在铸造行业“十四五”发展的开局之年，中国铸造协会在第五届中国铸造节上正式向全行业发布了《铸造行业“十四五”发展规划》，《规划》中明确了“智能制造”的发展目标。

智能制造 ：加快行业信息化建设步伐，形成适用典型铸造工艺和不同产品的智能制造成熟模式，制订智能铸造及成熟度评价系列标准，通过典型数字化车间/智能工厂示范建设，引领行业智能制造快速发展。到2025年，培育200个以上数字化车间/智能工厂。

在铸造行业，烟台冰轮智能机械科技有限公司的铸造3D打印全流程智能工厂作为智能制造示范项目，引领着行业智能制造快速发展。今天将对此项目做详细介绍。

铸造3D打印全流程智能工厂

一、企业简介

烟台冰轮智能机械科技有限公司是上市公司冰轮环境技术股份有限公司的控股子公司，公司发源于 1900 年，迄今已有 120 年的铸造生产历史。公司荣获首届及历届“全国铸造百强企业”、首届“全国铸造千家骨干企业”，是首批符合铸造行业准入条件的企业之一。公司自 1990 年开始出口铸件，产品主要出口日本、美国、新加坡、欧洲等国家和地区，产品出口量占企业总产量的70%。公司下设智能成型、铸造、加工三个生产车间，年铸件生产能力 30000 吨。

二、项目背景

近年来，随着国家政策对环境和资源集约的要求进一步增强，烟台冰轮作为一家传统铸造企业也面临着转型升级的迫切问题：

◆公司多数设备的智能化程度低

◆生产柔性、生产敏捷性不强

◆铸件质量定位高，需要技术的有效支撑

◆绿色、环保制造的迫切需要

传统铸造行业的造型需要经过制模、制芯、组芯和合箱工序后才能进行熔化浇注，工序多，生产周期 长，并且常采用树脂砂手工造型制芯，生产的砂芯强度不均匀，易变形，尺寸精度低（通常为 CT11-13 级）；组芯合箱采用分体式，砂芯数量多，劳动强度大，生产效率低，平均合箱一个铸件需要 4 名工人8 小时才能完成；传统工艺飞边、毛刺多，清理打磨工作量大，铸件整体外观质量不高。

通过 3D 打印生产的砂芯，其生产的铸件产品质量高，尺寸精度可达到 CT9-10 级。项目建成后，项目产品在尺寸精度和机械性能指标各方面均达到了世界先进水平；工艺装备达到目前国际先进水平，建设完成后的智能工厂已成为国际先进的大型、精密铸件生产基地。

三、实施方案

本项目采用“3D 打印、智能机器人等创新技术+绿色智能铸造工厂”的模式进行设计建设。工厂达到年产5000 吨压缩机等高端铸件的能力，人均年产能超过150吨 ，产品合格率超过 96%，实现了绿色智能铸造目标。

该智能工厂将 ERP、全流程虚拟铸造系统（VCS）、LIMS、MES、智能单元控制系统、5G 通信等技术应用于设计、制造、管理和服务等生产经营的各个环节；80 余台套设备 100%实现了物联和数控。项目实现了 首次利用桁架机械手自动组装砂芯、首次采用压箱方式进行砂型裸浇工艺。

项目采用 3D 打印技术，通过三维立体建模，计算机连接 3D 打印设备，通过砂子逐层累加，精准打印出所需产品铸型；智能化加配料进行熔炼浇注，智能化砂处理及铸件精整，整个过程摒弃了以模具制作铸型、砂芯的方式，摒弃了手工或半自动熔炼浇注、砂处理、铸件精整的方式，彻底颠覆传统的铸造工艺方 法，同时改善了铸造行业环境差的现状。

该项目基于“云＋网＋厂”的新一代铸造智能工厂架构，综合应用了 3D 打印机、AGV、桁架机器人、 立体库、浇注压箱系统、自动加配料熔炼系统、砂处理、热法再生系统、抓件机械手、抛丸机等智能装备、 传感器、智能单元管理与控制系统等，通过建设物联网实现设备数据采集、存储、上传至云信息系统，实 现业务集成，打通人、设备、系统之间的数据通道，实现高效协同。主要具有以下设备：3DP打印机 6 台、 桁架机器人系统 1 套、移载机器人 2 台、智能立体库 1 套、智能化熔炼系统 1 套、智能化压箱浇注系统 1 套、智能翻箱机 1 台、热法再生系统 1 套、抓件机械手 1 台、智能化抛丸机 1 台、参见图 4.1.2 和图 4.1.3.

图4.1.12 新一代铸造智能工厂架构图：云+网+厂

图4.1.13智能工厂成型单元现场图

整个项目以铸造工艺集成设计为龙头，以成形智能单元、熔化浇注智能单元、精整智能单元为支撑， 形成具有特色的完善的 VCS、MES、LIMS 等数字化管理平台，建立实时数据库、历史数据库和专家知识库， 通过数据分析、推理,利用 ERP/VCS/MES/ LIMS/智能单元等系统的无缝高效集成，对生产、质量、设备、安 全环境、成本等全过程监控，实现产品研发、工艺设计、仿真分析、智能制造；采用多种实时传感系统、 29 测控设备、3D 打印技术、桁架机器人砂芯自动生产系统、AGV 与立体库结合的智能物流系统、全自动加配料系统、全自动浇铸系统、工业信息安全防护等智能装备，实现制造过程的自动化和网络化、物流采集信 息化、物料传送自动化。

本项目按照智能制造进行设计实施，按照设备层、控制层、车间层、企业层和协同层的五层架构方案进行，以工艺集成设计为核心，与 PLM、ERP、MES、数据库进行集成，实现了从材料采购、工艺设计及生产 过程的全面集成的数字化管理。

1、设备层

基于优化后的铸造工艺流程及三大智能单元搭建底层的设备平台，将 3DP 打印机、桁架机器人系统、 移载机器人、智能立体库、智能化熔炼系统、智能化压箱浇注系统、智能翻箱机、热法再生系统、抓件机 械手、智能化抛丸机等设备通过 OPC 技术和以太网接口联网，为三大智能单元系统的数据采集提供了数据 支撑。设备层安装的智能传感器可以实时感知产品生产状态、质量、设备动作、设备安全和生产成本等关 键信息，如温度、压力传感器和热分析仪等，此信息可通过设备层 PLC 或控制器模块进行数据实时采集和 逻辑分析与计算，参见图 4.1.4和图4.1.5。

2、控制层

铸造行业属于离散型制造业，产品生产过程中涉及的流程和设备较为复杂。本项目将铸造生产流程分 为成型、熔炼浇注、精整三大控制单元，通过各智能单元的控制实现局部智能制造。

各智能单元以 OPC 为接口，通过现场总线、以太网通讯与 PLC 或控制器进行通讯,向上与 ERP、MES、PLM、 LIMS 等系统集成，引入生产计划、维保计划、质量标准、专家知识库等信息，并向 MES 系统反馈设备、生 产、成本、质量、绿色、人员等六维信息；向下与底层设备及功能部件集成，依据标准工艺与参数指令进 行现场作业；同时采集六维数据，与专家知识库设定值实时对比，优化决策后闭环调整过程控制。

3、车间层

车间层是以 MES 系统为主，对车间所有资源的集成进行管理。MES 系统主要有制造数据管理系统、计划 排程管理系统、生产调度管理系统、库存管理系统、质量管理系统、人力资源管理系统、设备管理系统、 工具工装管理系统、采购管理系统、成本管理系统、项目看板管理系统、生产过程控制系统等模块，向上 通过以太网与 ERP、PLM、LIMS 等系统集成，向下通过接口与各智能单元集成，形成一个可靠、可行、全面 的制造协同管理平台。

4、企业层

企业层由企业的生产计划、采购管理、销售管理、人员管理、财务管理等信息化系统所构成，实现企 业生产的数字化集成管理，主要包括企业资源计划（ERP）系统、供应链管理（SCM）系统和客户关系管理 （CRM）系统、LIMS 等系统，各系统与 MES 系统和铸造工艺设计系统集成，将企业各种信息通过分类、汇总 后形成中间数据库，然后按照不同管理主体要求，进行对应 KPI 信息展示，指导、辅助企业管理人员做出 客观决策。

5、协同层

协同层与供应商通过互联网络共享信息实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。

四、项目实施效果

项目通过铸造工艺集成设计与仿真分析技术，应用智能制造技术和装备以及全面数字化管理，建设智能化工厂。项目提高了铸件产品的生产质量，生产出了高质量、高附加值的高档、关键铸件，生产过程突 破了产品原本的设计限制，实现了工艺流程的再造，生产周期缩短了 50%以上；独创了成形智能单元管理与 控制系统，实现了生产、质量、设备、成本的集成管控；通过远程运维平台实现智能工厂的远程监控及运营管理。

1、提质降本增效

使用 3D 打印技术替代传统铸造工艺，生产效率提升了约 30%，产品不良率降低了约 30%。传统铸造工艺通常采用树脂砂手工造型制芯，砂芯强度不均匀，易变形，尺寸精度低（通常为 CT11-13 31 级）；采用人工进行涂料涂刷，涂料层厚薄不均并有刷痕，造成铸件表面粗糙度低（为 Ra100）；组芯合箱 采用分体式组芯，砂芯数量多，劳动强度大，生产效率低，平均合箱一个中等重量的铸型需要 2 名工人 8 小时才能完成，熔炼浇注每 10 吨铸件需要 2 名工人 8 小时才能完成；传统工艺飞边、毛刺多，清理打磨工 作量大，整体外观质量不高。本项目应用大尺寸 3D 打印设备打印砂型/芯，将有效减少人力成本，仅用一 个工人可完成全部操作；3D 打印技术的创新使用，使得砂芯数量相比传统工艺减少 70%～80%，同时砂芯精 度达到±0.5mm，铸件加工余量减少至 2mm，产品的生产效率和质量得到了大幅度提升。

2、生产模式绿色化

粉尘、噪声、重体力劳动、能耗偏高且工人从业意愿低等问题在铸造行业较为突出。该项目在制芯、 合箱、压箱、浇注、打箱等 80%以上主要工序中实现轻体力劳动，同时降低了粉尘等污染物排放量。通过铸 造工艺集成设计与仿真分析应用，将工艺设计多层次优化后，材料消耗优化至最少；通过采用新型生产工 艺和优质铸造材料，减少了树脂和固化剂辅助材料的使用，大大降低了铸造液料刺鼻气味对工人的不良影 响。

通过使用热法再生、熔炼浇注、打箱精整及集中高效除尘技术等先进技术，使单位产值能耗降低 12%， 固体废弃物利用率达到 98%，颗粒物排放浓度低于 10mm/Nm3,大大降低了能源消耗的废弃物排放对环境的影响，成为铸造行业环境友好型的绿色工厂。

3、开辟绿色铸造新模式

该项目采用绿色设计理念、开辟绿色铸造新模式，具备可推广和复制性。采用 AGV 小车进行单件 10 吨以下砂芯（型）、铸型转运，智能化压箱浇注系统替代传统手动压 箱浇注，智能化翻箱机及精整设备替代传统手工打箱清砂方式，大幅度提高物流转运效率，且整个过程可 减少 60%以上的工伤事故。通过采用 3D 打印技术，彻底改变了传统翻砂的铸造环境，让 70%的员工工作在 空调环境下；同时利用先进自动化、智能化装备，使得 80%以上为轻体力劳动，杜绝了重体力劳动，形成了 绿色铸造新模式，为行业转型升级提供绿色制造示范。

该项目把传统铸造车间建设为国际一流的智能、柔性、绿色、高效的数字化铸造车间，与多品种、小批量的国内铸造同行相比，主要经济、技术指标实现跨越式突破，现场从业人数减少 2 倍以上，对促进我国高档、关键零部件数字化铸造车间发展，带动绿色铸造产业发展具有重大意义，可为多家铸造企业的转型升级提供借鉴，推动中国铸造业快速转变发展方式，实现产品、产业快速升级。

烟台冰轮铸造3D打印全流程智能工厂项目的成功实施，在带动行业智能制造发展方面具有重大意义，为铸造行业企业转型升级赋能，推动行业健康发展。