我們都知道，當今世界的主流製造工藝是模具工藝。模具工藝也素有“工業之母”的稱號。我們生活中的許多日常消費品，都是由模具工藝製造而來。
模具與其製成的消費品和工業品
提到模具，就不能不說到鑄造工藝。
鑄造，就是往一個模具裡頭灌熱的金屬漿，金屬漿成型冷卻後就有了預期的形狀。
是不是很像香港的著名小吃雞蛋仔，也是把雞蛋漿放入一個黑色的插著電的有很多球型隆起的模具裡，那麼等下成型後的樣子就是一個個圓球狀的啦。
工業產品的鑄造，可不像雞蛋仔的形狀那麼簡單。很多工業零件的模具，是由一整套組合拼接、組合而成。
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這一整套模具，都可以通過3D打印技術來完成。在3D打印機的CAD文件裡，一整套模具是這樣“平躺”在打印臺上的。
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由於成型缸的空間是比較充裕的，所以出於節省成本的考慮，在打印之前，工程師能夠把很多模型文件都導入進去。所以每次打印之前，模型數據看起來密密麻麻的。
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打印數據文件準備好後，就可以把成型箱推入到打印機裡，開始安排打印了。
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與常見的桌面型3D打印機不同，一臺砂型3D打印機體積是相當大的，因此只有在工廠裡才能看到。以2米×1米×1米成型體積的3D打印機德國Voxeljet為例，下圖可以直觀地看到機器與人的大小比例。
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3D打印的過程，就是先鋪一層砂，用粘接劑進行固化，然後層層疊加。砂模的材料是石英砂，由於是利用樹脂把砂材料粘結起來，所以這種砂也叫樹脂砂。
樹脂砂材料的層厚可以低至僅僅300微米（三根人類頭髮絲的厚度）。
打印過程
在模具領域，樹脂砂被各國公認為是未來的發展方向。美國、日本和瑞士等國已經採用樹脂砂鑄造出單件達幾十噸或上百噸的鑄件。而利用3D打印製成的樹脂砂，在成本、交付時間上都有著明顯的優勢，並且不受到複雜幾何形狀的制約。
打印完成後，工作人員在成型箱前進行清理
打印完成後就是鑄造的過程。我們以渦輪工業件的製作為例，看看它是怎麼被鑄造出來的。
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在第三步，我們看到“3D打印模具與傳統模具的組合”。因為一套模具往往是由砂芯和外模組合在一起的，砂芯的結構比較複雜，外模相對簡單。所以很多廠家出於成本的考量，只用3D打印來製作砂芯，外模還是用傳統工藝製造。
下圖為3D打印與傳統的鑄造模式的對比。
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在鑄造工業中，傳統的流程一般是：
CAD設計→預處理→工裝夾具製造→砂型製造→鑄造。
週期在4周甚至更長。
而3D打印的流程是：
CAD設計→預處理→砂型打印→鑄造。
最快的話5天就可以完成，交貨期按“天”計算而不是按“周”。省去了大量昂貴、繁瑣的中間環節。
其實，這種3D打印砂型模具的鑄造技術並非德國獨有。
在我國，3D打印技術給鑄造業帶來了“神奇”變化。中央電視臺和工信部聯合制作的大型工業紀錄片《大國重器》，介紹了我國自主研發的3D砂型打印機。
這臺讓研發人員付出了7年光陰的3D砂芯打印機，其高為5.2米，重35噸，打印精度±0.3毫米,它的體積比目前國外最大的機型還要大兩倍，讓3D打印製造出更大的、精度更高的鑄件成為可能。
3D打印機均勻鋪砂，動作舒展，每一層都展現出完美的平整度。
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上萬個5微米的噴孔，在計算機的控制下，根據砂芯的截面圖形噴射樹脂。樹脂與砂子中的固化劑進行反應，形成固化，勾畫出砂芯的截面。每打印完一層，升降平臺就下降一層。鋪砂器鋪砂，打印噴頭噴出樹脂，交替進行。
經過2000層的堆疊，中國自主設計製造的3D砂芯打印機完成了它的第一個作品。經過吹砂這道程序，固化的砂芯漸漸呈現。
我國原先使用進口砂料的最大問題就是成本，加上運費，相當於2000元一噸。而在使用國產砂替代後，成本下降了三分之二。
7年光陰，12項關鍵技術突破，132項專利，原材料全部國產化。這就是大國重器，這就是中國製造。
Q
為什麼世界各國如此重視
砂型3D打印技術？
A
根據麥肯錫預測，到2020年，3D打印在模具領域的市場影響將達到300億-500億美元。什麼概念？整個模具市場佔有3600億美元，3D打印佔據了十分之一。在模具的應用中，30%-50%的塑料模具都將是3D打印的。可見這是一個巨大的市場。
上文所展示的這些砂型3D打印工業品，更像是藝術品。他們代表了智能製造的未來，帶來了巨大的經濟效益，也直接或間接地讓我們的生活更加美好。
在中國3D打印文化博物館的展廳裡，就收藏並展示了這些砂型3D打印的“藝術品”。我們希望更多的人瞭解3D打印技術，發現科技之美。
中國3D打印文化博物館展出的砂型模具
瞭解3D打印模具在工業鑄造的應用
始終堅信，科學的未來是讓我們這些年輕人愛上科學。
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