引言

增材制造技术（3D打印）打破传统制备工艺的束缚，借助计算机辅助设计，以数字模型为基础，利用离散/堆积原理将零件三维模型分割成多个二维截面，通过叠加的方式将截面堆积成三维实体，涉及到机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、农业器械、建筑、医疗器械等领域，3D打印在可直接制造出各种结构的金属或非金属零件，具有无模具、周期短、降低小批量生产成本、复杂零件对加工无影响等优点[1]。

现代工业产品的制造非常依赖于模具，目前我国的铸造企业有近3万家，约占世界产量的一半。传统铸造、锻造和机械加工在制备复杂模具时，存在噪声大、粉尘大、设备笨重、技术难度大、时间长、成本高等诸多问题，尤其是制造几何形状复杂的模具时，难以满足模具对致密度和精度的要求，极大缩短了模具的使用寿命；同时，在制造复杂模具过程中，在锻造加工早期会出现疲劳断裂，且难以用切削加工制造形状复杂的模具，极易损坏刀具。因此，急需探索新工艺、新技术来解决复杂模具的加工制备问题，满足工业发展对结构复杂零件的需求[2]。

介于此，将增材制造技术和铸造技术相结合，进行优势互补，提高铸造柔性、缩短制备周期、提高生产效率，保证产品品质及精度、确保产品使用性能、实现单件小批量生产，对于现代铸造行业的发展与改革具有重要的意义。本文将简介增材制造技术在铸造方面的工作原理和发展，并在此基础上探讨增材制造技术在砂型铸造方面的优势及应用。

1 增材制造铸造的原理与发展

1.1 砂型铸造的原理和特点

选择性激光烧结（简称SLS）的方式是增材制造技术中砂型、砂芯铸造的主要方式之一，将砂粒和粘结剂通过激光直接烧结成各种实体形状的技术。SLS使用砂粒和粘结剂可以快速制作铸造用的砂型、砂芯，砂粒表面被树脂等粘结剂包裹，在激光烧结快速成型时，通过激光加热粘结剂使其受热熔化后冷却固化，使覆膜砂粘接形成砂型、砂芯。

喷射层叠砂型铸造是增材制造技术与传统砂型铸造相结合形成的新型铸造方式，是以型砂为基础材料，以树脂、固化剂为固化材料，采用增材制造技术的特点，按照逐铺砂并喷射粘结剂的方式，生产出所需铸件砂型、砂芯。相比较传统的铸造模具生产方法，采用本方法生产的铸造模具精度更高、对于复杂模具更节省时间等特点。

1.2 增材制造铸造的发展及现状

3D打印技术应用于铸造业上包括烧结覆膜砂的砂型铸造、烧结有机材料用于熔模铸造，喷射层叠砂型铸造。代表性企业包括美国3DSystems公司、德国EOS、中国共享装备股份有限公司、北京隆源自动成形系统公司、武汉华科三维科技有限公司、TPM3D盈普、华曙高科等[3]。

国内的北京隆源自动成形系统公司激光烧结设备和配套的烧结工艺较为成熟，在汽车缸体、缸盖等复杂零件的铸造上得到广泛的应用。广西玉柴机器股份有限公司，利用华东科技大学研发的HRPS-V激光选区烧结快速成形机直接烧结树脂覆膜砂砂型、砂芯，进行蠕墨铸铁浇铸得到了合格的KJ100大型缸盖铸件。

喷射层叠砂型铸造是增材制造技术与传统砂型铸造相结合形成的新型铸造方式。共享装备股份有限公司在2015推出了工艺、材料、软件、集成及设备全部为国产化的工业级铸造砂型3D打印机。在2018年由华中科技大学等单位承接的“杂零件整体铸造的型（芯）激光烧结材料制备与控形控性技术”项目荣获国家科技进步二等奖，使我国增材制造铸造领域在国际达到先进水平，上述两种增材铸造方式均属于我国在国际领域的佼佼者，真正实现了铸造3D打印产业化应用的国内首创和铸造行业“绿色智能”转型，大大提高了模具铸造精度、效率和经济性。

2 增材制造砂型铸造的优势及应用

2.1 增材制造在砂型铸造中的优势

铸件产品设计与试制铸造方法在生产复杂零件尤其是大型复杂零件方面有着无与伦比的优势，但铸件生产周期长，制约着铸件产品的设计与试制。影响铸件生产周期的主要原因之一是设计、制造模具周期长。

增材制造在铸造中有许多优势，传统的砂型铸造模具生产中，往往需要先制备一个或多个零件做母模，采用母模去制造砂型铸造模具，而采用增材制造的方法，无需先制备母模，成本低、效率高，不仅省去了复杂的母模制备过程，并且在理论上可以实现各种复杂结构砂型的直接制备，体现了对复杂结构的强大适应性。