相较于常见的塑料和金属3D打印技术，砂也是一种潜在的3D打印材料，实际上，砂型3D打印与传统的砂型铸造相辅相成，可以为众多行业提供成本效益显著的解决方案。
那么，砂型3D打印是如何实现的？传统砂型铸造又是如何从3D打印技术中获益的？我们将在本文深入探讨这些问题。
首先，我们需要对传统的砂型铸造工艺有所了解，才能更深入地理解砂型3D打印对于铸造的重要性。砂型铸造是用于生产金属和其他材料的最终零件的铸造工艺，将液态材料浇铸到由耐高温的砂制成的模具。这种传统的铸造工艺最早可以追溯到公元前3200年左右，经历了多个不同的发展阶段，但基本铸造原理始终如一。
传统砂型铸造的工艺流程从绘制2D图纸开始。基于2D图纸，制作出模具，但如果要用于最终生产金属零件，则需要将模具尺寸扩大以补偿收缩。此外，模具还必须配有浇口。将制造好的阴模压入原砂中，在原砂中形成模型样式，随后将液态材料，如铝、钢、镁、铁等，通过浇口倒入模具中，冷却后从模具中取出铸件。在修整和其他加工阶段之后，铸件进入精加工阶段。作为精加工阶段的一部分，还必须拆除浇注系统。尽管砂型铸造已有许多成功案例，但从上述步骤可以看出，这是一个复杂且步骤繁多的铸造工艺。而这正是3D打印可以发挥的优势所在，传统铸造工艺与3D打印技术的结合能够提高整个工艺流程的效率。空腔零件的模具或型芯可以通过CAD建模并砂型3D打印出来，省去了模型设计、模型制作和在模框中压印等步骤。简而言之，3D打印为实现预期目标提供了一条捷径，有效节约时间、成本和资源。
在深入探讨3D打印能够带来的诸多好处之前，让我们先来了解一下砂型3D打印本身。与沙坑或海滩上的沙子不同，砂型3D打印使用的是石英砂。石英砂主要由石英颗粒组成。
不同合金类型的最终零件，可以选择不同类型的石英砂。SH-F01石英砂呈哑光黑色，而SH-P14呈米色，是一款典型的沙子原色。这两种砂都具有较高的耐热性和强度。SH C052合成砂是一种陶瓷基材料，具备与上述两款砂相似的的性能特点。在砂型3D打印中，砂型通过粘结剂喷射，将砂转变为模具。
与其他3D打印技术相比，粘结剂喷射更具高效性。这不仅适用于聚合物或金属粉末加工，同样适用于砂型加工。因此，粘结剂喷射技术不仅能够跳过传统砂型铸造的多个步骤，还能显著提高模具生产的效率。节约的生产时间也将带来更多的经济收益。在整个生产过程中，采用砂型3D打印技术最多可降低75%的成本。
*一名设备操作员正在清理3D打印型芯上的余砂（来源：Hoosier）3D模型是基于数字CAD文件，因此可以轻松进行个性化修改和调整。此外，3D打印还可以实现复杂的几何形状，并进行任何规模的生产。另一优势是粘结剂喷射成型的砂模尺寸精确，可根据需求生产相应数量的模具。同时，砂型3D打印可以更好地满足客户需求，具有竞争优势。
除了节约时间和成本外，砂型3D打印的优势还体现在节能环保。相较于传统铸造过程，砂型3D打印不再需要额外加工材料来制作出实物模型。增材制造技术是直接在所需区域加工材料，因此减少了废料的产生。石英砂也是一种环保材料，其供应量几乎不受限制，部分未使用的打印粉末也可以重复使用。从这个意义而言，砂型3D打印有助于实现可持续生产，对降低碳排放具有积极意义。
砂型3D打印广泛应用于各种领域的模具制造，尤其是需要高效生产复杂零件的应用领域。例如汽车、航空航天领域中，砂型3D打印具体应用在车轮或螺旋桨等零部件的制造。英国铸造厂Boro Foundry就曾使用3D打印的砂模来生产备件。对于一辆历史悠久的蒸汽机车，Boro Foundry根据20世纪50年代的原始工程图纸制造了一个新的过热器头。通过使用砂型3D打印，铸造厂节省了2/3的成本，并将组装时间从超过14小时减少到仅需3.5小时。砂型3D打印还可用于家具设计、艺术创作和修复领域，并且适用于制作原型和小批量产品生产。
*砂型3D打印的车轮模具（来源：voxeljet维捷三维）
voxeljet维捷三维、峰华卓立、共享智能装备、ExOne等国内外3D打印企业专注于砂型加工，将传统铸造工艺与灵活高效的砂型3D打印技术相融合，持续优化和提高生产供应环节。德国企业voxeljet维捷三维提供多种砂型3D打印系统，包括VX200、500、1000、2000和 4000等，不同设备提供不同尺寸的打印平台。2023年，作为宝马集团最大的零部件工厂，兰茨胡特工厂的首条砂芯3D打印工业化生产线是voxeljet维捷三维的一个重要里程碑，也使宝马集团得以推进其发动机零件的设计。
*voxeljet VX4000是目前最大的砂型3D打印机（来源：voxeljet）
峰华卓立自主研发生产的砂型3D打印机PCM系列，型号从PCM450到PCM2500，覆盖市面上基本所有需求，同时支持定制化生产。共享智能装备在2024年TCT亚洲展Innovation Gallery 创新展区展示了【砂·3D打印音箱】，以石英砂为原材料，由砂型3D打印设备AJS 2500一体成型打印而成，产品具有独特的砂砾质感，于细节中展现科技的浪漫。已研发多款砂型3D打印设备投入市场。
2021年，ExOne被Desktop Metal收购，但仍在经营砂型3D打印业务，并专注于粘结剂喷射系统，是砂型3D打印的领导者之一。
尽管与树脂、聚合物和金属3D打印相比，砂型3D打印的应用范围较窄，但它确实能够满足特定的需求。因此，越来越多的服务提供商为了更好地满足客户需求，将砂型3D打印纳入自己的服务范围，并帮助希望通过3D打印技术优化砂型铸造工艺流程，但自身又没有资源投资砂型3D打印机的小型铸造厂。*文中提到的公司不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。图片来自于网络，仅作辅助阅读的用途，不存在商业目的。版权归属于原作者，一旦有任何侵权之举，请权利人及时与我们联系，我们会即刻删除。
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