日本為(wei) 提高鑄造業(ye) 以及使用鑄件的企業(ye) 的競爭(zheng) 力，開始開發國產(chan) 3D打印機。日本經濟產(chan) 業(ye) 省於(yu) 2013年5月29日確定了“超精密三維造型係統技術開發項目”的委托企業(ye) （參與(yu) 企業(ye) ），由此啟動了以日本產(chan) 業(ye) 技術綜合研究所（以下稱產(chan) 綜研）為(wei) 中心的、可應用於(yu) 中等規模量產(chan) 產(chan) 品的3D砂模打印機開發項目（圖1）。目標是5年後將生產(chan) 效率（造型速度）提高到目前的10倍，並開發出中小企業(ye) 也能買(mai) 得起的數千萬(wan) 日元的低價(jia) 機型。

圖1：3D沙模打印機開發項目的參與(yu) 企業(ye)

除了開發3D打印機和材料的企業(ye) 外，還有製造沙模的鑄造企業(ye) 以及使用鑄件的企業(ye) 參與(yu) 該項目。

    3D沙模打印機開發項目的參與(yu) 企業(ye)

    除了開發3D打印機和材料的企業(ye) 外，還有製造沙模的鑄造企業(ye) 以及使用鑄件的企業(ye) 參與(yu) 該項目。

    層疊製造鑄造用沙模

    該項目要開發的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(chan) 綜研先進製造工藝研究部門基礎加工研發小組組長岡(gang) 根利光表示，“我們(men) 打算開發一款可製造氣缸蓋沙模的3D打印機，供月產(chan) 3000輛的高檔車使用”。造型速度方麵的具體(ti) 目標是，1小時可以製造體(ti) 積為(wei) 100L（100×100×10cm）的沙模。

    最大造型尺寸（造型範圍）內(nei) 配置的造型個(ge) 數不同，3D打印機的生產(chan) 效率會(hui) 明顯不同。配置造型的方向與(yu) 層疊方向的角度也會(hui) 對精度和生產(chan) 效率產(chan) 生很大影響。具體(ti) 開發多大尺寸的3D打印機尚未確定，不過打算用來製造汽車的發動機部件及發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製造的。考慮到脫模斜度等，必須要使用多個(ge) 木模才能組合成複雜形狀沙模的情況也不少。

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

圖2：利用3D打印機製造的沙模（左）和使用這種沙模製造的鑄件（右）

    通過使用3D打印機，利用木模轉印無法實現的沙模也可一體(ti) 成型。照片中的沙模是KOIWAI公司用現有3D打印機製造的，已在展會(hui) 上展出。

    比如，將原來由多個(ge) 部件構成的中空形狀的鑄造品做成一體(ti) 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。

    開發項目還有用戶企業(ye) 參與(yu)

    3D打印機開發由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(yu) 。3D打印機由從(cong) 事光固化快速成型係統＊2的CMET公司（總部：橫濱市）負責開發，使用的砂和粘合劑由群榮化學工業(ye) 開發。木村鑄造所（總部：靜岡(gang) 縣清水町）和KOIWAI（總部：神奈川縣小田原市）將使用開發的3D打印機製造的沙模進行鑄造。另外，日產(chan) 汽車、雅馬哈和小鬆將對鑄造品進行評估。早稻田大學將為(wei) 沙模和鑄件的特性等的評估提供支持。

    光固化快速成型係統是向光硬化樹脂液體(ti) 表麵照射激光使其硬化從(cong) 而形成截麵形狀的層疊造型裝置。

    具體(ti) 如何提高3D打印機的生產(chan) 效率尚未公布。該項目計劃不僅(jin) 要調整粘合劑的吐出速度和砂的供應速度，還要縮短造型後去除未硬化砂的時間，提高材料的強度以減小沙模厚度。產(chan) 綜研的岡(gang) 根介紹說，“第一階段的目標是在3年後將生產(chan) 效率提高到現在的5倍”。

目前隻有2家歐美企業(ye)

      現在，開發並銷售可製造鑄造用沙模的3D打印機的，隻有德國EOS和美國ExOne這兩(liang) 家企業(ye) 。岡(gang) 根表示，砂和粘合劑都要從(cong) 海外進口，“即使想用日本企業(ye) 的砂和粘合劑也用不成”＊3。

    現在外國廠商的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）今後還將提供日本廠商生產(chan) 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(cong) 噴嘴噴出粘合劑使砂硬化的方法。日本此次的項目要開發的3D打印機將采用第二種方法。

    這種方法的基本專(zhuan) 利已經過期，但一些在短時間高精度硬化的周邊專(zhuan) 利是有效的。這方麵的顧慮也將成為(wei) 今後的課題。

    還將積累應用方麵的經驗

    該項目不僅(jin) 要開發3D打印機和使用的材料，還將開發能夠鑄造高熔點金屬的高耐熱沙模以及充分利用可製造複雜形狀這一優(you) 點的局部冷卻性能控製技術。

    岡(gang) 根指出，“光有3D打印機還不行，還要積累如何製造沙模、如何利用沙模鑄造等應用方麵的經驗”。通過使用3D打印機，鑄件形狀和沙模形狀會(hui) 得到優(you) 化。不必全用3D打印機製造，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麵的經驗及技巧。

    該項目計劃開展5年，“不過之後仍將繼續開發，爭(zheng) 取將來能夠實現生產(chan) 效率為(wei) 現在100倍的3D打印機”（岡(gang) 根）。這樣，在製造更大量生產(chan) 的部件時，也能夠使用3D打印機製造的沙模。