3D-печать песчаных форм: «бесформенная революция», меняющая традиционное литьё 

На выставке литейного производства в Тяньцзине в 2026 году технология 3D-печати песчаных форм стала главным центром внимания. Промышленный 3D-принтер для песчаных форм позволяет напрямую преобразовывать цифровые модели в готовые песчаные формы. Весь цикл от проектирования до получения готового изделия занимает всего 7 дней. Кроме того, технология позволяет легко создавать сложные внутренние структуры, которые традиционными методами выполнить невозможно, что идеально подходит для высокотехнологичных изделий, таких как аккумуляторные поддоны для электромобилей и тонкостенные детали для авиакосмической отрасли. Эта технология аддитивного производства, которую называют «третьей промышленной революцией», коренным образом меняет производственную логику традиционной литейной промышленности.

Что такое литьё с использованием 3D-печатных песчаных форм?

Литьё с использованием 3D-печатных песчаных форм — это новый метод производства, основанный на технологии струйного нанесения связующего вещества. Проще говоря, процесс напоминает печать документа на принтере: под управлением компьютера слой за слоем наносится песок и выборочно впрыскивается связующее, которое скрепляет песчинки, формируя цельную песчаную форму или стержень. Весь процесс не требует использования физической оснастки (модельной оснастки). Цифровая CAD-модель напрямую превращается в физическую песчаную форму, что полностью исключает длительные этапы традиционного процесса: «проектирование оснастки — изготовление модели — изготовление песчаной формы по модели».

Как 3D-печать песчаных форм меняет традиционную литейную промышленность?

(a) Сокращение цикла на 80%: с нескольких недель до нескольких дней

В традиционном литье до 70% времени цикла тратится на замкнутый цикл «проектирование оснастки — обработка — доработка — испытания». Изготовление сложной оснастки обычно занимает от 2 до 4 недель. 3D-печать песчаных форм сжимает этот цикл до 24–48 часов. Изготовление сложной оснастки традиционным методом может занимать десятки дней, в то время как промышленный 3D-принтер для песчаных форм позволяет получить готовое изделие от проектирования всего за 7 дней. Это особенно подходит для изготовления опытных образцов, мелкосерийного и индивидуального производства, а также срочного выпуска запасных частей. Например, на одном литейном заводе при печати песчаной формы для корпуса насоса весь процесс от проектирования до поставки занял всего 36 часов, что на 80% быстрее традиционного метода. Это позволило вывести продукт на рынок на 2 недели раньше. В Тяньцзине также началось строительство первой демонстрационной линии для 3D-песчаной печати в регионе Пекин-Тяньцзинь-Хэбэй, что свидетельствует о продвижении этой технологии вглубь индустриализации.

(b) Преодоление конструктивных ограничений: создание сложных конструкций, недоступных традиционным методам

3D-песчаная печать не требует решения проблемы «извлечения модели из формы», что позволяет легко создавать сложные структуры, недостижимые традиционными методами. Примеры: внутренние охлаждающие каналы лопаток авиационных двигателей — традиционный метод требует разделения на 5 и более стержней, что чревато погрешностями сборки; тонкостенные корпуса электродвигателей для автомобилей для снижения веса — толщина стенки может достигать 2 мм, тогда как традиционные песчаные формы склонны к разрушению; корпуса коробок передач с интегрированными масляными каналами — сокращение последующих операций сверления и снижение процента брака. 3D-печать также поддерживает полые конструкции. Полые песчаные формы и стержни позволяют гибко контролировать процесс затвердевания отливки, обеспечивая снижение веса формы более чем на 50% и значительно сокращая затраты на печать.

(c) Долгосрочное снижение затрат на 40%: компенсация начальных инвестиций в оборудование

При производстве традиционной оснастки наблюдается значительная потеря материала. Для сложной оснастки коэффициент использования материала составляет менее 30%, а затраты на ручной труд высоки. 3D-печать использует материал по требованию, точно дозируя песок, что обеспечивает коэффициент использования материала более 90%. Согласно фактическим производственным данным, благодаря технологии 3D-песчаной печати один литейный завод сократил свои расходы на 2/3 по сравнению с традиционным производством, а время сборки оснастки сократилось с более чем 14 часов до всего 3,5 часов. Хотя первоначальные инвестиции в оборудование для 3D-песчаной печати высоки, для мелкосерийного производства сложных отливок долгосрочное снижение затрат оказывается значительным.

(d) Зеленое производство: содействие низкоуглеродной трансформации литейной промышленности

В «Руководящих указаниях о содействии высококачественному развитию литейной и кузнечной промышленности», совместно выпущенных тремя китайскими министерствами, технология 3D-песчаной печати определена как передовой литейный процесс и ключевое направление для содействия «зеленой» трансформации отрасли. С точки зрения экологического эффекта, эта технология позволяет значительно сократить потери сырья. Процесс полностью твердотельный, без посторонних запахов. Несвязанный, рыхлый песок можно эффективно собирать и повторно использовать. Кроме того, производственный процесс становится проще, что эффективно снижает энергопотребление и трудозатраты.

Tianjin Zhiqin: обеспечение ключевыми материалами для 3D-песчаной печати с помощью технологий покрытого песка

В 3D-печати песчаных форм песок является ключевым элементом, определяющим качество печати и свойства отливки. Требования к прочности покрытого песка для 3D-печати выше, чем для обычного литейного покрытого песка. Такие параметры, как газотворная способность и потеря при прокаливании, должны строго контролироваться в пределах технологического окна. Угловой коэффициент исходного песка существенно влияет на прочность: чем меньше угловой коэффициент, тем выше прочность; также, чем выше содержание мелких фракций, тем выше прочность. Кроме того, технология 3D-печати требует, чтобы песок обладал хорошей сферичностью и высокой концентрацией по крупности для обеспечения равномерной укладки слоев и точного нанесения связующего.

Компания Tianjin Zhiqin New Materials Co., Ltd., являющаяся важным предприятием в регионе Тяньцзинь в области разработки материалов и оборудования для покрытого песка, обладает уникальными технологическими преимуществами в производстве расходных материалов для 3D-песчаной печати:

Индивидуальный покрытый песок, точно соответствующий потребностям 3D-печати. Компания Tianjin Zhiqin, учитывая особенности технологии 3D-песчаной печати, разработала серию индивидуализированных покрытых песков, адаптированных к технологии струйного нанесения связующего. Эта серия охватывает множество типов для чугуна, литой стали, цветных металлов и легко выбиваемых стержней. Типичные характеристики для чугуна: предел прочности при изгибе при комнатной температуре ≥7,0 МПа, газотворная способность ≤16 мл/г, что идеально подходит для печати тонкостенных деталей, таких как блоки и головки цилиндров автомобильных двигателей. Покрытый песок для литой стали (с использованием высокоогнеупорных материалов, таких как керамический песок) имеет огнеупорность ≥1800°C и предел прочности при изгибе в горячем состоянии ≥4,0 МПа, удовлетворяя требованиям печати высокотемпературных отливок из легированной и нержавеющей стали. Легковыбиваемой покрытый песок имеет низкие потери при прокаливании ≤1,5%, после заливки металла стержень самостоятельно разрушается, что значительно снижает затраты на последующую очистку отливок.

Значительные преимущества керамического песка (электрокорундового) в 3D-печати. Керамический песок (электроплавленый керамический гранулят) с содержанием Al₂O₃ 71-75%, содержанием муллитовой фазы ≥65% и низким коэффициентом теплового расширения до 6×10⁻⁶/°C (20-1000°C) является идеальным высококачественным песком для 3D-печати. Его близкая к сферической форма зерен (угловой коэффициент ≤1,1) обеспечивает превосходную текучесть при укладке, что делает слой песка при 3D-печати более равномерным и плотным. Кроме того, низкое расширение керамического песка полностью исключает появление дефектов в виде трещин (veining) на песчаной форме при заливке горячим металлом.

Автоматизированная линия обеспечивает стабильность свойств печатных форм. Собственная полностью автоматизированная линия по производству покрытого песка компании Tianjin Zhiqin обеспечивает точность контроля температуры покрытия ±2°C и динамическую регулировку дозировки связующего, гарантируя, что стабильность свойств серийно производимого покрытого песка достигает более 98%, что служит надежной гарантией материала для 3D-песчаной печати.

Комплексное сопровождение: технологический замкнутый цикл от печати песчаных форм до регенерации отработанного песка

Технология литья с использованием 3D-печатных песчаных форм — это не только инновация в области формообразования, но и стимул для формирования в литейной промышленности «зеленого» замкнутого цикла: «цифровое проектирование — бесформенная печать — точная заливка — регенерация отработанного песка». Tianjin Zhiqin, обладая патентованными технологиями, включая линии по производству покрытого песка и печи кипящего слоя для регенерации отработанного песка, предлагает комплексные услуги для 3D-песчаной печати — от поставки песка до его рециркуляции.

На стороне материала компания может производить покрытый песок на заказ в соответствии с требованиями технологии 3D-печати, точно подбирая его под материал отливки и параметры печати. На стороне оборудования запатентованные технологии компании — вертикальная регенерационная печь ZQRS и регенерационная печь кипящего слоя — позволяют довести комплексное использование отработанного песка (от напечатанных форм и стержней) до более чем 98% при снижении удельного энергопотребления на 15%. На стороне экологии процесс обработки песка осуществляется по герметичной технологии с отрицательным давлением, обеспечивая концентрацию выбросов пыли ≤10 мг/м³, что значительно ниже установленного в стандарте GB 39726-2020 «Нормативы выбросов загрязнителей атмосферы в литейной промышленности» предела в 30 мг/м³.

Этот технологический замкнутый цикл полностью соответствует тенденциям развития отрасли. На выставке в Тяньцзине 2026 года многие компании продемонстрировали модернизированные системы регенерации песка для 3D-песчаной печати, адаптированные для сложных отливок, позволяющие восстанавливать свойства отработанного песка и обеспечивающие значительное повышение коэффициента его рециркуляции.

Перспективы: Будущее интеллектуального литья уже наступило

По мере дальнейшего созревания технологии 3D-песчаной печати литейная промышленность ускоряет переход от «подхода, основанном на опыте», к «подходу, основанном на данных». Глубокая интеграция таких технологий, как цифровые двойники и ИИ-визуальный контроль качества, с 3D-песчаной печатью позволит еще больше сократить циклы разработки продукции и повысить стабильность качества отливок. В плане развития китайской литейной промышленности четко поставлена задача к 2025 году обеспечить промышленное внедрение ряда передовых технологических процессов, включая 3D-песчаную печать, сократить выбросы твердых частиц в литейной промышленности более чем на 30% по сравнению с уровнем 2020 года и достичь ежегодной регенерации более 8 миллионов тонн отработанного литейного песка.

Будучи важным участником и технологическим движителем этих промышленных преобразований, компания Tianjin Zhiqin продолжит углублять свои разработки в области материалов для покрытого песка и оборудования для обработки песка, обеспечивая высокостабильное и экономически эффективное материальное обеспечение для распространения технологии 3D-песчаной печати. Параллельно, с помощью эффективных систем регенерации отработанного песка, компания способствует достижению «зеленого» циклического развития литейной промышленности, внося весомый вклад в трансформацию и повышение уровня китайской литейной промышленности до высокотехнологичного, интеллектуального и экологичного состояния.