降低用砂成本的三种方法

首先是砂的国产化、本地化。国内沈阳铸造研究所、长江造型材料等单位做了大量的工作，使得吨砂的价格从2000多降到了1000多，并被多家企业用于生产。

其次是砂回收利用，即砂回用。通过将未粘接的废砂回收、筛分并和新砂混合后用于打印，可以节省50%左右的耗砂量，同时节约了固废处理费用。

维捷的VX2000干砂工艺是其典型代表，它可以回用95%以上已预混固化剂的未粘接废砂，这使其单位砂型的材料成本和国产设备持平，帮助用户极大地节约了成本。

第三类方法是砂再生。在传统铸造生产中，对于粘接成型的砂型砂芯，一般先破碎，然后采用机械法或热法再生。由于3D 打印工艺对砂的技术要求更高，一般推荐热法再生。根据维捷的经验，如果3D 打印工艺闭环使用再生砂+回用砂，可降低吨砂材料使用成本到500元以下（包括3D 打印硅砂和陶粒砂），和传统铸造吨砂成本相当，这为3D打印砂型工艺的量产打开了关键之门。

 热法再生砂的优势

• 热法回收率高，取决于所用原砂和回收工艺参数，一般可以达到95%以上。
• 3D打印砂热法回收后，由于砂型已经铸造相变过，铸造过程热膨胀系数小，可以大大减少脉纹的产生。
• 3D打印砂在热法回收中碰撞摩擦磨去尖角变得更为圆润，角型系数降低，单位表面积减少。相同的强度，热法回收砂打印需要的粘接剂数量减少，砂型发气量降低。
• 大大减少了固废产生量，更加科学环保。

 热法再生砂工艺

• 破碎：筛分对存在块状形态的废砂进行破碎，然后筛分，将大颗粒杂质分离除去；
• 磁选：将筛分了的废砂进行磁选，将铁磁性物质，从废砂中分离除去；
• 焙烧：将磁选后的废砂送入焙烧炉进行焙烧，将残存的硫、磷等有机物烧掉，全过程的固态液态气态物质排放，符合安全环保标准要求；
• 分级筛分：将焙烧冷却后得到的精处理砂进行分级筛分，获得铸造工艺需要不同粗细级别的再生砂。

 热法再生砂3D打印应用情况

维捷中国联合天津致勤，在3年多的时间里，对3D打印砂热法再生技术进行了多个批次，多种材料（硅砂和陶粒砂），多种粒度分布（GS15、GS19），近500吨砂型的打印（含砂回用）、热法再生、打印（含砂回用）的闭环测试，取得了较为理想的结果。以下是部分测试数据。

l 原砂和热法回收砂性能对比 l

从测试数据可以看出，高温再生后灼烧减量为零；砂再生后，目数分布主要集中在140目；相比原砂更细一点。

l 热法再生砂打印砂型性能检测 l

通过照片可以看到热法再生砂打印的样品细节清晰，边角锐利。检测报告可见，热法再生砂砂型的强度相比原砂砂型强度相当；粘接剂加入量更低；砂型发气量也更低。

l 热法再生砂铸件（附照片）l

l 热法再生的成本 l

l 设备投入：280万左右
l 每吨砂再生成本：400元以内

 voxeljet-维捷经验

使用再生砂能有效降低3D打印用砂成本。根据维捷的经验，如果3D打印工艺闭环使用再生砂+回用砂，可降低吨砂材料使用成本到500元以下（包括3D 打印硅砂和陶粒砂），和传统铸造吨砂成本相当。

热法再生系统适用于3D 打印硅砂、陶粒砂。

再生砂角型系数更小。产生相同的强度，需要的粘接剂更少，发气量更低。

用热法再生砂打印的砂型，热膨胀系数低，可铸造性更好；尤其是铸铁、铸钢零件，可替代部分陶粒砂的使用。

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 无机通用工艺概述

l 无机粘接工艺

• 无排放和无气味铸造的环保工艺
• 基于碱混合物（水玻璃）的粘接
• 后固化强化零件
• 可回收游离砂

最令人振奋的是，冷无机IOB技术在投资和运行成本方面表现出明显的优势。与传统需要微波处理的热无机IOB技术不同，新的冷无机IOB技术无需微波炉，从而减少了投资和运营成本。这一技术的应用还为铸造业带来了环保的好处，因为在铸造过程中只会产生水蒸气，而不会排放有害气体。这不仅降低了环境污染，还改善了铸造工厂的工作环境。

l 热无机流程说明

l 冷无机流程说明

冷无机IOB技术的引入对铸造业采用无机粘合剂的铸芯和模具是一项重要的进展。维捷voxeljet的目标是提供创新的解决方案，不仅提高效率，还有助于促进金属铸造的可持续发展。

Ingo Ederer博士

维捷voxeljet首席执行官

这一冷无机IOB工艺技术以其高度的尺寸精度、细节分辨率和清晰的边缘锐利度而闻名，还具备能够3D打印大型模具和铸芯的能力。与传统的热无机IOB工艺不同，这项冷无机IOB技术只需要在打印后进行烘干，而这是在机器外部完成的，因此客户可以避免昂贵的工业微波设备投资和运营成本。该工艺基本上可用于voxeljet的所有设备平台。目前正在对 VX1000 和 VX1000S 打印机进行测试和提供。计划很快将其扩展到 VX2000。

l  热无机产品

产品外管优选薄壁件，抗弯强度可达到220-380N/cm²,产品内部残留水分不足0.2-0.4%，需要在相对湿度20-30%的环境存放。

l  冷无机产品

产品多选为体积庞大的零件，抗弯强度可达到200-250N/cm²,产品内部残留水分不足0.6-0.9%，需要在相对湿度20-30%的环境存放。

 热无机与冷无机技术对比

维捷voxeljet的战略目标是满足冷无机IOB技术不断增长的需求。无机粘合剂在铸造行业，尤其是汽车行业，得到越来越广泛的应用，特别是考虑到环境法规不断升级的背景下。维捷voxeljet致力于扩大在环保型三维打印工艺领域的领先地位，并通过这一战略定位为3D打印及其应用领域做出重大贡献。

冷无机IOB技术为铸造行业的原型设计和中等批量生产提供了一种更加高效和环保的解决方案，现已投入商业使用。这一创新将进一步推动铸造业的可持续发展，并将行业带来更多的机遇。

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此外，根据ACAM亚琛增材制造中心，通常在通过传统制造技术来生产零件时，产品越复杂，成本越高，企业则需要很昂贵的投资（包括新的模具，甚至是新的设备来实现）；而对于增材制造-3D打印技术来说，零件的复杂性与成本的相关性是独立的，零件几何形状的复杂性通常并不会带来额外的制造成本。这一特点成就了3D打印技术在汽车制造中的另一个应用维度——制造传统工艺难以实现的复杂零部件，为汽车制造商进行零部件设计优化提供新空间。

宝马集团在增材制造应用领域走在前列，宝马已在其穆尼黑工厂建立了金属3D打印全自动生产线。近日，宝马集团的合作伙伴voxeljet-维捷又揭示了其另外一条全自动增材制造生产线。据悉，该生产线是全球首条全自动砂芯增材制造量产3D生产线。宝马集团将在快速生产与实现优化设计两个维度上受益于增材制造-3D打印技术。本期，3D科学谷将进一步揭示宝马集团在该生产线中所应用的3D打印技术。

 全球首条全自动砂芯增材制造量产3D 生产线

2023年10月25日，德国voxeljet-维捷和罗拉门迪（Loramendi）公司展示了作为砂芯打印工业化 (ICP) 合作项目的一部分而共同开发的全球首条全自动砂芯增材制造量产3D生产线。以上视频介绍了该生产线在德国宝马集团兰茨胡特工厂的实施情况。

作为宝马集团最大的零部件工厂，兰茨胡特工厂拥有约3,500名员工，为其全球所有的汽车和发动机工厂供货，包括几乎所有的宝马、MINI和劳斯莱斯汽车，以及其摩托车品牌BMW Motorrad。

 最新一代VJET-X 3D打印机打印速度提高10倍

定制的低排放解决方案将voxeljet-维捷的高速VX1300-X (VJET-X) 3D打印机集成到全自动的前处理和后处理工作流程中，包括用于固化3D打印砂芯的工业微波炉。使用最新一代的VJET-X三维打印机，3D打印速度提高了十倍，铸造砂芯的无模化设计允许以前所未有的速度更换变体，而无需耗时的工装更换和生产停机。未使用的材料可在生产过程中100% 回收和再利用。

迄今为止, 宝马集团已在其位于德国兰茨胡特的工厂安装了五台用于轻金铸造的维捷 VX1300-X(VJET-X) 3D打印机，以生产高性能发动机。

© voxeljet-维捷

 全自动3D生产线
      汽车行业的重要里程碑！

宝马兰茨胡特工厂的全自动三维生产线不仅是voxeljet-维捷的一个重要里程碑，也是整个三维打印和汽车行业的一个重要里程碑，我们相信， voxeljet-维捷、罗拉门迪和宝马合作实现的这种定制的近零排放解决方案将成为行业标准。
Ingo Ederer 博士
voxeljet-维捷 创始人兼首席执行官

© voxeljet-维捷

 使用无机3D打印砂芯

      宝马得以改进发动机部件设计

voxeljet-维捷和罗拉门迪Loramendi正在共同推动铸造砂芯3D打印的工业化。无机3D打印砂芯的生产使宝马集团得以推进其发动机部件的设计。例如，通过使用3D打印技术生产水套-排气道组合芯，宝马B48发动机的气缸盖得到了显著改进。此外，3D打印技术还使宝马能够一体生产砂芯，减少了发动机部件的复杂设计，同时优化了发动机的效率和油耗。无机3D生产线还大大减少了铸造厂的排放，因为在铸造过程中只产生水蒸气。

© voxeljet-维捷

 voxeljet-维捷
      新一代粘合剂喷射3D打印技术

voxeljet-维捷开发了新一代粘合剂喷射3D打印技术具有更高的增材制造生产率和生产能力，可满足宝马的大规模生产需求。3D打印头选择性地粘合砂层以创建型芯，然后将其拆包、微波固化、清洁和检查，最后送入宝马既定的铸造流程。voxeljet-维捷已获得一项专利，并拥有10个专利和28 项专利申请，在美国、欧洲和其他地区保护这一专有方法。

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镁合金多用作结构件，镁合金的铸造水平成为其应用的关键。熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，可减少机械加工工作，有些铸件甚至只需要打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。熔模铸造（又称失蜡铸造）是很有应用前景的镁合金成形技术。

如熔模铸造工艺与3D打印技术相结合，为镁合金零部件制造带来全新可能。从理解3D打印的优势来着眼：一是无模化，对应的优势是作为研发试制阶段的捷径，加速迭代过程，减少研发成本；二是对产品的复杂性成本不敏感，对应的优势是适合创新颠覆产品的设计，使得产品设计以功能实现为主导。

镁/铝合金产品压铸企业青海盐湖特立镁有限公司，通过voxeljet 维捷的3D打印PMMA 蜡模与熔模铸造工艺结合，开发了国内首例镁合金材料的精密铸造工艺品。这一与3D打印相结合的镁合金浇铸工艺解决方案为未来“专精”制造、可应用领域提供了一份完美的样板。

 快速、质量稳定的3D打印+熔模铸造工艺

青海盐湖特立镁有限公司是一家专业从事以镁/铝合金产品制造的压铸企业，隶属于青海盐湖工业股份有限公司，是其全资子公司。公司成立于2010年，位于青海省西宁经济技术开发区甘河工业园西区，拥有年产4000吨镁/铝合金产品压铸能力，根据市场需求主要从事汽车、轨道交通、航空航天、手持电动工具、3C及医疗器械等领域零部件加工制造。

特立镁的工业产品-车用转向柱支架

盐湖特立镁公司以青海盐湖丰富的镁资源优势为基础，以盐湖工业股份公司10万吨大规模电解金属镁为原料保障，发挥原料、人工、环境等优势，由原加拿大Trimag工厂整体搬迁至国内恢复重建，工厂布局保持原加拿大工厂基本特色，传承其先进的工艺技术，引进其高端生产设备，形成完善的镁/铝合金生产线。

盐湖特立镁的工艺镁牛计划命名为“盐耕美晟”，意在“盐湖耕耘，镁可日成”。它的主体及底座均采用镁合金材料制成，轻量化特点突出、环保低碳，同时具有可循环利用特性。

亮 古 铜 牛
工艺牛尺寸为：220*110*150mm
底板尺寸：220*110*20mm
工艺牛+底板重量为：2kg

玫 瑰 金 牛
工艺牛尺寸为：220*110*150mm
底板尺寸：220*110*20mm
工艺牛+底板重量为：2kg

voxeljet 维捷红牛（PMMA打印原型)

盐湖特立镁在其镁合金浇铸工艺解决方案中应用了3D打印PMMA 蜡模。该模型是由voxeljet 维捷的粘结剂喷射3D打印设备VX1000制造的。

图为VX1000 3D打印机的打印排布。VX1000打印机成型尺寸为1000 x 600 x 500；600方向可以排布3件；1000方向可以排布9件；打印高度420mm可排布3层，总计一箱可打印81件；打印时间为30小时，平均每件22分钟。

特立镁在开发“镁牛”的前期，尝试过多种3D 打印工艺，走过许多弯路。了解到voxeljet 维捷PMMA 3D打印蜡型工艺在欧美精密铸造（熔模铸造）行业已成熟应用，并广泛用于汽车工业、航空航天、泵阀叶片等领域，抱着试试看的心情，开始了和voxeljet 维捷的合作。

通过工艺试验，特立镁发现通过voxeljet 维捷的技术制造的PMMA3D打印蜡型，在制壳过程中的不涨壳、灰分残留几乎为零，而且3D打印速度快，产能大，质量稳定，能满足批量生产的要求。

现在，一群群高原之舟——盐湖“镁牛”，完美融合了盐湖股份资源特点与特立镁先进工艺，作为盐湖股份“创新、进取”的工匠精神的代表和名片，步入万千尊贵的客户手中。

 voxeljet 维捷熔模3D打印技术

voxeljet 维捷的粘结剂喷射3D打印技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘结剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。该技术的优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且对于voxeljet 维捷来说，大尺寸正是他们所擅长的。

l 为小批量生产带来经济性

生产蜡模相当繁琐，还需要昂贵的注蜡模具和压蜡机。这使得小批量生产的模具成本比重过高，从而导致单价过高。这种情况下3D打印失蜡模型优势凸显。维捷3D打印机可以精确且高效的生产出塑料模型。这些PMMA模型（塑料模型）可以完全替代传统蜡模，更重要的是，3D打印失蜡模型不需要模具，3D打印机基于CAD数据逐层构建模型即可。

与其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常适合用于铸造。其主要原因是粉末材料的负膨胀系数，在烧毁薄壁模型的过程中不会导致涨壳，从而不会导致铸造模具的破损，不仅降低了制造中的风险，还满足了近净形的要求。voxeljet 维捷PMMA 3D打印蜡型工艺已在汽车工业、航空航天、泵阀叶片等领域的精密铸造（熔模铸造）工艺中发挥了其优势。

3D打印叶轮熔模铸造型芯

3D打印失蜡模型的下游工艺与传统方式相同，首先对模型进行检查，加浇铸系统后给模型涂上陶瓷层，然后将模型放入炉中烧制。由于塑料模型73℃时就会软化收缩，因此陶瓷模壳不会出现破裂，当温度达到700℃以上塑料模具就会完全烧毁，没有任何残留。

无论样件、单个零件或小批量的制造，使用3D打印技术能够经济快速地生产出高复杂度失蜡模型及铸件。对于铸造企业来说，这将带来巨大的竞争优势。

l 颠覆产品的设计

3D打印的最大优势是用来制造那些传统方式实现不了的设计，包括薄壁，复杂的形状这样的设计。例如在汽车领域，可以通过3D打印经过特殊设计的冷却系统（这样的设计通过传统制造工艺无法制造出来），从而实现产品更高的性能。3D打印PMMA熔模与熔模铸造工艺的结合，对应的其中一项优势是实现颠覆性的设计。

例如，欧特克与铸造企业在其创新工厂通过voxeljet 维捷的3D打印PMMA熔模+镁合金熔模铸造的方式，制造飞机的轻量化座椅结构件。该座椅部件由欧特克通过创成式设计生成，适合任何标准的商用喷气式飞机，预计可以通过减重为航空公司节约数百万美元的成本。

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3D打印砂型铸造的机车零件
© Tyseley

 3D打印创造附加值

今天，蒸汽机车这一曾经的工业化推动者仍在英国工作，时不时地在国家的主要线路上工作，有趣的是这类机车的维修保养工作也有专门的公司负责。位于英国的 Tyseley Locomotive Works 是一家专业的历史蒸汽机车修复和维护中心。2022 年初，华威大学的研究小组建议 Tyseley Locomotive Works 考虑使用3D打印模具，因此委托 Boro 铸造为其其中一辆蒸汽机车制造新的过热器集管。

使用 3D 打印砂模生产备件。对于历史悠久的蒸汽机车，Boro铸造根据 1950 年代的原始工程图制造了一个新的过热器集管。通过使用 3D 砂型打印，与传统制造相比，铸造厂能够节省 2/3 的成本，并将模具包的组装时间从 14 多个小时减少到仅 3.5 小时。像这样的项目令人印象深刻地展示了增材制造如何为备件生产提供价值创造。

3D打印砂型模具
© 维捷-voxeljet

 实现复杂形状设计

过热器在蒸汽机车的运行中起着至关重要的作用，精度和质量是过热器的制造重点，过热器用于将从锅炉输送到汽缸的蒸汽加热到远高于蒸汽饱和温度的温度。在这种情况下，锅炉产生 202 °C 的蒸汽，其过热器将温度升高到 340 °C，从而增加蒸汽中包含的能量（热函），然后可用于有效地增加发动机的汽缸在锅炉中所做的功。此外，过热最大限度地减少了蒸汽在汽缸中膨胀时可能发生的冷凝现象，从而降低了因过多冷凝水而造成损坏的风险。

不过过热器已经在机车行业使用了几十年，原来的制造工艺已经过时、成本高、效率低。

这是因为原始部件包含许多孔（总共 56 个），在运行期间蒸汽通过这些孔。这些孔极大地复杂化了铸造过程。最大的挑战是型芯，它被插入模具中以将孔集成到铸件中。型芯由夹具、螺栓支撑，并使用型芯塞在铸造过程中将其固定到位。然而，在铸造过程中型芯移动的风险和可能性很大。此外，不均匀的厚壁和薄壁部分带来额外的后续加工。

3D打印砂型的设计
© Boro

传统制造的模具包（包括制模）的报价高达 34,000 英镑，除此之外，估计组装模具大约需要 14 个小时，所有这一切，再加上零件最终容易出现缺陷或完全无法使用的风险，促使制造商寻找替代制造解决方案。通过voxeljet-维捷的3D打印砂型打印中找到了解决方案。

3D打印砂型的设计
© Boro

Boro铸造与另外一家工程公司一起开发了一套模具，其中仅包含三个砂型模具和一个型芯。这些模具是在慕尼黑附近的voxeljet-维捷按需打印中心生产的。

 节约2/3成本

根据Boro铸造，特别令人高兴的结果是真正的附加值是所有 56 个孔这样的复杂设计对于3D打印来说并不增加成本，消除了后续钻孔的需要，最终再次节省了时间和金钱。

创新是成功的关键，3D建模、铸造模拟和 3D打印砂型模具的使用极大地改善了零件的质量、制造周期和制造成本。Boro铸造通过应用这些新技术取得了压倒性的成功。这为更好的发展铺平了道路，奠定了为此类应用开发更大、更复杂铸件的前景。

得益于 3D 砂打印，Boro铸造能够将模具的组装时间缩短至 3.5 小时，总成本仅为传统模具报价的三分之一。

3D打印砂型模具
© 维捷-voxeljet

尽管 3D 打印模具也存在型芯因铸造压力而脱落和上浮的风险，但 Boro铸造能够通过将用于螺栓连接的凹槽直接集成到 CAD 文件中，从而在实际中使用螺栓将型芯和模具固定到位，在实际铸造之前，Boro 模拟了铸造过程以设计浇注系统，以降低铸造压力和相关的型芯侵蚀或移动风险。此外，该模拟有助于预测铸造过程中的气体波动并降低气体滞留的风险。然后，Boro 在大约 1330 °C 的温度下铸造了大约 550 公斤的铁铸件，最终获得了Tyseley 机车厂的新型过热器，尺寸为 1300 mm x 600 mm x 400 mm，重量为 406 kg。

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尽管建筑行业正不断引入数字化技术来提升建筑项目的质量与效率，但迄今为止，数字化技术更多被应用在建筑规划与管理任务当中，而在建筑结构的制造层面上却很少应用数字化技术及端到端的数据流程。

3D打印作为一种典型的数字化技术与数字化设计相结合，为建筑设计师实现复杂而坚固的建筑结构带来了全新范式。除了混凝土3D打印直接建造建筑墙体、房屋之外，粘结剂喷射3D打印技术在复杂建筑结构的数字化制造领域也开始崭露头角。

本期，3D科学谷将分享新加坡科技大学建筑智能研究实验室 (AIRLAB)，通过voxeljet-维捷粘结剂喷射3D打印技术开展的AI-Table 数字化设计与制造应用案例，并揭示该项目中应用的数字化设计与制造流程，为复杂建筑结构与室内装饰带来的应用启示。

AI-Table 项目作品

© voxeljet-维捷

 用料少但坚固

上图中的桌腿是AI-Table项目开发的3D打印作品，其花丝交织的结构灵感来自于设计师在森林中散步时的观察。虽然看上去只是几条桌子腿，但是为了确保这种看似脆弱的结构不会被沉重的桌面压垮，设计师除了艺术美感之外，还需要对静载荷计算有深刻的了解。

实现这些桌腿的设计，不仅仅是基于人类的创造性思维，还包括 Autodesk Fusion 360 软件人工智能辅助设计，以及voxeljet-维捷3D打印技术与传统金属铸造相结合的技术。这一设计及制造思路诞生于新加坡科技大学的建筑智能研究实验室 (AIRLAB)。

为了实现在使用最少材料的同时可靠地吸收桌面结构力的想法，项目最终使用青铜作为桌腿铸造材料。青铜铸造用的3D打印铸型由voxeljet-维捷粘结剂喷射3D打印设备和PMMA材料制造，铸造厂将3D打印铸型制成符合高精度规格的陶瓷外壳，然后进行熔模铸造。

得益于人工智能辅助的数字化设计与3D打印技术，设计师得以实现桌腿的结构优化。最终铸造而成的桌腿，精致但是坚固而稳定，并且去除了冗余的材料。

 新范式助力建筑的可持续发展

AI-Table 数字化设计与制造项目为最大限度地减少原材料，并实现高性能建筑带来了启示。将软件算法整合到设计阶段，并将3D打印整合到制造中的工作流程，将为建筑领域开辟完全不同的创意维度，带来新的形式和材料自由度。

此外，项目中应用的数字化设计及3D打印技术，为建筑界牢固树立可持续性理念“绘制”了一个蓝图。AIRLAB 实验室的研究人员将3D打印+熔模铸造作为传统制造工艺的替代技术，将与生产相关的能源消耗降低 4% 到 21% 之间，最大的影响来自于原材料运输需求的显著减少。在AIRLAB实验室还通过数字化设计与3D打印技术相结合，通过实施结构优化，去除不必要的材料，从而减少材料浪费。这一全新的方式，为改变当前建筑范式带来可能。

 voxeljet-维捷粘结剂喷射技术与建筑3D打印

为AI-Table 数字化项目提供3D打印技术支持的voxeljet-维捷，基于其粘结剂喷射3D打印技术，为室内外建筑模型、建筑结构数字化制造注入了新力量。

l PMMA 3D打印+熔模铸造

voxeljet-维捷与从事艺术品铸造的德国企业Strassacker 基于PMMA 铸造模型3D打印开展了多项合作。在合作中，Strassacker使用voxeljet-维捷的3D打印服务来制造青铜铸造模型。铸造模打印完成后，voxeljet-维捷用蜡渗透模型，使表面更加平滑，然后将它们交付给Strassacker，通常交期在3-5天。

© voxeljet-维捷

这一工艺的特点是，不需要创建硅树脂阴模，3D打印的PMMA 模型被直接浸入陶瓷中从而创建壳体，模型在700°C的炉中被烧尽，留下铸造用的陶瓷模具。

3D打印PMMA 模型与熔模铸造工艺相结合，为金属铸件开辟了全新的设计可能性，实现过去很多无法想象的复杂作品，以及在没有原始设计文件的情况下，结合3D扫描等数字化技术对艺术品或建筑结构进行重建。除了快速制造3D打铸造模型，铸造的浇筑系统也可以通过3D打印技术来直接制造，这将节省铸造时间，并得到一致的铸造结果。

l 砂型3D打印

voxeljet-维捷粘结剂喷射技术另一种可用于建筑领域的材料为砂。这种砂型3D打印工艺，可混凝土浇筑应用的模板表皮或整个模板。

3D打印天花板模板

© voxeljet-维捷

建筑模板是混凝土浇筑成形的模壳和支架，是一种临时性支护结构，按设计要求制作，使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形，保持其正确位置，并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载。

在建筑结构中，墙壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出现突出、弯曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造这种模板的传统制造方式耗时耗力，而三维弯曲模板这样的复杂建筑模板制作更是困难。粘结剂喷射3D打印技术是制造建筑模板的新兴技术，其优势是快速、准确的直接制造复杂建筑模板。
用于建筑立面结构的3D模板

© voxeljet-维捷

通过voxeljet-维捷粘结剂喷射技术3D打印的模板元件可进行后处理和优化，以获得理想的表面光洁度和抵抗施工现场外部天气的能力，并可便捷的地与传统模板系统（如木制模板系统）结合。尺寸不超过4 x 2 x 1米的模板元件可在无需工具的情况下进行整体打印，所有像UHPC（超高性能混凝土）之类常见类型的混凝土皆可被加工。

voxeljet-维捷3D打印技术正逐渐在建筑行业站稳脚跟，以快速、灵活的方式，助力设计师将创成式设计等数字化技术获得的优化设计方案转化为现实。这种数字化设计与3D打印相结合的新范式将与建筑业碰撞出哪些火花，3D科学谷将保持关注。

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在基于粉末床工艺的3D打印技术中，有一种在打印速度、相关部件成本等方面颇具优势的技术-高速烧结HSS。voxeljet-维捷将高速烧结3D打印技术进行了商业化，并基于该技术陆续推出了不同型号的工业级3D打印设备。

© 3D科学谷白皮书

近日，voxeljet-维捷对其高速烧结设备的打印工艺、关键器件-喷墨打印头、控制软件以及材料进行了详细解读。本期，3D科学谷将借此与谷友们深入了解这一技术。

丰富的材料

实现自由的产品结构设计

高速烧结-HSS 3D打印的基本原理是，采用红外线灯和喷墨打印头进行粉末材料的增材制造。打印头快速准确地将油墨传送到粉末床上。在HSS加工过程中，喷墨打印头将黑色的红外辐射吸收油墨沉积在热塑性粉末床上，然后红外灯加热粉末，导致塑料粉末颗粒熔化，从而固化每一层的形状。

高速烧结过程

© voxeljet-维捷

 恰到好处的分辨率与更长寿命的喷墨头

高速烧结HSS技术使用工业压电喷墨头和单一能量吸收剂。能量吸收剂是一种油基墨水，用于为粉末床着色。通过精确的光波控制和波长定义，红外能量可以有选择地射入粉末床，并且仅在需要打印零件的地方射入，这种精确的控制容易保证清晰的边缘细节。

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这种技术组合有利于建构打印过程中的温度管理。精密过滤防止了灯管烧坏，并显著提高了灯的使用寿命。还有一个积极影响是简化了组件的拆包。

虽然打印机喷墨头可实现的分辨率可达1200dpi，但最终粉末材料的平均粒度会成为实际分辨率的限制因素（PA12通常为55微米），因此打印头的分辨率并不是越高越好，只要做好热管理工作即可对细节精度起到很好的作用。在打印过程中，必须对各个颗粒的间隙和接触点进行染色，才能保证材料被烧结。维捷高速烧结设备中的打印喷墨头提供360dpi的分辨率，这意味着液滴仅比55微米的PA12颗粒稍大一些，因此可以使粉末颗粒完全涂上油墨。

数据来源：voxeljet-维捷

* 取决于材料和颗粒大小

** voxeljet-维捷将为用户提供有关材料选择的建议，但相关风险由用户负责。

*** 视打印高度而定

此外，工业喷墨打印头与墨水的优良匹配提高了打印头的耐用性。喷墨打印头与油基油墨结合使用，具有使用寿命长、磨损低的特点。根据voxeljet-维捷，其“长寿”的打印喷头已经连续使用了超过四年的时间。

喷墨打印头也可用于水性和溶剂型墨水打印。但油基油墨除了低磨损外还有其他优点—适用于更多种类的材料，例如，疏水性聚丙烯（PP）使用油基油墨更易于加工。

 实现最大灵活性的开源软件

voxeljet-维捷的高速烧结控制软件是这项技术的一个亮点，用户可以使用该软件对任意参数（如软硬组件的属性）进行精确的个性化调整。这适用于各种类型的塑料材料，如PA12、PP、TPU、PEBA和EVA。

3D打印的工艺流程由voxeljet-维捷开发的控制软件ProPrint进行控制。这一开源解决方案的特别之处在于，用户可以根据自己的材料需求自由定制所有最重要的参数，并将它们调整到最佳设置。ProPrint允许自由控制用于熔融印刷颗粒的能量输入。层厚、墨水输入以及许多其他参数都可以进行单独配置。

I主要优势

• 单独配置温度源。
• 可自由调节重涂速度、层厚等，以微调印刷工艺流程。
• 可以加工粒度从30微米到1.3毫米不等的各种粉末。
• 可以针对更硬或更软的组件性能定义红外灯通路。
• 墨水用量调整。
• 可以单独分析、评估和编程工艺流程数据。
• 打印系统遥测数据的完全访问权限。
• 基于位图的打印，让用户可以访问单个打印切片（流线型）。
• 无论零件在作业框内采用何种对齐方式，组件都具有X、Y、Z轴各向同性的表面。

 自由、丰富的材料选择

目前，voxeljet-维捷的高速烧结设备已拥有丰富的粉末材料选择。包括聚酰胺-12（PA12）、聚丙烯（PP）、热塑性聚氨酯（TPU）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）。这意味着用户可以在原型和功能部件制造时实现多样化的塑料特性。

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丰富的3D打印材料种类意味着广阔的应用潜力。例如，使用PA12材料，可以制造塑料功能件、小型计算机外壳或汽车内饰；聚丙烯（PP）材料是应用最广泛的塑料之一，具有耐化学腐蚀性和疏水性，适用于汽车内饰、电线电缆套管或配件；而弹性TPU材料，可用于内外鞋底、精密密封件、滚轴、套筒等；EVA材料也广泛应用于制鞋行业，日用品和花园用品包装或柔性软管。

 高速烧结v.s.注塑

塑料件增材制造与注塑工艺的区别是应用端迫切关注的问题。voxeljet-维捷对高速烧结3D打印技术与传统注塑工艺进行了对比。

VX1000 HSS设备塑料件批量生产

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使用高速烧结技术，零件可在功能和耐久性方面进行优化，注塑件则是针对大规模生产进行优化。

VX1000 HSS设备塑料件批量生产

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相比之下，高速烧结可实现高度复杂的几何形状，并提供优良的分辨率，这在生产板条或纹理等时尤为重要，注塑工艺难以实现微小的间隙或空间。然而，在大尺寸批量生产方面，HSS暂时还无法达到注塑成型的经济性。对于大批量生产几何形状较简单的零件，采用注塑工艺是更好的选择。尽管如此，voxeljet-维捷研发部门已在研究一种更经济的技术，具有更大的成形空间体积和相应更快的层打印时间。

高速烧结3D打印代表了在传统注塑工艺之外的一种有意义塑料零部件制造方式。从长远来看，凭借几何自由度和材料多样性的结合，3D打印将改变如今广为人知的塑料世界，助力塑料产品制造商根据所需资源进行产品优化与创新。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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签约仪式现场，陈建忠介绍了吴江经济社会发展情况，并对维捷中国增资扩产表示衷心祝贺和感谢。陈建忠表示，增资扩产后，维捷中国服务范围从原来的三维设备打印、研发调整为三维设备的智能制造，必将为汾湖高新区乃至长三角一体化示范区先行启动区的建设奠定强劲的服务后劲和活力。吴江区政府将继续做好相关服务，持续优化营商环境，为维捷中国的高质量发展保驾护航。

德国voxeljet-维捷创始人Ingo Ederer博士通过视频连线出席了签约仪式

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 深化国产化战略

维捷（苏州）三维打印有限公司（维捷中国）是由苏州美迈快速制造技术有限公司和德国voxeljet AG设立的中德合资企业，汾湖项目公司是维捷的中国总部，公司位于汾湖高新区科创园内。

VX2000 砂型3D打印设备，可用于2000升以下的砂型铸造模型高效生产。

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德国voxeljet-维捷创立于1999年，是喷墨粘接砂型三维打印技术的发明人，专注于工业级三维打印的大规模量产应用，是砂型铸造和精密铸造三维打印领域的全球领跑企业，在陶瓷、塑料三维打印领域拥有多项技术专利。此外，维捷计划下一步将扩展迅速增长的全球塑料高分子定制市场。

维捷中国致力于三维打印机、三维印刷解决方案的研发，三维砂模模具模型、三维树脂模具模型的生产等。维捷中国表示，将在继续做好中国客户3D打印服务的同时，致力于3D打印材料和打印设备国产化的集团战略。本次增资项目将增加注册资本1000万美元。

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以粘结剂喷射技术(binder jetting)而被业界所熟知的德国voxeljet-维捷2017年就推出HSS-高速烧结设备，这一设备可用于尼龙或TPU材料的高速制造。

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打通材料与设备之间协作的壁垒

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 经济批量生产解决方案

根据3D科学谷的市场了解，材料公司科思创和voxeljet-维捷正在合作开发一种用于经济型大型系列增材制造的材料-设备组合。借助高速烧结 (HSS)，voxeljet 结合了两种现有增材技术的优势：选区激光烧结和粘结剂喷射，从而实现了 SLS 部件特性和粘结剂喷射带来的高效生产率的双重优势。

在共同开发和鉴定用于 HSS 的热塑性聚氨酯 (TPU) 粉末后，科思创和voxeljet-维捷正在通过为客户提供用于其特定应用的批量制造的无缝材料工艺解决方案，将他们的合作提升到一个新的水平。

通常材料和加工技术在价值链中是分开运作的，需要用户自己来弄清楚如何让这两个要素发挥协作。科思创和voxeljet-维捷通过打通材料与设备之间协作的壁垒，消除在生产车间采用AM-增材制造技术所存在的障碍。由于其大尺寸和高速度的实现能力，voxeljet-维捷的HSS高速烧结技术为制造商提供了一种经济的批量生产解决方案。

 材料与工艺的无缝结合解决方案

voxeljet-维捷将通过其大幅面 VX1000 HSS 打印机与科思创在功能材料设计方面的专业知识相结合，以开发可用于大规模制造的材料与工艺无缝结合解决方案。

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目前双方正在考虑的材料是TPU，它非常适合鞋类和缓冲应用。其他材料包括热塑性弹性体 (TPE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 和聚丙烯 (PP)。

根据3D科学谷的市场了解，注塑工艺的优势在于大批量，而3D打印的优势在于小批量或者是用于非常复杂的设计。目前，要替代掉注塑工艺，3D打印的发展空间要么是小批量简单设计，要么是大批量非常复杂的设计。

3D打印技术要想在小批量简单产品的生产工艺上取得一席之地，就需要在打印价格方面更便宜。3D打印技术要想在大批量复杂产品的生产工艺上获得比注塑工艺更大的优势就需要打印速度更快。

在兼具打印质量与打印速度的同时，用户对设备使用的易用性也是必须要考虑的因素。这也是科思创与voxeljet-维捷这一合作背后的逻辑。

快速制造技术不仅扭转了3D打印给人效率低的印象，配合材料技术的快速发展，这些技术还引发了产品端的新一轮赛跑，尤其是鞋业领域，从耐克到阿迪达斯、New Balance、Under Armour、匹克正在进行3D打印技术批量生产鞋中底方面的竞争。

 快速烧结的快速解决方案

HSS高速烧结技术听起来有点像惠普的MJF多射流熔融技术，的确这两个过程非常相似：在MJF加工工艺中，喷墨打印头将熔融剂和细化剂沉积在热塑性粉末床上，然后用一组红外灯烧结。两者之间最大的区别是HSS不使用细化剂，根据HSS的发明者霍普金森教授，这是因为他发现不用细化剂就可以实现满意的打印结果。霍普金森当时考虑过细化剂，但他发现他能够获得出色的分辨率，从而无需细化剂。另外，通过将专用于特殊材料的多个打印头结合到HSS工艺中，可以沉积诸如银导电流体的功能性油墨。

HSS高速烧结速度快于激光烧结，当前的激光烧结机通过一个单点激光熔化粉末状塑料聚合物，这使得生产效率受到一定的制约，霍普金森采用红外线灯和喷墨打印头来代替激光的解决方案。打印头快速准确地将材料传送到粉末床上。在HSS加工过程中，喷墨打印头将黑色的红外辐射吸收油墨沉积在热塑性粉末床上，然后红外灯加热粉末，导致塑料粉末颗粒熔化，从而固化每一层的形状，这比激光烧结速度快很多。

HSS被认为是降低3D打印塑料零件成本的手段，以使3D打印与诸如注塑等大规模制造技术具有竞争力。通过更换昂贵的激光器并增加机器的生产能力，可以达到与注塑成型竞争的成本和速度来制造塑料零件。

通过科思创与维捷的合作，为HSS快速烧结技术打造开发可用于大规模制造的材料与工艺无缝结合解决方案，在快速制造的基础上叠加快速解决方案，这已经成为现在3D打印业界更为主流的发展趋势。

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据悉，这是一种先进的大型铸造砂模3D打印机，被称为ACC 3D打印机（Advance Casting Cell-ACC 3D Printer）。这一设备的研发将得到德国联邦经济事务和能源部的财政支持，它将能够打印单个重量超过60公吨的砂模，为GE Haliade-X的机舱[1]提供铸件，并将砂模的生产时间从10周以上减少到仅需2周。此外，由于不再需要将大型部件从一个集中制造点运输到应用地点，这一3D打印机预计减少产品的碳足迹。

合作伙伴们预计将在2021年第三季度启动该项目，并在2022年第一季度开始进行初始打印机试验。

图1 – 粘结剂喷射的原理，在一个成型平台上先铺设一层粉末，随后打印头将粘结剂有选择性的喷射到所要打印的零件上。然后再铺设一层粉末，不断重复上述过程直到打印出最终的零件或模具。

大幅减少全套模具组件数量

该项目涉及开发一款全新的大幅面3D打印机，能够生产砂模用于铸造构成海上风力发电机舱的不同形状和尺寸的高度复杂金属部件。基于voxeljet-维捷公司核心的 “粘结剂喷射 “技术模块化3D打印工艺，将能打印直径为9.5米、重达60吨多的铸造用砂模。

图2 – ACC打印机将被设计用来打印风力发电机关键零部件的模具，最大直径为9.5米，重量为30至60吨。

通用电气可再生能源公司的高级增材设计工程师Juan Pablo Cilia说：”3D打印模具将带来许多好处，提高铸件质量，包括改善铸件表面光洁度、提高零件精度和一致性。此外，由于优化的设计，砂型粘结剂喷射模型或增材模型可通过减少加工时间和其他材料成本来节约成本。这种前所未有的生产技术将改变生产效率，允许在高成本国家进行本地化生产，这对于希望最大限度地发挥海上风电进而带来地方经济发展效益的客户来说是一个关键的好处。”

弗劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所IGCV负责铸造和材料技术问题，以及工艺过程数字化监控。”我们正在密切关注铸造过程中的热管理，我们将评估打印材料的理想比例，”弗劳恩霍夫 IGCV 的成型工艺和成型材料部门主管 Daniel Günther 博士说。“此外，作为项目的一部分，我们还将开发和测试新的工艺监测方法”。根据以往的经验，该团队预计Haliade-X型风力发电机生产过程中的环境足迹将大大改善。可持续性是弗劳恩霍夫研究所工作的一个坚定的指导原则。该研究所所长Wolfram Volk教授/博士补充说：”我们的目标是优化模具打印，以避免成本极高的误打印甚至误浇铸，节省粘合剂和固化剂，并改善铸造过程中的机械和热行为。通过开发一种尽可能节约资源的工艺，我们希望帮助改善风力发电机制造中的环境平衡和成本平衡。”

voxeljet-维捷市场和销售总监Christian Traeger说：”2019年我们为通用电气打印的测试模具由几十个单独的零件组成。有了ACC打印机，我们将致力于大幅减少全套模具的零件数量。除此之外，模具还可以在功能和材料消耗方面进行优化。这种优化使得全新的铸造设计成为可能，可以进一步提高风力发电机的效率”。

“虽然场外按需3D打印服务为小批量铸件制造提供了许多好处，但在现场运行3D打印设备可以最大限度地利用该技术的潜能。鉴于海上风力发电机的持续增长的市场，这将对按时完成项目进度和满足需求有很大帮助，”voxeljet-维捷首席执行官Ingo Ederer博士补充说。”凭借富有成效的粘结剂喷射技术并结合在大幅面工业3D打印方面的经验，我们为铸造行业客户提供服务已逾20年。将3D打印带入真正的工业制造领域是我们的使命，因此我们非常高兴能成为这个开创性项目的成员。”

国际能源署预计，由于成本下降、政府的支持政策和诸如GE Haliade-X海上风力发电机项目的技术进步，到2040年，全球海上风能容量将提高15倍，成为一个1万亿美元的产业[2]。GE可再生能源公司已中标欧洲和美国5.7GW的项目，为其提供Haliade-X风力发电机。该公司是海上风能工业委员会（OWIC）的成员，作为该委员会的一部分，该委员会支持旨在提高可持续风能生产的各种举措。

[1] 机舱是风力发电机塔顶的一个外壳单元，包含其机械部件。

[2] 来源Source: https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019

来源：https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019

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