智能砂型3D打印：砂里“长”出精密模具
传统铸造中，制造金属零件需模具师傅依图纸制模，再浇铸。制模耗时数周，零件改动则需修改或重做整套模具。如今，智能化3D打印正颠覆这一流程。
日前，康硕电气集团有限公司（以下简称“康硕集团”）自主研发的智能化无人3D砂型打印系统投产（以下简称“智能砂型3D打印”）。“3D打印是逐层堆积材料的新型工艺，具有轻量化、结构调度集成等优势。”康硕集团董事长刘斌说，“智能砂型3D打印以细砂为原料，无需模具设计与制造，实现从砂模切片、工艺设计到生产执行的全流程智能化升级。其铺砂与打印速度突破国际瓶颈，效率翻倍，精度达A类铸件标准。”
康硕集团智能化砂型3D打印拥有百余件国家专利，实现高端3D打印国产替代，摆脱进口设备依赖，为高端装备制造业注入强劲科技动能。
普通细砂制作模具
在山西晋城市高平康硕集团生产车间内，一台标号KSS1800A的“巨型盒子”矗立。这台智能化砂型3D打印设备正打印“大蜗壳”砂型模具。1.8米长、1米宽的工作台上，铺砂器以每秒400毫米的速度铺展裹满固化剂的150微米细砂，打印喷车滑过，数千微孔精准喷射粘结剂，与砂粒固化剂瞬间反应粘合。
“这件模具打印2010层，每层铺砂约3亿粒，耗时8小时。”集团副总裁、总工程师白龙介绍，打印前，技术员在自研软件中拍图切片，生成二维图像，导入打印操作台后，砂型参数、材料用量等关键信息自动生成。打印后，经清砂、烘干等工序完成砂模生产。“传统砂模制造周期数周，我们只需1天，效率大幅提升。”白龙说。
3D打印砂模周期缩短，质量跃升。“我们的设备达国际先进水平，强度可控、发气量最低、透气性最好，铸件可达A类标准。”白龙介绍，系统还实现砂与液料循环利用，制造成本显著降低。
我国铸造业历史悠久，产能占全球近半，但传统制模效率低、精度差、成本高、环保压力大，转型升级迫在眉睫。“智能化砂型3D打印是破解困局的关键。”白龙表示，“它无需技术人员设计铸造砂型模具，解决了传统铸造行业砂型工艺设计和制造周期长、效率低、质量不高的痛点，将产品开发周期从数月压缩至数天。同时，砂型精度和性能显著提升，铸件一体化、轻量化成为现实。制模现场告别‘脏乱差’，气固液排放大幅降低，减少了对工艺人员和产业工人的依赖，攻克了3D打印砂型后处理质量与效率不高的难题。”
智能化砂型3D打印为传统铸造打开新大门，应用版图持续拓展。目前，康硕集团生产的砂型已广泛用于有色金属与黑色金属铸造，产品在航空航天、国防军工、能源动力等领域批量应用。
铺平3亿多粒细砂
走进康硕集团展厅，各式砂型模具令人目不暇接，有的由不规则形状组成，有的由数十根管道精密交织而成，还有的缝隙细至1毫米。“这些砂型由智能化砂型3D打印制作，有的获行业最高奖项。”白龙说。
作为国内关键零部件领域智能制造的头部企业，康硕集团曾大量进口3D打印设备。“进口蜡模打印机和砂型3D打印设备价格昂贵，且使用不便。”刘斌回忆道，经过多年应用积累，我们决定自主研发世界最好的砂型3D打印机。
从应用经验到造出设备，面临巨大技术鸿沟，三大难题摆在面前：每层3亿多粒打印砂如何铺平、铺紧？8000多个微细喷孔如何精准、均匀喷射？如何实现比进口设备效率翻倍的双向铺砂？
康硕集团研发团队从底层原理入手，系统研究打印砂成分与技术指标、砂与固化剂混制机理、下砂与铺砂流体行为及微细喷射动力学过程。基础研究突破后，团队设计制造了混砂器、铺砂器和打印喷车等试验装置，通过试验验证关键技术，攻克了铺砂均匀性和喷射一致性的两大难点。
“打印喷车有8组喷头，每组1000多个微细喷孔，我们采用高频电压控制技术，让8000多个喷孔按既定程序有序喷射，实现精确均匀喷射。”白龙说。
智能化砂型3D打印最具标志性的创新是“双向铺砂”技术。国外同类设备铺砂器只能单向作业，效率和精度打折。白龙说，我们从“古典座钟摆锤等半角摆动”原理中获得灵感，研发出双向铺砂装置，铺砂器来回双向铺砂，速度达每秒400毫米，打印速度达每秒1200毫米，每层打印时间仅需10秒，效率比进口设备翻倍。
“这不仅是速度提升，更是从‘能打印’到‘精打印’的跨越。”白龙说。如今，康硕集团智能化砂型3D打印系统拥有多项国际首创关键技术：双向高速变层厚无缺陷智能铺砂、宽幅高速变喷射量无缺陷智能打印、空气动力高效高清洁度清砂，砂型制造效率和质量均达国际领先水平。“进口国外一台3D打印高端设备动辄上千万元，我们通过自主研发和严格把控成本，将价格控制在进口设备的三分之一左右。”白龙说。
走向智能化无人打印
数字化智能化时代，砂型3D打印不仅要“打得出”，更要“用得好”。
“单台3D打印设备虽是核心，但打印后的出芯、清理、转运、检测、仓储等后处理环节存在质量差、效率低、人工密集等痛点，制约产业化进程。”白龙坦言。为此，康硕集团研发团队集成智能感知、数字孪生、智能打印、图像识别、机器人及空气动力学等先进技术，研制出智能化无人砂型3D打印系统。“这套系统有智能控制、物料自动循环、高效打印、自动出芯清砂、精度检测及智能仓储等八大智能体，构建‘数字孪生+AI算法’闭环系统，实现从模型切片、工艺参数自优化到全流程无人化生产及智能检测的端到端智造。”白龙说。
“智能化无人砂型3D打印系统是真正的智能体，从模型设计到砂模成品入库，全部实现智能化无人化。”白龙说，打印材料包括硅砂、陶粒砂、碳化硅、含能材料等，可满足生产及新产品结构快速原型开发需求，引领砂型3D打印进入高品质、高效率、大批量、低成本时代。
康硕集团山西研究院近3年每年研发投入超5000万元，平均每年申报注册专利超百件。康硕集团还与清华大学、北京工业大学、中北大学等高校联合科创。白龙说，未来我们要让砂型3D打印设备向多材料“彩色打印”、超高速砂型打印双向制造、一体化铸型高效打印等颠覆性技术迭代升级。
从单一砂型3D打印服务企业到自主研发3D打印设备、构建铸造智能生产体系，康硕集团正加速向复杂关键零部件智造、智能装备、无人装备、智能产线集成等新兴领域延伸。目前，康硕集团已荣获国家重点“小巨人”、国家专精特新“小巨人”、关键零部件领域创新成果产业化公共服务平台、国家高新技术企业等资质。“我们要做世界最好的3D打印装备，集成最先进系统，打造世界级民族品牌。”刘斌表示。