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科技日報(bào)記者 趙向南

傳統(tǒng)鑄造中，制造金屬零件需模具師傅依圖紙制模，再澆鑄。制模耗時(shí)數(shù)周，零件改動則需修改或重做整套模具。如今，智能化3D打印正顛覆這一流程。

日前，康碩電氣集團(tuán)有限公司（以下簡稱“康碩集團(tuán)”）自主研發(fā)的智能化無人3D砂型打印系統(tǒng)投產(chǎn)（以下簡稱“智能砂型3D打印”）?！?D打印是逐層堆積材料的新型工藝，具有輕量化、結(jié)構(gòu)調(diào)度集成等優(yōu)勢。”康碩集團(tuán)董事長劉斌說，“智能砂型3D打印以細(xì)砂為原料，無需模具設(shè)計(jì)與制造，實(shí)現(xiàn)從砂模切片、工藝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)執(zhí)行的全流程智能化升級。其鋪砂與打印速度突破國際瓶頸，效率翻倍，精度達(dá)A類鑄件標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

康碩集團(tuán)智能化砂型3D打印擁有百余件國家專利，實(shí)現(xiàn)高端3D打印國產(chǎn)替代，擺脫進(jìn)口設(shè)備依賴，為高端裝備制造業(yè)注入強(qiáng)勁科技動能。

普通細(xì)砂制作模具

在山西晉城市高平康碩集團(tuán)生產(chǎn)車間內(nèi)，一臺標(biāo)號KSS1800A的“巨型盒子”矗立。這臺智能化砂型3D打印設(shè)備正打印“大蝸殼”砂型模具。1.8米長、1米寬的工作臺上，鋪砂器以每秒400毫米的速度鋪展裹滿固化劑的150微米細(xì)砂，打印噴車滑過，數(shù)千微孔精準(zhǔn)噴射粘結(jié)劑，與砂粒固化劑瞬間反應(yīng)粘合。

“這件模具打印2010層，每層鋪砂約3億粒，耗時(shí)8小時(shí)?！奔瘓F(tuán)副總裁、總工程師白龍介紹，打印前，技術(shù)員在自研軟件中拍圖切片，生成二維圖像，導(dǎo)入打印操作臺后，砂型參數(shù)、材料用量等關(guān)鍵信息自動生成。打印后，經(jīng)清砂、烘干等工序完成砂模生產(chǎn)?！皞鹘y(tǒng)砂模制造周期數(shù)周，我們只需1天，效率大幅提升。”白龍說。

3D打印砂模周期縮短，質(zhì)量躍升?！拔覀兊脑O(shè)備達(dá)國際先進(jìn)水平，強(qiáng)度可控、發(fā)氣量最低、透氣性最好，鑄件可達(dá)A類標(biāo)準(zhǔn)?！卑埥榻B，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)砂與液料循環(huán)利用，制造成本顯著降低。

我國鑄造業(yè)歷史悠久，產(chǎn)能占全球近半，但傳統(tǒng)制模效率低、精度差、成本高、環(huán)保壓力大，轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫。“智能化砂型3D打印是破解困局的關(guān)鍵?！卑埍硎?，“它無需技術(shù)人員設(shè)計(jì)鑄造砂型模具，解決了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)砂型工藝設(shè)計(jì)和制造周期長、效率低、質(zhì)量不高的痛點(diǎn)，將產(chǎn)品開發(fā)周期從數(shù)月壓縮至數(shù)天。同時(shí)，砂型精度和性能顯著提升，鑄件一體化、輕量化成為現(xiàn)實(shí)。制模現(xiàn)場告別‘臟亂差’，氣固液排放大幅降低，減少了對工藝人員和產(chǎn)業(yè)工人的依賴，攻克了3D打印砂型后處理質(zhì)量與效率不高的難題。”

智能化砂型3D打印為傳統(tǒng)鑄造打開新大門，應(yīng)用版圖持續(xù)拓展。目前，康碩集團(tuán)生產(chǎn)的砂型已廣泛用于有色金屬與黑色金屬鑄造，產(chǎn)品在航空航天、國防軍工、能源動力等領(lǐng)域批量應(yīng)用。

鋪平3億多粒細(xì)砂

走進(jìn)康碩集團(tuán)展廳，各式砂型模具令人目不暇接，有的由不規(guī)則形狀組成，有的由數(shù)十根管道精密交織而成，還有的縫隙細(xì)至1毫米?！斑@些砂型由智能化砂型3D打印制作，有的獲行業(yè)最高獎項(xiàng)?！卑堈f。

作為國內(nèi)關(guān)鍵零部件領(lǐng)域智能制造的頭部企業(yè)，康碩集團(tuán)曾大量進(jìn)口3D打印設(shè)備?！斑M(jìn)口蠟?zāi)４蛴C(jī)和砂型3D打印設(shè)備價(jià)格昂貴，且使用不便?！眲⒈蠡貞浀溃?jīng)過多年應(yīng)用積累，我們決定自主研發(fā)世界最好的砂型3D打印機(jī)。

從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)到造出設(shè)備，面臨巨大技術(shù)鴻溝，三大難題擺在面前：每層3億多粒打印砂如何鋪平、鋪緊？8000多個微細(xì)噴孔如何精準(zhǔn)、均勻噴射？如何實(shí)現(xiàn)比進(jìn)口設(shè)備效率翻倍的雙向鋪砂？

康碩集團(tuán)研發(fā)團(tuán)隊(duì)從底層原理入手，系統(tǒng)研究打印砂成分與技術(shù)指標(biāo)、砂與固化劑混制機(jī)理、下砂與鋪砂流體行為及微細(xì)噴射動力學(xué)過程?；A(chǔ)研究突破后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了混砂器、鋪砂器和打印噴車等試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，攻克了鋪砂均勻性和噴射一致性的兩大難點(diǎn)。

“打印噴車有8組噴頭，每組1000多個微細(xì)噴孔，我們采用高頻電壓控制技術(shù)，讓8000多個噴孔按既定程序有序噴射，實(shí)現(xiàn)精確均勻噴射?！卑堈f。

智能化砂型3D打印最具標(biāo)志性的創(chuàng)新是“雙向鋪砂”技術(shù)。國外同類設(shè)備鋪砂器只能單向作業(yè)，效率和精度打折。白龍說，我們從“古典座鐘擺錘等半角擺動”原理中獲得靈感，研發(fā)出雙向鋪砂裝置，鋪砂器來回雙向鋪砂，速度達(dá)每秒400毫米，打印速度達(dá)每秒1200毫米，每層打印時(shí)間僅需10秒，效率比進(jìn)口設(shè)備翻倍。

“這不僅是速度提升，更是從‘能打印’到‘精打印’的跨越。”白龍說。如今，康碩集團(tuán)智能化砂型3D打印系統(tǒng)擁有多項(xiàng)國際首創(chuàng)關(guān)鍵技術(shù)：雙向高速變層厚無缺陷智能鋪砂、寬幅高速變噴射量無缺陷智能打印、空氣動力高效高清潔度清砂，砂型制造效率和質(zhì)量均達(dá)國際領(lǐng)先水平?！斑M(jìn)口國外一臺3D打印高端設(shè)備動輒上千萬元，我們通過自主研發(fā)和嚴(yán)格把控成本，將價(jià)格控制在進(jìn)口設(shè)備的三分之一左右?！卑堈f。

走向智能化無人打印

數(shù)字化智能化時(shí)代，砂型3D打印不僅要“打得出”，更要“用得好”。

“單臺3D打印設(shè)備雖是核心，但打印后的出芯、清理、轉(zhuǎn)運(yùn)、檢測、倉儲等后處理環(huán)節(jié)存在質(zhì)量差、效率低、人工密集等痛點(diǎn)，制約產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程?！卑?zhí)寡浴榇?，康碩集團(tuán)研發(fā)團(tuán)隊(duì)集成智能感知、數(shù)字孿生、智能打印、圖像識別、機(jī)器人及空氣動力學(xué)等先進(jìn)技術(shù)，研制出智能化無人砂型3D打印系統(tǒng)?！斑@套系統(tǒng)有智能控制、物料自動循環(huán)、高效打印、自動出芯清砂、精度檢測及智能倉儲等八大智能體，構(gòu)建‘?dāng)?shù)字孿生+AI算法’閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從模型切片、工藝參數(shù)自優(yōu)化到全流程無人化生產(chǎn)及智能檢測的端到端智造?！卑堈f。

“智能化無人砂型3D打印系統(tǒng)是真正的智能體，從模型設(shè)計(jì)到砂模成品入庫，全部實(shí)現(xiàn)智能化無人化。”白龍說，打印材料包括硅砂、陶粒砂、碳化硅、含能材料等，可滿足生產(chǎn)及新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)快速原型開發(fā)需求，引領(lǐng)砂型3D打印進(jìn)入高品質(zhì)、高效率、大批量、低成本時(shí)代。

康碩集團(tuán)山西研究院近3年每年研發(fā)投入超5000萬元，平均每年申報(bào)注冊專利超百件?？荡T集團(tuán)還與清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)等高校聯(lián)合科創(chuàng)。白龍說，未來我們要讓砂型3D打印設(shè)備向多材料“彩色打印”、超高速砂型打印雙向制造、一體化鑄型高效打印等顛覆性技術(shù)迭代升級。

從單一砂型3D打印服務(wù)企業(yè)到自主研發(fā)3D打印設(shè)備、構(gòu)建鑄造智能生產(chǎn)體系，康碩集團(tuán)正加速向復(fù)雜關(guān)鍵零部件智造、智能裝備、無人裝備、智能產(chǎn)線集成等新興領(lǐng)域延伸。目前，康碩集團(tuán)已榮獲國家重點(diǎn)“小巨人”、國家專精特新“小巨人”、關(guān)鍵零部件領(lǐng)域創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺、國家高新技術(shù)企業(yè)等資質(zhì)。“我們要做世界最好的3D打印裝備，集成最先進(jìn)系統(tǒng)，打造世界級民族品牌?！眲⒈蟊硎?。

（科技日報(bào)記者 趙向南 攝）