馬立宏 薛蕊莉

關(guān)鍵詞：鑄造砂型，3D打印設(shè)備，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，解讀

0 引言

鑄造是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，是“中國(guó)制造2025”重點(diǎn)發(fā)展十大主機(jī)和重大技術(shù)裝備的重要支撐，各行業(yè)都要應(yīng)用鑄件。砂型鑄造作為最傳統(tǒng)的鑄造方法，仍是鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的方法之一，對(duì)鑄造企業(yè)來(lái)講，優(yōu)質(zhì)的砂型意味著高質(zhì)量的鑄件，而隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和顧客對(duì)定制化產(chǎn)品要求的不斷提高，砂型的制造周期及生產(chǎn)成本等不斷提高，為滿(mǎn)足鑄造的需求，如何精確、快速生產(chǎn)鑄造用砂型已成為當(dāng)前鑄造行業(yè)急需解決的問(wèn)題。

近些年，我國(guó)工業(yè)水平快速發(fā)展，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心技術(shù)之一，3D打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，打印的砂型可直接用于砂型鑄造，突破了先模具后鑄造的瓶頸。在政策、市場(chǎng)、技術(shù)等的多輪驅(qū)動(dòng)下，鑄造砂型3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而起。鑄造砂型3D打印技術(shù)將傳統(tǒng)砂型鑄造中模具制造、造型、制芯、合箱4個(gè)工序全部由3D打印及智能成形一個(gè)工序?qū)崿F(xiàn)，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，費(fèi)用低，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求；砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)更加靈活和高效，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜產(chǎn)品試制；可隨時(shí)打印數(shù)據(jù)更改后的產(chǎn)品，適應(yīng)性強(qiáng)；在質(zhì)量方面，3D打印砂型不受模具翻砂工藝的制約，精度達(dá)到精鑄級(jí)別，復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體自由成形，減少了組芯、合箱誤差造成的不合格。在多品種、小批量、工藝復(fù)雜的鑄件生產(chǎn)方面，與傳統(tǒng)的砂型生產(chǎn)工藝相比，3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

國(guó)內(nèi)最初開(kāi)展3D打印技術(shù)在鑄造中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究時(shí)，3D打印設(shè)備是從國(guó)外進(jìn)口的，除了設(shè)備自身成本高，其設(shè)備要求采用設(shè)備制造公司提供的型砂、樹(shù)脂、固化劑等材料，且其3D打印設(shè)備和型砂均有專(zhuān)利保護(hù)，核心技術(shù)受制于人。在試運(yùn)行階段，采用設(shè)備原配的型砂、樹(shù)脂、固化劑等材料可以打印出合格的砂型，但其成本很高，不符合國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展需求，無(wú)法進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣。面對(duì)鑄造3D打印設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的迫切需要，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛投入研發(fā)，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累和發(fā)展，最終攻克了鑄造3D打印工藝、材料、設(shè)備、軟件、關(guān)鍵零部件及集成等技術(shù)難題，同時(shí)還研發(fā)出鑄造3D打印用粘結(jié)劑等液料，擺脫了鑄造3D打印材料依賴(lài)進(jìn)口、成本昂貴等受制于人的局面，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。國(guó)內(nèi)已有30余家企業(yè)在進(jìn)行鑄造砂型打印設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)，許多家廠商在設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，適用于多種原材料各類(lèi)規(guī)格型號(hào)的鑄造砂型3D打印設(shè)備均已在鑄造生產(chǎn)中得到驗(yàn)證和運(yùn)用，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，國(guó)內(nèi)設(shè)備的保有量不斷增長(zhǎng)，發(fā)展趨勢(shì)良好。高效率鑄造裝備的投入，極大地提高了鑄造企業(yè)生產(chǎn)效率，企業(yè)鑄造生產(chǎn)能力也在不斷提高，極大提高了高端鑄件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 標(biāo)準(zhǔn)制定的主要工作過(guò)程

本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)《關(guān)于下達(dá)2020年第三批推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃的通知》（國(guó)標(biāo)委發(fā)[2020]48號(hào)），下達(dá)制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鑄造砂型3D打印設(shè)備 通用技術(shù)條件》，計(jì)劃編號(hào)為20203755-T-604。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)鑄造機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 186）提出并歸口。

按照標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃安排，由共享智能裝備有限公司牽頭成立標(biāo)準(zhǔn)起草組，起草組包括煙臺(tái)冰輪智能機(jī)械科技有限公司、廣東峰華卓立科技股份有限公司、陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司、中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所、上海航天精密機(jī)械研究所、中國(guó)海洋大學(xué)、武漢易制科技有限公司、愛(ài)司凱科技股份有限公司、中機(jī)中聯(lián)工程有限公司 、康碩（江西）智能制造有限公司、湖南云箭集團(tuán)有限公司、上海傲睿科技有限公司等13家單位。

起草工作組調(diào)研了當(dāng)前有關(guān)鑄造砂型3D打印設(shè)備及其產(chǎn)品和原材料在國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)狀況、標(biāo)準(zhǔn)體系情況、技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景等，并檢索搜集了相關(guān)的技術(shù)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)備廠家的情況，以及此類(lèi)設(shè)備的主要性能參數(shù)和已有試驗(yàn)方法進(jìn)行了初步的研究分析，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行全面總結(jié)和歸納，在此基礎(chǔ)上形成了標(biāo)準(zhǔn)工作組討論稿。

起草工作組針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)討論稿組織多次會(huì)議研討，并進(jìn)行驗(yàn)證修改，在行業(yè)內(nèi)廣泛征求意見(jiàn)并修改后，提交標(biāo)準(zhǔn)送審稿。

2021年11月全國(guó)鑄造機(jī)械專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)組織進(jìn)行了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)送審稿審查會(huì)，最后審查專(zhuān)家一致同意通過(guò)該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)送審稿，并提出了修改意見(jiàn)及建議，起草組進(jìn)行了修改，形成了標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批稿，于12月10日提交全國(guó)鑄造機(jī)械專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)秘書(shū)處。

2023年3月17日，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正式發(fā)布GB/T 42156—2023《鑄造砂型3D打印設(shè)備 通用技術(shù)規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并于2023年10月1日正式實(shí)施。

2 標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

2.1 適用范圍

該標(biāo)準(zhǔn)界定了鑄造砂型3D打印設(shè)備的術(shù)語(yǔ)和定義，規(guī)定了鑄造砂型3D打印設(shè)備的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存。

該標(biāo)準(zhǔn)適用于采用黏結(jié)劑噴射工藝制造砂型（芯）的數(shù)字化鑄造設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收。

黏結(jié)劑噴射工藝是3D打印技術(shù)的重要分支，具有成型速度快，使用粉末種類(lèi)多，無(wú)需支撐，可實(shí)現(xiàn)大型件打印等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)3D打印走向產(chǎn)業(yè)化的重要發(fā)展方向，是鑄造砂型（芯）3D打印應(yīng)用最成熟的技術(shù)。

2.2 技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)備的主要功能和性能參數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)給出了包括設(shè)備的一般要求、設(shè)備主要部件的要求、控制系統(tǒng)要求、數(shù)據(jù)接口要求、安全防護(hù)與衛(wèi)生要求、設(shè)備主要性能要求。

（1）一般要求

鑄造砂型3D打印設(shè)備應(yīng)按經(jīng)規(guī)定程序批準(zhǔn)的圖樣和技術(shù)文件制造，主要外購(gòu)件應(yīng)附有原生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品合格證明書(shū)，機(jī)械加工零件的未注公差尺寸不應(yīng)低于GB/T 1804—2000規(guī)定的m級(jí)公差要求，設(shè)備的液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、外觀質(zhì)量、標(biāo)牌等應(yīng)符合對(duì)應(yīng)的已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備的隨機(jī)附件、備件及技術(shù)文件應(yīng)齊全，并附有一定數(shù)量用于設(shè)備負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的鑄造用砂和粘結(jié)劑等原料。

（2）打印頭

打印頭與黏結(jié)劑接觸的部位應(yīng)與黏結(jié)劑具有兼容性，設(shè)備應(yīng)配備噴孔防堵塞和噴頭噴出率檢測(cè)裝置和/或程序。

（3）液料供給系統(tǒng)

液料供給系統(tǒng)中與液料接觸的零部件應(yīng)與液料具有兼容性，液料供給系統(tǒng)不應(yīng)有阻塞和滲漏現(xiàn)象，液料供給系統(tǒng)應(yīng)有過(guò)濾裝置。設(shè)備所需液料包含粘結(jié)劑、固化劑、打印頭清洗劑（如有）等。

（4）鋪砂器

鋪砂器的鋪砂均勻性偏差不應(yīng)超過(guò)5%，下砂量應(yīng)可調(diào)控。設(shè)備應(yīng)配備刮抹部件清潔裝置，刮抹部件一般是長(zhǎng)條形或圓形等形狀的部件，通過(guò)推、壓鋪設(shè)后的砂面，使砂面平整。

（5）混砂設(shè)備

混砂設(shè)備的結(jié)構(gòu)和配置型式應(yīng)與鑄造3D打印砂型工藝條件相適應(yīng)，混砂均勻性相對(duì)誤差不應(yīng)大于10%。

（6）控制系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件應(yīng)能支持模擬運(yùn)行，能動(dòng)態(tài)顯示打印層厚、打印層數(shù)、打印時(shí)間等工作參數(shù)和工作狀態(tài)信息，應(yīng)具有故障診斷功能，可記錄報(bào)警信息并能向用戶(hù)提供文本幫助。設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)具有手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)生產(chǎn)的功能。

（7）數(shù)據(jù)接口

設(shè)備應(yīng)至少具有并行接口、通用串行總線接口、以太網(wǎng)接口或無(wú)線接口中的一種接口。并行接口、通用串行總線接口、無(wú)線網(wǎng)接口應(yīng)符合相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（8）安全防護(hù)與衛(wèi)生要求

設(shè)備的安全防護(hù)與衛(wèi)生設(shè)計(jì)應(yīng)符合相應(yīng)的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)備應(yīng)配備防護(hù)罩，防護(hù)罩的開(kāi)閉應(yīng)和設(shè)備的運(yùn)行聯(lián)鎖，防護(hù)罩應(yīng)設(shè)置觀察設(shè)備運(yùn)行情況的觀察窗。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)設(shè)置限位機(jī)構(gòu)，應(yīng)具有急停和斷電保護(hù)功能。

（9）主要性能要求

對(duì)設(shè)備精度、最大成形尺寸、打印速度誤差、打印效率誤差、空運(yùn)轉(zhuǎn)和負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行了要求。設(shè)備X、Y和Z軸的定位精度不應(yīng)大于0.05mm，重復(fù)定位精度不應(yīng)大于0.02mm，最大成形尺寸不應(yīng)小于設(shè)備標(biāo)定值，設(shè)備測(cè)試的平均打印速度、打印效率與設(shè)備標(biāo)定打印速度、打印效率的誤差不應(yīng)大于10%，空運(yùn)轉(zhuǎn)和負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)符合相應(yīng)的要求。負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)設(shè)備打印出的樣件進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備的打印精度可按照打印精度測(cè)試樣件的尺寸公差進(jìn)行評(píng)定，公差等級(jí)要求應(yīng)符合表1的規(guī)定，表中尺寸公差等級(jí)DCTG4～DCTG6劃分依據(jù)GB/T 6414-2017，其所對(duì)應(yīng)的公稱(chēng)尺寸及相應(yīng)的線性尺寸公差值根據(jù)實(shí)際有所變動(dòng)。正常打印試塊的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于4 MPa，抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于0.8 MPa。

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)于設(shè)備主要性能，標(biāo)準(zhǔn)給出了相應(yīng)的試驗(yàn)方法，包括定位精度和重復(fù)定位精度試驗(yàn)、最大成形尺寸檢測(cè)、打印速度和打印效率試驗(yàn)、打印精度試驗(yàn)、鋪砂均勻性試驗(yàn)、混砂均勻性試驗(yàn)、砂型力學(xué)性能試驗(yàn)及空運(yùn)轉(zhuǎn)和負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

定位精度和重復(fù)定位精度、最大成形尺寸、打印精度、混砂均勻性及砂型力學(xué)性能試驗(yàn)等按照常規(guī)試驗(yàn)方法或已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出的方法進(jìn)行試驗(yàn)。并通過(guò)附錄A、B、C，創(chuàng)新性地給出了測(cè)試樣件、打印速度和打印效率試驗(yàn)、鋪砂均勻性試驗(yàn)的具體方法。

3 結(jié)語(yǔ)

該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)合我國(guó)鑄造砂型3D打印設(shè)備的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)而制定的，符合行業(yè)和企業(yè)現(xiàn)狀，通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，為指導(dǎo)和規(guī)范鑄造砂型3D打印設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收提供了依據(jù)，對(duì)規(guī)范市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，引導(dǎo)市場(chǎng)良性發(fā)展起到積極的作用；為鑄造砂型3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐，將促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)為推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化升級(jí)創(chuàng)造條件；為國(guó)家推動(dòng)砂型3D打印等先進(jìn)工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等政策的貫徹實(shí)施提供強(qiáng)有力的支持。