日本為提高鑄造業(yè)以及使用鑄件的企業(yè)的競爭力，開始開發(fā)國產3D打印機。日本經濟產業(yè)省于2013年5月29日確定了“超精密三維造型系統(tǒng)技術開發(fā)項目”的委托企業(yè)（參與企業(yè)），由此啟動了以日本產業(yè)技術綜合研究所（以下稱產綜研）為中心的、可應用于中等規(guī)模量產產品的3D砂模打印機開發(fā)項目（圖1）。目標是5年后將生產效率（造型速度）提高到目前的10倍，并開發(fā)出中小企業(yè)也能買得起的數千萬日元的低價機型。

圖1：3D沙模打印機開發(fā)項目的參與企業(yè)

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

    3D沙模打印機開發(fā)項目的參與企業(yè)

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

    層疊制造鑄造用沙模

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

    最大造型尺寸（造型范圍）內配置的造型個數不同，3D打印機的生產效率會明顯不同。配置造型的方向與層疊方向的角度也會對精度和生產效率產生很大影響。具體開發(fā)多大尺寸的3D打印機尚未確定，不過打算用來制造汽車的發(fā)動機部件及發(fā)電站的燃氣輪機部件等。

     一般來說，沙模是使用木模轉印的方法制造的。考慮到脫模斜度等，必須要使用多個木模才能組合成復雜形狀沙模的情況也不少。

    3D打印機不用考慮脫模問題，因此復雜形狀也能夠一體成型。有望通過一體化提高精度、削減鑄造時的工時。另外，還可以挑戰(zhàn)原來不可能實現(xiàn)的形狀（圖2）。

圖2：利用3D打印機制造的沙模（左）和使用這種沙模制造的鑄件（右）

    通過使用3D打印機，利用木模轉印無法實現(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打印機制造的，已在展會上展出。

    比如，將原來由多個部件構成的中空形狀的鑄造品做成一體構造，可以減輕重量。對汽車廠商而言，有望提高燃效等附加值，對鑄造廠商而言，可以減少溶解的金屬以降低用電量。

    開發(fā)項目還有用戶企業(yè)參與

    3D打印機開發(fā)由3D打印機廠商、材料廠商、鑄造廠商、使用鑄件的整機廠商共同參與。3D打印機由從事光固化快速成型系統(tǒng)＊2的CMET公司（總部：橫濱市）負責開發(fā)，使用的砂和粘合劑由群榮化學工業(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打印機制造的沙模進行鑄造。另外，日產汽車、雅馬哈和小松將對鑄造品進行評估。早稻田大學將為沙模和鑄件的特性等的評估提供支持。

    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打印機的生產效率尚未公布。該項目計劃不僅要調整粘合劑的吐出速度和砂的供應速度，還要縮短造型后去除未硬化砂的時間，提高材料的強度以減小沙模厚度。產綜研的岡根介紹說，“第一階段的目標是在3年后將生產效率提高到現(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打印機的，只有德國EOS和美國ExOne這兩家企業(yè)。岡根表示，砂和粘合劑都要從海外進口，“即使想用日本企業(yè)的砂和粘合劑也用不成”＊3。

    現(xiàn)在外國廠商的3D打印機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的粘合劑。

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

    這種方法的基本專利已經過期，但一些在短時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。

    還將積累應用方面的經驗

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

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

    該項目計劃開展5年，“不過之后仍將繼續(xù)開發(fā)，爭取將來能夠實現(xiàn)生產效率為現(xiàn)在100倍的3D打印機”（岡根）。這樣，在制造更大量生產的部件時，也能夠使用3D打印機制造的沙模。