走进全球首个万吨级铸造3D打印智能工厂

  近日，《环球时报》记者参与2024“走读中国”国际媒体交流活动，与14名来自非洲、亚太地区的外国记者一同探访“全球首个万吨级铸造3D打印智能工厂”——共享3D打印智能工厂，实地感受3D打印的魅力，与我国3D打印技术“排头兵”宁夏共享集团的专家进行深入交流，了解中国3D打印行业商业化现状，探讨国产3D打印技术的发展趋势。“2012年集团决定推动数字化转变发展方式与经济转型时，畅想了一个可以穿着白衬衫、白鞋子走进工厂的生产环境。”共享智能装备有限公司首席专家杜银学在接受《环球时报》记者正常采访时提到，传统铸造业的制造车间条件有限，工人师傅必须戴着厚厚的防尘罩，以免吸进大量的粉尘。《环球时报》记者日前在探访位于宁夏银川经济技术开发区的共享3D打印智能工厂时，看到与传统铸造车间截然不同的场景——14台高5.2米、重35吨的3D打印机整齐排列在约4000平方米的空调厂房里，地面干净，没有一丝粉尘的痕迹，少有的几名工人穿着干净整洁的工装。记者一行人进入厂房时，身着便装，无须穿戴防尘罩或鞋套。看着如此干净整洁的厂房，《环球时报》记者不禁产生疑问，光凭眼前的14台3D打印机，线万吨砂型（替代传统模具与手工造型的中间产品）吗？事实上，一进共享3D打印智能工厂厂房，就能在门口被称为“3D打印动态看板”的显示屏上看到整个工厂的生产进度。看板以三维组态形式展示14台3D打印机、智能移动小车以及立体仓库的状态，下方还有打印机名称、当前打印状态、打印进度以及当月生产状态。据现场工作人员介绍，共享3D打印智能工厂为数字化生产，通过自主研发的智能平台对生产的全部过程进行把控，整体设备工作运行，包括3D打印机执行、智能移动小车以及立体仓库等都被连接到智能单元中。“比如，通过动态看板能看到，8号打印机当前生产状态为已完成，12号打印机目前的完成率是14.3%。通过展示整体的运作时的状态，我们也可以对生产环节进行把控，也便于生产人员去监控设备的状态。出现任何情况，都能得到及时处理。”工厂工作人员表示，共享3D打印智能工厂一共有30多名工人，通过自主研发的智能3D打印平台，控制室只需要每班次2至3个人就能把14台3D打印机全部管控起来，而在传统工厂里，要想达到如此规模的生产，至少需要100多号人。共享智能装备有限公司负责研发的副总经理周志军告诉《环球时报》记者，共享集团使用的3D打印技术为粘结剂喷射3D打印技术，其原理为通过喷头喷射粘结剂将工业部件的截面“打印”出来并一层层堆积成型，可用于铸造砂型、金属零件生坯、陶瓷零件生坯等产品的制造。周志军表示，在现有3D打印技术中，粘结剂喷射技术的效率最高、成本最低，更适合在制造业进行产业化应用。以硅砂制品为例，产品的三维尺寸信息输入系统后，经过几千层的铺粉与粘结剂喷射即可形成整体造型，也就是说，3D打印机不需要模具或加工的过程，可以凭空“造”物，达到量产效果。一台3D打印机可生产的产品拥有无限可能性，甚至能够同时生产不一样型号的产品。“中国的3D打印行业是世界上增长最快的行业之一。”美国《福布斯》杂志日前报道称，中国在3D打印的应用和制造在很多方面已超越美国和欧洲。根据行业分析公司AM Research的预测，2015年至2022年，中国的增材制造业（3D打印行业）以约30%的速度增长，到2032年，中国产3D打印机销售额将达到80亿美元。周志军告诉《环球时报》记者，他认为国内的3D打印技术发展大致上可以分为三个阶段：首先是自上世纪90年代起，国内进入3D打印技术早期研究阶段；2012年至2020年前后是3D打印技术商业化应用发展阶段；随着国产3D打印技术持续不断的发展，目前已迎来产业化应用发展阶段。周志军表示，3D打印原理早期基本由国外提出，包括一些原理性专利，也是国外率先申请保护，这也是为什么国内的3D打印技术起步相比国外较晚。然而，如美国、德国最早提出的3D打印技术定位“不接地气”，大多用来从事研发、样品制造的项目，没有把3D打印技术大规模应用推广。而以共享集团为代表的国内企业更多聚焦在3D打印技术的产业化或批量化生产上，想要依靠3D打印技术替代甚至颠覆传统制造业方式。对于国内3D打印应用研究与国外的不同之处，周志军进一步解释说：“我们在研发3D打印技术时聚焦产业化应用，把高效率、低成本放在首位，针对性开展了如高效率3D打印机、智能物流设备、国产化原材料、智能单元与控制系统软件等一系列具有自主知识产权软硬件的研发，把3D打印的优势充分的发挥出来，目前国内同等规格的3D打印机效率比国外的要高得多，综合打印成本也已经降到进口产品的1/3。”周志军表示，共享集团目前在全球粘结剂喷射3D打印机市场的销售份额是最高的，他们的3D打印机除了面向国内市场，还有不少销往海外。对此，同行的南非《每日新闻》主编阿扬达·姆得卢利说，南非也在发展3D打印产业，但中国的3D打印技术更先进，如此少的工人数量如何达到如此庞大的生产规模，其模式值得探讨。中国自主研发3D打印有关技术的过程并非一帆风顺。杜银学介绍说，在研发3D打印智能服务系统的早期过程中，他们遇到的最大难题，一是如何将在老师傅手中发展百余年的传统铸造经验转化为能够匹配3D打印技术的工艺数据，二是数据转换失真等。杜银学表示：“要实现符合各类铸件生产所需砂型的打印，这要实现工艺参数的精确匹配。我们做了大量试验，耗费上千吨砂子，才研发出可适用的几十种配方参数。”根据不同用户的需求，共享集团的开发团队还将对更多配方参数进行研究。杜银学认为：“尽管3D打印技术在精度、速度和材料种类上取得了显著进步，但其整体发展水平仍难以满足制造业的实际的需求。3D打印技术在应用过程中还面临着数据太大与转换失真的问题。如在医疗、航空航天、军工等领域，采用3D打印技术制造零件时，仅打印部分就涉及众多工艺技术方面的要求，如数据格式转换、修复、摆放、模型修复等。数据在转化过程中有可能会出现很多问题，尤其是在CAD数据转换为STL模型时，精细的原始几何形状会转换为近似值，从而带来误差。这样一些问题都会影响3D打印技术的应用效果和精度。”经过夜以继日的研究，研发团队在基础数据格式改善、数据转化精度控制、喷墨打印分辨率提升等方面实现突破，解决了打印精度问题。3D打印行业从业者认为，人工智能（AI）以及机器学习将是3D打印的一个大方向，它们能够优化打印流程、材料使用以及预测性维护，以此来提高3D打印的效率和质量。杜银学希望可以将AI大模型引入3D打印技术上来。他认为，AI在3D打印的实际运用领域值得探讨，如航天领域，耐高温材料的3D打印成本高、周期长，若可以通过AI在打印过程中进行多维度视觉传感分析，用算法去标记合格和非合格区域以及有瑕疵的地方，就能够在设备上做调整，打印出来的成品质量会更好、更稳定。杜银学认为，AI还能帮助3D打印设备做自诊断，3D打印机的物理运动零部件以及整个智能单元的系统化集成都应用了很多电机、传感器和气动装置等，这些装置大多有自己的常规使用的寿命，本身就有维护需求，通过AI大模型监测这些零部件的健康状态，可提前预警，并为客户提出保养建议，这能极大降低维护成本。此外，一些军工、医疗等领域的特别的材料，很难通过射线去穿透检测，若想了解打印产品质量，必须将其剖切开，看里面是否有缺陷，而通过AI可以追溯剖切之前的数据，检索是否有缺陷信息，这样一来便可以为高精尖行业输送更可靠、性能更稳定的设备。▲

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