的CAD文件里，一整套模具是这样“平躺”在打印台上的。

由于成型缸的空间是比较充裕的，所以出于节省成本的考虑，在打印之前，工程师能够把很多模型文件都导入进去。所以每次打印之前，模型数据看起来密密麻麻的。

打印数据文件准备好后，就可以把成型箱推入到打印机里，开始安排打印了。

与常见的桌面型3D打印机不同，一台砂型3D打印机体积是相当大的，因此只有在工厂里才能看到。以2米1米1米成型体积的3D打印机德国Voxeljet为例，下图可以直观地看到机器与人的大小比例。

3D打印的过程，就是先铺一层砂，用粘接剂进行固化，然后层层叠加。砂模的材料是石英砂，由于是利用树脂把砂材料粘结起来，所以这种砂也叫树脂砂。

树脂砂材料的层厚可以低至仅仅300微米（三根人类头发丝的厚度）。

打印过程

在模具领域，树脂砂被各国公认为是未来的发展方向。美国、日本和瑞士等国已经采用树脂砂铸造出单件达几十吨或上百吨的铸件。而利用3D打印制成的树脂砂，在成本、交付时间上都有着明显的优势，并且不受到复杂几何形状的制约。

打印完成后，工作人员在成型箱前进行清理

打印完成后就是铸造的过程。我们以涡轮工业件的制作为例，看看它是怎么被铸造出来的。

在第三步，我们看到“3D打印模具与传统模具的组合”。因为一套模具往往是由砂芯和外模组合在一起的，砂芯的结构比较复杂，外模相对简单。所以很多厂家出于成本的考量，只用3D打印来制作砂芯，外模还是用传统工艺制造。

下图为3D打印与传统的铸造模式的对比。

在铸造工业中，传统的流程一般是：

CAD设计→预处理→工装夹具制造→砂型制造→铸造。

周期在4周甚至更长。

而3D打印的流程是：

CAD设计→预处理→砂型打印→铸造。

最快的话5天就可以完成，交货期按“天”计算而不是按“周”。省去了大量昂贵、繁琐的中间环节。

其实，这种3D打印砂型模具的铸造技术并非德国独有。

在我国，3D打印技术给铸造业带来了“神奇”变化。中央电视台和工信部联合制作的大型工业纪录片《大国重器》，介绍了我国自主研发的3D砂型打印机。

这台让研发人员付出了7年光阴的3D砂芯打印机，其高为5.2米，重35吨，打印精度0.3毫米,它的体积比目前国外最大的机型还要大两倍，让3D打印制造出更大的、精度更高的铸件成为可能。

3D打印机均匀铺砂，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。

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。

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。

Q

为什么世界各国如此重视

砂型3D打印技术？

A

根据麦肯锡预测，到2020年，3D打印在模具领域的市场影响将达到300亿-500亿美元。什么概念？整个模具市场占有3600亿美元，3D打印占据了十分之一。在模具的应用中，30%-50%的塑料模具都将是3D打印的。可见这是一个巨大的市场。

上文所展示的这些砂型3D打印工业品，更像是艺术品。他们代表了智能制造的未来，带来了巨大的经济效益，也直接或间接地让我们的生活更加美好。

在中国3D打印文化博物馆的展厅里，就收藏并展示了这些砂型3D打印的“艺术品”。我们希望更多的人了解3D打印技术，发现科技之美。

中国3D打印文化博物馆展出的砂型模具

了解3D打印模具在工业铸造的应用

始终坚信，科学的未来是让我们这些年轻人爱上科学。