导读：随着砂型3D打印技术在打印效率、打印尺寸、砂型性能等方面的不断提升，以及3D打印砂型成本的不断下降，已经逐渐成为被传统铸造领域广泛使用的一种创新技术路线。

2024 年 7 月 4 日，由中国铸造协会主办的“第二十二届中国国际铸造博览会”在上海开幕，来自 50 多个国家和地区的1500多家铸造产业上下游的知名展商亮相本次展会，成为推动铸造行业转型升级、走高质量发展道路的重要平台。

△第二十二届中国国际铸造博览会开幕仪式

△爱司凯董事长李明之先生受邀作为剪彩嘉宾出席开幕式

南极熊获悉，砂型3D打印机制造商爱司凯重磅亮相本次展会，发布了三款生产线级的砂型3D打印设备T1814、T2518和BTHS2515出口版，并与三家在砂型铸造产业链上的优势供应商签订战略合作，从多个维度来推动3D打印技术帮助铸造产业进一步的降本增效，实现绿色智能铸造。

在中国铸造协会的支持下，在协会会长张立波先生及众多铸造业大咖的见证下，“同心筑梦”爱司凯3D 打印+绿色智能铸造产业链战略合作仪式成功举办。对于当前我国的铸造产业来讲，这是一场具有深远意义的签约仪式，爱司凯携手济南圣泉集团、广西兰科资源再生利用有限公司、佛山市国恒网络科技有限公司成功签署战略合作协议，四家企业强强联手，共同致力于推进砂型 3D 打印产业的发展，为铸造业客户降低生产成本，提高生产效率，开启了行业发展的新篇章。

△佛山国恒科技董事长陈耀波（左一）、爱司凯董事长李明之（左二）、济南圣泉集团材料事业部总经理袁永（右二） 、广西兰科资源董事长戴伟平（右一）

爱司凯作为此次战略合作的核心成员之一，经历近20年的深耕细作，已跻身为中国增材制造(3D工业打印)领域的创新先锋，自主研发的“压电喷墨打印头”为国家工信部列入的3D打印核心部件，已经商业化应用在工业增材制造主流领域的3D砂型、3D陶瓷打印产品中。 

△爱司凯自研砂型3D打印机压电打印喷头

其砂型 3D 打印机凭借自研的压电喷头核心零部件，在行业内处于领先地位。通过不断的技术创新和优化，爱司凯的砂型 3D 打印解决方案能够为铸造企业提供高精度、复杂结构的砂型制造，大大提高了铸造产品的质量和生产效率。本次展会上，最新发布的生产线级砂型3D打印设备，通过集中清砂系统和循环打印仓，进一步降低了铸造企业的投资成本。

△爱司凯新发布的砂型3D打印机T1814

成立于1979年的济南圣泉集团，产业覆盖生物质精炼、高性能树脂及复合材料、铸造材料、健康医药、新能源等领域。高性能树脂及复合材料产业是圣泉的主导产业，目前圣泉集团酚醛树脂产能达65万吨/年，呋喃树脂年产能15万吨，均位居全球前列。其生产的铸造材料覆盖冷芯盒树脂、覆膜砂酚醛树脂、碱性酚醛树脂、涂料、固化剂、无机粘结剂、发热保温冒口、熔炼材料等一百多种，构建了完整铸造材料产品体系。   

圣泉集团也重磅亮相本届铸造展，据南极熊了解，圣泉集团针对爱司凯的砂型3D打印压电喷头，专门开发了一款高性能的呋喃树脂材料，作为砂型3D打印中的粘结剂，?具有优秀的耐蚀性能、?耐热性能及机械性能，能够为砂型 3D 打印提供优质的原材料保障，提高砂型的强度和稳定性，而且成本大幅下降。

△圣泉集团展出的3D打印呋喃树脂

广西兰科资源主要为铸造行业提供铸造废砂及其他铸造固体废弃物的全方位综合利用解决方案、量身定制中试服务、设备交钥匙工程以及投资运营管理，拥有先进的废砂再生处理的产业化工艺技术和核心装备技术。通过自主研发的技术及装备对铸造废砂进行再生处理后产出的再生砂性能优于新砂，可100%替代新砂，实现废砂零排放，同时减少了90%新砂开采量，可为铸造企业降低20%的用砂成本、显著降低铸件废品率和缩短铸件清理工时，是优质的铸造再生循环利用成套环保设备的供应商。

3D打印砂的回收再利用，是每一家铸造厂都需要解决的问题，在铸造过程中产生的废砂和废渣，广西兰科能够通过先进的技术和工艺进行回收处理，将其转化为可再利用的原材料，减少对新资源的开采和使用。同时，广西兰科还能够对铸造企业产生的废水、废气进行有效处理，实现达标排放，为铸造产业的可持续发展提供有力支持。 

佛山国恒科技在数字化和智能化领域具有深厚的技术积累和丰富的应用经验。在此次合作中，国恒科技将以自身积累的数万个不同类型的砂型铸造案例数据为基础，为铸造厂商提供数字化的解决方案，包括生产过程的数字化监控、质量追溯系统、智能供应链管理等。

通过国恒科技的数字化技术，铸造企业能够实时监控砂型 3D 打印的生产过程，及时发现和解决生产中的问题，提高生产效率和产品质量。质量追溯系统能够确保每一个铸造产品的质量可追溯，为客户提供更加可靠的产品。智能供应链管理则能够优化原材料的采购和配送，降低库存成本，提高供应链的响应速度。   

在签约仪式之后，南极熊对爱司凯董事长李明之进行了采访，李明之表示：“爱司凯解决了卡脖子的打印喷头问题，圣泉集团提供了更有竞争力的树脂材料，兰科系统性的铸造砂回收解决方案，国恒的大量铸造案例，将铸造厂在引入砂型3D打印技术所面临的一系列问题一次性解决掉。我们相信砂型3D打印就会在铸造厂里实现真正的生产化应用，而不仅仅是研发的应用。我们四方现在提供的方案，可以将砂型的打印成本降低到1元/kg左右，而且解决了砂回收问题、环境问题，我们称之为绿色智能铸造，同时降低了铸造企业在工艺、软件方面的试错成本。我们认为这样可以彻底地提高铸造厂对使用3D 打印的信心，让中国整个的铸造产业在全世界最具竞争力，这就是我们这次战略合作签约的目的。”   

此次爱司凯与圣泉集团、兰科资源、国恒科技的战略合作，具有多方面的重要意义。从技术创新、产业升级、环境保护多个维度支持铸造业转型升级，展望未来，四家企业将携手共进，不断深化合作领域，拓展市场空间。预计在未来几年内，砂型 3D 打印产业将取得更加显著的发展成果，为铸造业的转型升级注入强大动力。相信在四家企业的共同努力下，砂型 3D 打印产业将迎来更加美好的明天，为我国铸造业的发展做出更大的贡献。

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像“华为造手机”一样造3D打印机！实地探访爱司凯杭州工厂

2024年5月，南极熊曾实地走访了砂型3D打印机生产厂商爱司凯的杭州工厂，深入了解了这家公司是如何走上3D打印之路的。

△爱司凯董事长李明之（左）、南极熊潘学松（右），位于爱司凯杭州工厂

靠CTP设备起家做到全球前三
       
本次南极熊实地探访，受到爱司凯董事长李明之先生的亲自接待，他带领我们参观了爱司凯的研发和生产大楼。李明之告诉南极熊，其实爱司凯最早是做计算机直接制版机（CTP）起家，这是一种将数字化的印前图文信息直接转移到印版上的设备，这些设备主要用于报纸、杂志等需要大批量印刷的领域。爱司凯目前在CTP设备方面已经做到全球前三的位置，就连国际大厂日本富士的CTP设备也是由爱司凯贴牌生产的。CTP设备需要用激光在铝板上进行精密雕刻，因此，爱司凯掌握了精密运动控制的关键技术，并且将这套精密运动控制技术应用于砂型3D打印机的开发当中。

△爱司凯的计算机直接制版机（CTP）生产车间

△爱司凯为日本富士贴牌生产的CTP设备

像“华为造手机”一样造3D打印机
       
在生产大楼的一楼，我们终于看到了爱司凯的砂型3D打印机生产线，工人们正在组装多个型号的砂型3D打印机， 包括可打印1.8米尺寸的左右双工作砂箱打印设备S1800，和集中式清粉的风暴T1800、T2515产线方案，以及出口型博通汉斯BTHS2515、BTHS4025。

△爱司凯砂型3D打印机生产车间

△爱司凯集中式清粉的风暴T1800、T2515产线方案，通过轨道将打印仓运送到指定位置进行清粉，多台打印设备匹配一套清粉装备。这是一套真正的3D打印产线全流程方案，而非是传统铸造厂产线升级方案。

李明之表示：“与国内其他砂型3D打印机厂商不同，爱司凯砂型3D打印机的核心在于使用了自研的压电打印喷头，而其他厂商只能使用进口的喷头。爱司凯自研打印喷头就好比华为造手机使用麒麟芯片，奇瑞造车使用自研发动机一样，将核心部件掌握在自己手中，我们不能被国外‘卡脖子’” 。

据南极熊了解，爱司凯从2012年就开始立项研发压电式喷墨打印头，前前后后投资了数亿元，可谓是十年磨一剑。与到处采购零件，快速组装销售赚钱相比，李明之显然是选择了一条更艰难的道路。很多核心零部件之所以没有国产化，一方面是其技术门槛高研发投入大，另一方面是国内缺少配套的加工设备。比如想生产芯片，但没有光刻机，可谓是“巧妇难为无米之炊”。

△3D打印压电喷头在洁净房内生产

爱司凯为了研发生产这个小小的打印喷头，需要配备一整套的加工设备，这些设备往往也是被国际巨头垄断的或者由于国内需求量太小，根本没有人造。爱司凯只能自己去造这些设备，比如喷头各部件：喷孔板打孔设备、切割设备、涂覆设备、热压设备、曝光设备、检测仪器等。这些设备都被放在四楼2000平米的洁净房内用于生产打印喷头。而且，就连打印头上的主芯片，爱司凯也给出了自己的解决方案。

 

△为了研发压电式打印喷头，爱司凯又造了一批加工设备

△高速相机下拍摄的1滴墨水的喷射过程

在重重困难之下，经过多年的持续开发爱司凯终于还是取得了突破，推出了国产的压电式打印喷头，打破了国内在这一领域的空白，并大幅降低了这一核心零部件的成本。目前，爱司凯的喷墨打印头有512孔和1024孔两种，分辨率分别为200dpi和400dpi。量产的512喷头已使用在公司全系列3D砂模和3D陶瓷打印机上，部分MEMS工艺的512喷头正在细分市场进行试用和测试；立式传统1024喷头和立式MEMS1024也已进入研发样品的小批量测试阶段。由于采用自研喷头，可以根据3D打印材料的特性，选择喷头流道的材料，从材料兼容性上大大提高喷头寿命。根据不同打印材料，为客户定制不同材质喷头，为多元化材料的在3D上的应用提供支持。

△爱司凯3D打印压电喷头及结构

爱司凯为什么选择了一条最艰难的路？

在参观完爱司凯的研发、生产厂房之后，南极熊为之震惊，没想到爱司凯竟然真的为了制造这个小小的喷头，投入了如此巨大的精力和研发成本。但是，南极熊依然心存疑虑，在其他厂商纷纷想办法快速推出打印设备，尽快实现盈利的背景下。爱司凯却选择了苦熬十年，为了年销售百台级别的砂型3D打印机，喷头千个级别的用量，投资几个亿去研发打印喷头，这到底值不值得？

李明之表示：“这是一项“卡脖子”的技术，国内总要有人去做，如果我们都不做，那我们将一直被卡脖子。可悲的是，在我们推出打印喷头之后，同行并不相信我们能够做喷头。而实际上我们的打印喷头与进口的相比，在性能、兼容性、使用寿命及应用成本方面均具备优势，爱司凯的喷头寿命超过1000亿次，而且在砂型机的服务周期中喷头的更换成本也更低。而且经过我们的长期运行验证之后，这个打印喷头未来还能用于喷绘等领域，用量级别在数万个。”

△爱司凯董事长李明之手持倾尽心血研发的打印喷头

由于压电打印喷头技术之前一直掌握在日本富士等极少数国外厂商手中，因此3D打印机设备厂商如果想对喷头做一些定制化的开发几乎是不可能的。而如果拥有了自研喷头，则掌握了完全的主动权。

爱司凯为了适应各种不同的墨水，针对打印喷头做了很多适应性的开发。以环氧树脂墨水为例，其粘度在200-2000mPa.s，导致流体阻力增加。爱司凯3D树脂类专用喷头通过增加流道截面积，配备热循环系统（保证喷头在80-100摄氏度下稳定工作）和高电压驱动系统来实现稳定的打印。

△爱司凯为客户提供的砂型3D打印设备

对于有机酸类的墨水来讲，其化学性能较为活泼，对金属材料有腐蚀、对高分子材料有溶胀现象。为了打印这种材料，AMSKY固化剂专用喷头更换了流道材料（单晶硅、硅酸盐），更换了粘结剂（耐强酸），并在液体流过的界面增加半导体级涂层（耐强碱强酸）。

对于水基墨水来讲，主溶剂为水，容易产生气泡。溶质密度偏大，固含量偏高，容易沉淀。AMSKY陶瓷类专用喷头通过增加脱气单元，增加回流流道截面积，更改为正压供墨系统等方式实现对水基墨水的喷墨打印。

未来的路该怎么走
       
南极熊相信，在SLM 选择性激光熔融金属3D打印机开始纷纷采用国产激光器一样，BJ粘结剂喷射3D打印机未来也会采用国产打印喷头，这是一条必经之路。现在BJ粘结剂喷射3D打印技术正在崛起，未来的潜力巨大，这项技术不但能够打印砂型，还可以打印陶瓷和金属，甚至尼龙等材料，这些都需要用到打印喷头。到那时，爱司凯的长线策略将会真正的绽放出应有的光芒。

本次爱司凯的探访之旅，南极熊除了震惊之外同时也充满了期待。因为不但看到压电打印喷头这一核心器件的突破之路，李明之还向南极熊展示了另外一项黑科技，是SLM金属3D打印设备中的一个核心零部件，这项技术有望大幅降低8激光金属机的价格。在这里先卖个关子，等到产品正式发布之时，南极熊再来揭秘。

引言

随着科技的不断进步，3D打印技术（增材制造）在各个领域展现出了巨大的潜力。特别是在航空发动机制造中，3D打印技术不仅提高了生产效率，还显著提升了发动机性能和可靠性。本文将探讨3D打印技术在航空发动机领域的应用及其未来的发展前景。

3D打印技术在航空发动机中的应用

GE9X发动机的成功案例

2024年3月，3D打印技术参考注意到，GE航空航天公司宣布，今年计划向其全球制造工厂和供应链投资超过6.5亿美元用于提高其生产能力，满足商业和国防客户不断增长的需求。在计划中特别提及到，部分投资将用于增加增材制造（3D打印）机器和工具，以增加军用旋翼机发动机部件以及窄体和宽体商用飞机发动机的产量。GE多年来持续推动3D打印技术在航空发动机的中的应用，实现了燃油喷嘴、热交换器、涡轮叶片等一系列产品的大规模制造和应用，其产品用于LEAP、GE9X、GENX发动机的安装，适用于中国C919、客A320neo、波音737 MAX等机型。

GE9X发动机是目前世界上推力最强大的喷气发动机之一，其最大推力可达60.8吨。该发动机采用了304个3D打印零部件，涵盖了七大类型，包括燃油喷嘴、传感器壳体等。这些3D打印零部件的使用不仅减轻了发动机的重量，还提高了其整体性能和可靠性。

例如，GE90-94B发动机上的T25传感器壳体就是首个获得FAA认证的增材制造飞机发动机部件，已经安装在超过400个GE90-94B发动机中。这些传感器为发动机控制系统提供压力和温度的测量数据，确保了发动机的高效运行。

航空发动机采用的3D打印形成工艺

(1)激光熔化沉积(Laser Metal Deposition,LMD)。以粉状、丝状形式的金属、树脂等为原料，将零件CAD 模型进行切片分层，激光头按照每层规划路线移动，送粉、丝装置将粉末或丝状材料输送至激光焦点附近，激光熔化原材料，并在保护气体环境中快速冷却后凝固。一层打印结束后，激光头上升一层厚度，并采用下一层的路线继续打印，直至成形整个零件。

(2)选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)。以粉状金属为原材料，在基材上铺一层粉末，激光头按照切片分层后的规划路径移动，在铺好的粉末层上选择对应路径处的粉末在保护气体环境下熔化并凝固。一层打印结束后，基材下降一层高度，并铺设下一层粉末，激光头按照下一层路径移动。

(3)电子东熔炼技术(Electron Beam Melting,EBM)。以导电金属粉末为原材料，打印过程与 SLM类似但能量源由激光束变为了电子束，且需在真空环境中打印。

(4)光固化成形技术(Stereo Lithography Appearance，SLA)。波态光敏树脂在紫外激光束照射下会固化，陶瓷光固化成形则是将光敏树脂与陶瓷粉末混合为陶瓷浆料，通过逐层固化以及脱脂等处理，成形陶瓷零件。

3D打印制造应用于航空发动机零部件

3D打印技术在航天发动机零部件的制造中发挥了重要作用，带来了显著的优势和突破。早在20世纪末，国外各发动机公司陆续掀起了航空发动机3D打印热潮，英国 Rolle-Royce 公司采用 3D 打印制造出TrentXWB-97 发动机的前轴承机匣，该机匣材料为钛合金，具有复杂型面，尺寸达到中1500mmx500mm采用 3D 打印技术比传统工艺制造节省了 30% 的时间,Rolle-Royce 公司已对该机匣进行了装机地面测试。GE公司 LEAP-1A 航空发动机的燃油喷嘴采用 SLM 技术制造，与同类发动机相比，其燃油效率提高了15%，同时生产周期大幅缩短，生产成本降低了50%。德国航空发动机公司 MTU 首次采用 3D 打印制造了用于 PW1100G-JM 发动机低压演轮部分的镍基高温合金管道镜轴套，空客 A320ne0 已装配该型发动机，装机验证表明 3D 打印的管道镜轴套较传统铸造工艺而言有更高的冶金质量。意大利 Avi0 公司与瑞典Arcam 公司合作，采用 EBM 技术制造出 TIAI 合金高性能涡轮叶片，能够使涡轮机减重20%。由此可见，3D打印技术已应用于航空发动机轴类件、盘类件、鼓筒、环形机匣，箱式机匣和叶片等各种结构形式零部件的直接制造。根据GE 公司预计，其未来研发的航空发动机50%的零部件都将采用 3D 打印进行制造，如下图所示，这将使得每台发动机至少可减重 454kg。

除了国外，国内近些年来对3D打印机在航空发动机零部件的应用也取得了很大的进步。比如许爱军利用 SLM 技术制造了航空发动机钛合金导管弯头，并对3D 打印出的导管弯头进行了减材加工使其满足装机要求，该零件已应用于某型无人机航空发动机得到实践验证。中国航发湖南动力机械研究所贺剑等人 3D 打印了涡轴发动机附件传动机匣，该机匣集成燃、滑油管路，结构十分复杂，3D 打印毛坯件经过工艺试验后表明，粗糙度优于铸件且密封性能满足使用要求。宋国强等提出了通过 LMD 工艺快速成型航空发动机叶片的工艺方法，分析了工艺参数与成形质量和效率间的关系。何者萌等通过 3D 打印制备出涡轮导向叶片毛坯结构。

3D打印技术的优势

提高生产效率

3D打印技术能够实现无模具、快速、全致密、近净成形的高性能复杂结构金属零件制造，特别适用于激光立体成形和修复的零件。与传统制造方法相比，3D打印不会因为产品形状的复杂程度而消耗更多的时间或成本。

降低成本

对于传统制造方法而言，复杂零件的制造成本较高。然而，3D打印技术可以通过简化生产流程和减少材料浪费来显著降低制造成本。

提升性能和可靠性

3D打印技术不仅可以制造出轻量化的零件，还能通过创新设计提升零件的性能和可靠性。例如，GE9X发动机中的3D打印零部件就显著提高了发动机的整体性能和可靠性。

未来展望

随着3D打印技术的不断发展和完善，其在航空发动机领域的应用前景将更加广阔。未来，更多的复杂零件和关键结构将通过3D打印技术制造，进一步提升航空发动机的性能和可靠性。同时，随着新材料和技术的不断涌现，这对于航空发动机减重、缩短维修和制造周期、效能提升各方面具有重大意义，是成就下一代新型航空发动机的重要推力。