第一章：深層剖析：傳統鑄造缺陷的根源挑戰

1.1 常見的鑄造缺陷及其深層成因

鑄造缺陷是導致報廢率居高不下的直接原因。這些缺陷并非偶然，而是由傳統鑄造工藝固有的物理和流程限制所決定。

首先是氣孔與縮孔。氣孔主要源于金屬液在澆注和凝固過程中氣體（如氫氣、模具發氣）的卷入或無法有效排出。當液態金屬中溶解的氣體在冷卻凝固時因溶解度降低而釋放，如果未能及時排出，就會在鑄件內部或表面形成氣泡。與之相關的是縮孔，這是金屬在凝固過程中體積收縮的自然現象。如果冷卻系統設計不當，導致局部模具溫度過高，或補縮不足，便會形成內部空洞或凹陷，即所謂的縮孔。

其次是夾砂與錯型。在傳統砂型鑄造中，砂型和砂芯通常需要由多片分別制作后進行組裝和粘接。在這個過程中，任何微小的砂芯破裂或粘接不當都可能導致砂粒被卷入金屬液中，形成夾砂缺陷。此外，如果模具分型面或砂芯定位不精準，還可能引發鑄件上下部分錯位的錯型缺陷。

最后是冷隔與裂紋。當金屬液流動性差、澆注溫度過低或流道設計狹窄時，兩股金屬流在前沿未能完全融合便已凝固，便會留下弱連接的冷隔。而在冷卻凝固過程中，如果鑄件內部存在不均勻的應力，則可能在收縮時產生熱裂紋。

1.2 傳統模具制造的“高成本”與“低效率”困境

傳統鑄造流程的另一個核心痛點在于其模具制造環節。傳統的木模或金屬芯盒制造是一個勞動密集、對高技能工人依賴性極強的過程，其周期漫長且成本巨大。任何細微的設計修改都意味著需要重新制作模具，從而帶來高昂的額外成本和數周甚至數月的等待時間 。

這種對物理模具的過度依賴，也從根本上限制了鑄件的設計自由度。傳統制模工藝無法一體成型復雜的內部流道和中空結構，必須將其拆解成多個獨立的砂芯，再通過復雜的工裝和人工進行組裝 ²。這種流程上的限制迫使設計師們妥協，犧牲零件的性能以換取可制造性，例如簡化冷卻通道以適應鉆孔工藝，從而無法實現最佳的冷卻效果。

綜上所述，傳統鑄造的高報廢率并非孤立的技術問題，而是其核心流程的產物。傳統的“物理試錯”模式使得鑄造廠在發現缺陷后，需要經過漫長的模具修改和重新試產過程，這是一種高風險、低效率的循環。3D打印的革命性價值在于，它提供了一個“無模化”的解決方案，從根本上重塑了整個生產流程，將傳統的“物理試錯”模式轉變為“數字模擬驗證”，將風險前置，從而從源頭消除了大部分報廢誘因。

第二章：3D打印：從技術到解決方案的革命性突破

2.1 無模化生產：從根本上消除報廢誘因

3D打印的核心優勢在于其“無模化”的生產方式，這使得它能夠直接繞過傳統鑄造中所有與模具相關的固有挑戰，從而從根本上降低報廢率。

直接從CAD到砂型。 增材制造中的粘結劑噴射（Binder Jetting）技術 是實現這一目標的關鍵。其工作原理是，工業級打印頭根據三維CAD數字模型，將液態粘結劑精準地噴射在薄薄的粉末（如硅砂、陶瓷砂）層上。通過逐層粘結，數字文件中的三維模型便以實體砂型或砂芯的形式構建出來。這一過程徹底擺脫了對物理模具的依賴。由于無需漫長的模具設計和制造，制模周期可以從數周甚至數月縮短至數小時或數天，實現了“按需打印”和對設計變更的快速響應，大幅降低了前期投入和試錯成本。

一體成型與復雜結構。 3D打印的層積制造方式賦予了前所未有的設計自由度。它能夠將傳統工藝中必須拆分成多個部分的復雜砂芯，如發動機內部的蜿蜒流道，一體成型為單個整體。這不僅簡化了鑄造流程，更重要的是，它徹底消除了砂芯組裝、粘接和錯位環節，從而根除了因此類問題引起的夾砂、尺寸偏差和錯型等常見缺陷。

2.2 優化工藝：用數據保障鑄件品質

3D打印的價值遠不止于“無模化”本身。它將制造流程提升至一個全新的數字化維度，使得在物理制造之前就能用數據進行驗證和優化，將“事后補救”變為“事前預見”。

數字模擬與設計。 在3D打印之前的數字化設計階段，工程師可以利用先進的有限元分析（FEM）軟件對澆注、補縮和冷卻過程進行精確的虛擬模擬。這使得在實際生產前就能預見并修正可能導致氣孔、縮孔或裂紋的潛在缺陷。例如，通過模擬金屬液在流道中的流動，可以優化澆注系統設計，確保平穩填充和有效排氣。這種數字化的預見性極大地提升了首次試制成功率，從源頭保障了鑄件的良品率。

優異的型砂性能。 3D打印砂型因其逐層構建的特性，可以實現傳統工藝難以達到的均勻致密性和透氣性。這對于鑄造過程至關重要。均勻的透氣性確保了在澆注過程中，砂型內部產生的氣體能夠順暢排出，顯著減少因排氣不暢導致的氣孔缺陷。

隨形冷卻。 隨形冷卻技術是3D打印在鑄造模具領域的另一個革命性應用。通過金屬3D打印制造的模具鑲件，其冷卻流道可以完全仿照鑄件表面輪廓進行設計。這實現了快速、均勻的冷卻，顯著減少了因不均勻收縮導致的變形和縮孔，從而大幅降低了報廢率。根據相關數據，使用隨形冷卻的模具可將注塑周期時間縮短高達70%，同時顯著提升產品質量。

從“物理試錯”到“數字預見”。 3D打印的核心貢獻在于將傳統鑄造的“試錯”模式轉變為“預見性制造”。它使得鑄造廠能夠以低成本、高效率的方式在數字環境中進行無數次迭代，這是一種根本性的思維模式和商業流程的轉變。這種“混合制造”模式使得3D打印技術更容易被傳統鑄造廠采納，并實現最高效的生產。例如，可以使用3D打印來制造最復雜、最容易出錯的砂芯，再將其與傳統方法制作的砂型相結合，從而實現“取長補短”。

第三章：三帝科技：賦能鑄造業的數字化引擎

3.1 核心設備：鑄造革新的“硬實力”

作為中國增材制造領域的先行者和領導者，三帝科技（3DPTEK）以其自主研發的核心設備，為鑄造業提供了強大的“硬實力”支撐。

公司的核心產品系列是3DPサンドプリンター，突出其在技術上的領先地位。旗艦設備3DPTEK-J4000擁有4000×2000×1000毫米的超大成型尺寸，使其在全球范圍內都極具競爭力。這一超大尺寸使得大型復雜鑄件能夠一體成型，無需進行拼接，進一步消除了因拼接導致的潛在缺陷。同時，例如

3DPTEK-J1600Plus等設備具備±0.3毫米的高精度和高效的打印速度，確保在快速生產的同時實現卓越品質。

此外，三帝科技的SLS（選擇性激光燒結）設備系列，如レーザーコア-6000，在精密鑄造領域同樣表現出色。該系列設備特別適用于熔模鑄造蠟模的制造，為航空航天、醫療等高端、精細零件提供了更為精準的解決方案。

值得一提的是，三帝科技不僅是設備供應商，更是材料與工藝方案的專家。公司自主研發了超過20種粘結劑和30種材料配方，兼容鑄鐵、鑄鋼、鋁、銅、鎂等多種鑄造合金 。這確保了其設備能夠無縫集成到各種鑄造應用中，為客戶提供全方位的技術支持。

3.2 全鏈路服務：一體化鑄造解決方案

三帝科技的競爭優勢不僅僅在于其硬件，更在于其提供的全鏈路一體化解決方案。公司擁有強大的“三位一體”創新系統——“研究機構+博士后工作站+研發團隊”。這一模式確保了技術的持續迭代和創新動能，其積累的超過320項專利是其技術領導地位的有力佐證。

公司提供涵蓋從設計、3D打印到鑄造、機加工和檢測的“一站式”交鑰匙服務。這種垂直整合的模式極大地簡化了客戶的供應鏈管理，減少了溝通成本和風險，使得鑄造廠能夠更專注于核心業務。

3.3 經典案例：數據驅動的價值證明

成功的案例是說服潛在客戶最具說服力的工具。三帝科技通過一系列實際項目，量化了3D打印技術帶來的顯著商業價值。

以汽車水冷電機殼體為例，這一案例完美展示了3DP砂鑄工藝如何解決“大尺寸、薄壁、復雜螺旋冷卻通道”的一體成型難題 ²¹。該技術在新能源汽車領域的成功應用，證明了其在高性能、復雜結構鑄件生產中的顯著優勢。

在另一個工業泵體的案例中，三帝科技采用了“3DP外模+SLS內芯”的混合制造模式。這種取長補短的策略將生產周期縮短了80%，同時將鑄件的尺寸精度提升到CT7級，完美地佐證了混合制造模式的強大效能。

而與欣鑫鑄造的合資項目則提供了最為有力的商業論證。通過引入3D打印技術，該鑄造廠實現了營業額增長135%，利潤率翻倍，交付周期減半，成本降低30%。這一系列的量化數據為3D打印技術在鑄造業的投資回報提供了無可辯駁的證明。

以下表格直觀展示了3D打印如何從技術和商業價值層面解決鑄造行業的痛點：

第四章：展望未來：鑄造業的數字化與可持續發展

3D打印技術正引領鑄造業從傳統“制造”向“智造”的根本性轉型。根據相關報告，中國的增材制造產業規模持續高速增長，2022年已超過320億人民幣。這一數據清晰地表明，數字化轉型已成為不可逆的行業趨勢。

未來，3D打印將與人工智能（AI）、物聯網等技術深度融合，實現生產線的全自動化和智能化管理。鑄造廠可以利用AI算法來優化鑄造參數，利用物聯網傳感器實時監控生產過程，從而進一步提升良品率和生產效率。

此外，3D打印在實現復雜輕量化設計方面的獨特優勢，將助力汽車、航空航天等下游產業提升產品性能并降低能耗，這完美契合全球可持續發展的要求。3D打印的按需生產模式和極高的材料利用率（可回收90%以上的未粘結粉末），也大幅減少了廢棄物產生，為鑄造業帶來了環境友好型的發展路徑。

結語 3D打印并非鑄造的終結者，而是其革新者。它通過“無模化”和“數字化”兩大核心優勢，賦予了傳統鑄造業前所未有的靈活性、效率和品質保證。它使得鑄造廠能夠從高報廢率的困境中解脫出來，進入一個更高效、更具競爭力、更能擁抱創新的新時代。對于任何尋求在激烈市場競爭中脫穎而出的鑄造企業而言，擁抱以三帝科技為代表的3D打印技術，已不再是可有可無的選擇，而是通向未來的必由之路。

3D打印如何解決鑄造高報廢率問題：革新鑄造工藝，提升品質與效率最先出現在三帝科技股份有限公司。

理論

3Dプリント砂型鋳造は、デジタル3次元モデルに基づいている。まず、3Dプリント裝置を用いて、模型の斷面情報に従って特殊な砂素材（通常はバインダーなどを含む樹脂砂）を層ごとに積層し、砂型（上下の砂型、中子などを含む）をプリントアウトする。そして、砂型で形成された空洞に金屬液を流し込み、金屬液が冷卻凝固した後、砂型を除去することで、所望の金屬鋳物を得ることができる。

ワークフロー

1. 3Dモデリング鋳造モデルは、専門的な3Dモデリングソフトウェア（SolidWorks、UGなど）を使用して、パーティングサーフェス、抜き勾配、機械加工許容範囲などの鋳造プロセスの要件を考慮して設計され、モデルは3Dプリントに適したファイル形式（STL形式など）に変換されます。
2. 砂の印刷印刷材料（砂とバインダー）を3D印刷裝置のサイロに投入し、コンピュータの制御のもと、ノズルが模型の斷面データに応じてバインダーを砂層に選択的に噴射することで、砂粒子同士が結合し、層ごとに積み重なって砂パターンが形成される。印刷終了後、砂模型は余分な砂粒子の除去や弱い部分の補強など、適切な後処理が施される。
3. 鋳造の準備印刷された砂型を組み立て、鋳造裝置に入れて鋳造用の金屬液を準備する。同時に、原料の金屬材料を溶融し、適切な鋳造溫度と組成要件を達成するために処理します。
4. 鋳造と冷卻処理した液體金屬を砂型の空洞にゆっくりと流し込み、液體金屬が空洞を完全に満たすようにする。鋳造後、液體金屬は自然に冷卻され凝固する。
5. 砂の洗浄と後処理鋳物が冷卻された後、砂型は振動、サンドブラスト、切削などによって除去され、鋳物が得られます。その後、鋳物を洗浄、研磨、熱処理、機械加工などの後処理を行い、最終製品の品質要求を満たします。

最先端

1. 高い設計自由度

複雑な構造の成形能力このような內部の空洞、灣曲したチャネル、成形面や砂型の他の構造を持つなど、複雑な形狀の製造における従來の砂型鋳造は、金型製造技術の限界によって、それは達成することは困難であるか、非常に高いコストです。3D印刷砂型は、デジタル3次元モデルに基づいて、簡単かつ正確に砂の様々な複雑な形狀を印刷することができ、複雑な構造を持つ鋳物の生産のための可能性を提供します。例えば、航空機エンジンブレードの複雑な冷卻チャネル、微細な內部構造を持つ自動車部品などは、3D印刷砂型鋳造によって実現することができる。

パーソナライゼーション3Dプリンティング砂型鋳造は、小ロットやカスタマイズされた要件の鋳物の製造のためのユニークな利點があります。これは、顧客固有の要件に基づいて、迅速に設計し、対応する砂をプリントアウトすることができ、異なる顧客の個々のニーズを満たすために、従來の金型製造のニーズを避けるために、金型を開くために、金型の修理やその他の面倒なプロセスを、大幅にカスタマイズされた製品の生産サイクルを短縮することができます。

2. 生産サイクルタイムの短縮::

金型製造工程の簡素化伝統的な砂型鋳造では、鋳型を製造する必要があり、鋳型の設計、製造、試運転には多くの時間と人手がかかります。そして、3D印刷砂型鋳造は、型を作る必要がなく、印刷用のデジタルモデルに基づいて直接、金型製造のリンクを排除し、大幅に全體の生産サイクルを短縮25。

迅速な反復と修正製品開発や設計の段階で、鋳物の設計を修正する必要があるとわかった場合、従來の砂型鋳造では鋳型を作り直す必要があり、コストと時間がかかる。3Dプリンターによる砂型鋳造では、コンピューター上でデジタルモデルを修正し、砂型を再印刷するだけでよいため、設計の反復と修正を迅速に実現でき、製品開発プロセスをスピードアップできる45。

3. 精度と品質の向上::

高い寸法精度3Dプリンティング技術は、砂型のサイズと形狀を正確に制御することができ、鋳型の製造誤差、パーティング面のはめあいなどの問題による鋳物の寸法偏差を減らし、鋳物の寸法精度を向上させる。プリントされた砂型の表面が滑らかであるため、最終的な鋳物の表面品質が向上し、その後の加工や処理の作業負擔が軽減される4。

良好な內部品質3Dプリンティング砂型鋳造は、砂型パターンの均一な締め付けを実現し、従來の砂型鋳造で発生する可能性のある局所的な緩みや砂の巻き込みなどの欠陥を回避し、鋳物の內部品質を向上させることができます。同時に、精密な制御により、鋳物の凝固プロセスを最適化し、引け巣や引け緩みなどの欠陥の発生を抑えることができる。

4. 費用対効果::

高い材料利用率3Dプリント砂型鋳造はオンデマンド印刷で、必要な材料のみを使用するため、従來の鋳型製造における材料の無駄を省くことができる。さらに、印刷プロセスでは、砂型の構造と強度要件に応じて材料の分布を正確に制御できるため、材料の利用率がさらに向上します。

人件費の削減従來の砂型鋳造では、鋳型の製作、砂型鋳造、鋳型の修理など、多くの手作業が必要で、人件費も高い。一方、3Dプリンター砂型鋳造は主に自動化された設備に頼って鋳造するため、人手を大幅に削減し、人件費を下げることができます。同時に、手作業がもたらすエラーや不確定要素を減らし、生産の安定性と一貫性を向上させます。

5. グリーン::

廃棄物排出量の削減従來の砂型鋳造では、鋳型の製造や砂の加工過程で、廃棄される鋳型材料や廃砂などの廃棄物が大量に発生し、一定の環境汚染を引き起こします。3Dプリンター砂型鋳造は廃棄物が少なく、殘った材料はリサイクルでき、グリーン環境保護の要求に沿う。

生産環境の改善3Dプリント砂型鋳造プロセスでは、大量の化學試薬やバインダーを使用する必要がないため、環境汚染やオペレーターの健康被害が軽減される。同時に、自動化された生産方式により、粉塵や騒音の発生も抑えられ、生産環境が改善される。

適用分野

航空宇宙航空エンジンブレード、タービンディスク、航空機構造部品、その他複雑な部品の製造に使用され、高強度、軽量、高性能の要求を満たす。

自工エンジンブロック、シリンダーヘッド、トランスミッションケース、その他の部品の製造。

エネルギーガスタービン、発電設備などの主要部品の製造に応用し、部品の性能と信頼性を向上させる。

醫療機器分野整形外科用インプラントや歯科用補綴物など、患者一人ひとりのニーズに合わせた醫療機器の製造。

概要

3Dプリント砂型鋳造は、先進的な鋳造技術として、3Dプリントと伝統的な砂型鋳造の利點を兼ね備えている。デザイン、生産サイクル、品質、コスト、環境保護において優れた性能を発揮し、現代の工業生産に新しいアイデアと方法をもたらしている。技術の継続的な開発と改善により、3Dプリント砂型鋳造はより多くの分野で広く使用され、より効率的で、より正確で、より環境に優しい方向に工業生産を促進することが期待される。

3D打印砂型鑄造：原理、流程、優勢最先出現在三帝科技股份有限公司。