日本為提高鑄造業(yè)以及使用鑄件的企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，開始開發(fā)國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2013年5月29日確定了“超精密三維造型系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目”的委托企業(yè)（參與企業(yè)），由此啟動(dòng)了以日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下稱產(chǎn)綜研）為中心的、可應(yīng)用于中等規(guī)模量產(chǎn)產(chǎn)品的3D砂模打印機(jī)開發(fā)項(xiàng)目（圖1）。目標(biāo)是5年后將生產(chǎn)效率（造型速度）提高到目前的10倍，并開發(fā)出中小企業(yè)也能買得起的數(shù)千萬(wàn)日元的低價(jià)機(jī)型。

圖1：3D沙模打印機(jī)開發(fā)項(xiàng)目的參與企業(yè)

除了開發(fā)3D打印機(jī)和材料的企業(yè)外，還有制造沙模的鑄造企業(yè)以及使用鑄件的企業(yè)參與該項(xiàng)目。

    3D沙模打印機(jī)開發(fā)項(xiàng)目的參與企業(yè)

    除了開發(fā)3D打印機(jī)和材料的企業(yè)外，還有制造沙模的鑄造企業(yè)以及使用鑄件的企業(yè)參與該項(xiàng)目。

    層疊制造鑄造用沙模

    該項(xiàng)目要開發(fā)的3D打印機(jī)采用的是將粉末材料（砂）一層一層地用粘合劑固化、層疊起來(lái)的方式。產(chǎn)綜研先進(jìn)制造工藝研究部門基礎(chǔ)加工研發(fā)小組組長(zhǎng)岡根利光表示，“我們打算開發(fā)一款可制造氣缸蓋沙模的3D打印機(jī)，供月產(chǎn)3000輛的高檔車使用”。造型速度方面的具體目標(biāo)是，1小時(shí)可以制造體積為100L（100×100×10cm）的沙模。

    最大造型尺寸（造型范圍）內(nèi)配置的造型個(gè)數(shù)不同，3D打印機(jī)的生產(chǎn)效率會(huì)明顯不同。配置造型的方向與層疊方向的角度也會(huì)對(duì)精度和生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大影響。具體開發(fā)多大尺寸的3D打印機(jī)尚未確定，不過(guò)打算用來(lái)制造汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)部件及發(fā)電站的燃?xì)廨啓C(jī)部件等。

     一般來(lái)說(shuō)，沙模是使用木模轉(zhuǎn)印的方法制造的?？紤]到脫模斜度等，必須要使用多個(gè)木模才能組合成復(fù)雜形狀沙模的情況也不少。

    3D打印機(jī)不用考慮脫模問題，因此復(fù)雜形狀也能夠一體成型。有望通過(guò)一體化提高精度、削減鑄造時(shí)的工時(shí)。另外，還可以挑戰(zhàn)原來(lái)不可能實(shí)現(xiàn)的形狀（圖2）。

圖2：利用3D打印機(jī)制造的沙模（左）和使用這種沙模制造的鑄件（右）

    通過(guò)使用3D打印機(jī)，利用木模轉(zhuǎn)印無(wú)法實(shí)現(xiàn)的沙模也可一體成型。照片中的沙模是KOIWAI公司用現(xiàn)有3D打印機(jī)制造的，已在展會(huì)上展出。

    比如，將原來(lái)由多個(gè)部件構(gòu)成的中空形狀的鑄造品做成一體構(gòu)造，可以減輕重量。對(duì)汽車廠商而言，有望提高燃效等附加值，對(duì)鑄造廠商而言，可以減少溶解的金屬以降低用電量。

    開發(fā)項(xiàng)目還有用戶企業(yè)參與

    3D打印機(jī)開發(fā)由3D打印機(jī)廠商、材料廠商、鑄造廠商、使用鑄件的整機(jī)廠商共同參與。3D打印機(jī)由從事光固化快速成型系統(tǒng)＊2的CMET公司（總部：橫濱市）負(fù)責(zé)開發(fā)，使用的砂和粘合劑由群榮化學(xué)工業(yè)開發(fā)。木村鑄造所（總部：靜岡縣清水町）和KOIWAI（總部：神奈川縣小田原市）將使用開發(fā)的3D打印機(jī)制造的沙模進(jìn)行鑄造。另外，日產(chǎn)汽車、雅馬哈和小松將對(duì)鑄造品進(jìn)行評(píng)估。早稻田大學(xué)將為沙模和鑄件的特性等的評(píng)估提供支持。

    光固化快速成型系統(tǒng)是向光硬化樹脂液體表面照射激光使其硬化從而形成截面形狀的層疊造型裝置。

    具體如何提高3D打印機(jī)的生產(chǎn)效率尚未公布。該項(xiàng)目計(jì)劃不僅要調(diào)整粘合劑的吐出速度和砂的供應(yīng)速度，還要縮短造型后去除未硬化砂的時(shí)間，提高材料的強(qiáng)度以減小沙模厚度。產(chǎn)綜研的岡根介紹說(shuō)，“第一階段的目標(biāo)是在3年后將生產(chǎn)效率提高到現(xiàn)在的5倍”。

目前只有2家歐美企業(yè)

      現(xiàn)在，開發(fā)并銷售可制造鑄造用沙模的3D打印機(jī)的，只有德國(guó)EOS和美國(guó)ExOne這兩家企業(yè)。岡根表示，砂和粘合劑都要從海外進(jìn)口，“即使想用日本企業(yè)的砂和粘合劑也用不成”＊3。

    現(xiàn)在外國(guó)廠商的3D打印機(jī)也可以使用日本的材料了。ExOne日本子公司（總部：神奈川縣小田原市）今后還將提供日本廠商生產(chǎn)的粘合劑。

    EOS的3D打印機(jī)采用的是用激光器燒結(jié)混有樹脂的砂粒的方法，ExOne的3D打印機(jī)采用的是從噴嘴噴出粘合劑使砂硬化的方法。日本此次的項(xiàng)目要開發(fā)的3D打印機(jī)將采用第二種方法。

    這種方法的基本專利已經(jīng)過(guò)期，但一些在短時(shí)間高精度硬化的周邊專利是有效的。這方面的顧慮也將成為今后的課題。

    還將積累應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)

    該項(xiàng)目不僅要開發(fā)3D打印機(jī)和使用的材料，還將開發(fā)能夠鑄造高熔點(diǎn)金屬的高耐熱沙模以及充分利用可制造復(fù)雜形狀這一優(yōu)點(diǎn)的局部冷卻性能控制技術(shù)。

    岡根指出，“光有3D打印機(jī)還不行，還要積累如何制造沙模、如何利用沙模鑄造等應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)”。通過(guò)使用3D打印機(jī)，鑄件形狀和沙模形狀會(huì)得到優(yōu)化。不必全用3D打印機(jī)制造，要在合適的地方使用合適的材料，靈活應(yīng)用。此次項(xiàng)目中還將積累這方面的經(jīng)驗(yàn)及技巧。

    該項(xiàng)目計(jì)劃開展5年，“不過(guò)之后仍將繼續(xù)開發(fā)，爭(zhēng)取將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)效率為現(xiàn)在100倍的3D打印機(jī)”（岡根）。這樣，在制造更大量生產(chǎn)的部件時(shí)，也能夠使用3D打印機(jī)制造的沙模。