基于粘結劑噴射的噴墨砂型三維打印技術新進展*

金 楓

（廣東峰華卓立科技股份有限公司，廣東佛山 528225）

0 引言

增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM，又稱“三維打印”或“3D打印”即3D Printing），被稱為第三次工業革命的標志性技術之一。近年來，世界各國紛紛將增材制造作為未來產業發展的新增長點，我國也高度重視增材制造產業，將其作為《中國制造2025》的發展重點，十九大提出加快建設創新型國家，勢必更大力度推進增材制造產業實現快速可持續發展。

1 增材制造

增材制造，相對于減材制造和等材制造，以三維模型數據為基礎，通過材料逐層疊加來制造零件或實物的工藝。

目前國際上比較認可的是ASTM F2792標準，3D打印工藝主要包括7類，我國新制訂的標準也基本遵循這樣的分類，如表1所示。

除表1所列工藝以外，還有復合增材制造（Hybrid Additive Manufacturing） 、微納增材制造（Micro-nano Ad?ditive Manufacturing;Additive micro/Nano-manufacturing）等延伸說法。

表1 3D打印技術分類一覽表

2 噴墨砂型三維打印技術

2.1 砂型三維打印技術

目前，產業化應用能直接實現砂型/鑄型三維打印成型的技術主要包括SLS（Selective Laser Sintering）選擇性激光燒結技術和3DP of Inkjet Sand Mould噴墨砂型三維打印技術。另外，DSPC（Direct Shell Production Casting）直接殼型鑄造技術可以粘結陶瓷粉末成型后用于鑄造【1】。

經過多年的發展，SLS選擇性激光燒結技術更加成熟實用，材料從最初的PS粉擴展到覆膜砂等，廣泛用于精密鑄造和砂型鑄造，近些年延伸到金屬粉末的選擇性激光熔化SLM（Selective Laser Melting），直接制造金屬零件，成為現階段3D打印的主流工藝之一。同噴墨砂型三維打印技術相比，其優點是精度會稍高，但因為采用激光鐳射技術，又存在成型尺寸不夠大、打印效率低、成本高等特點。

噴墨砂型三維打印技術屬于粘結劑噴射的3DP技術，根據成型材料的不同分別形成兩種工藝路線:廣為熟知的是利用呋喃、酚醛樹脂或無機材料作為粘結劑噴射在層鋪的預混了催化劑的型砂上進行三維成型的工藝;還有一種是利用醇類、硅溶膠等作為粘合劑將覆膜砂等材料粘結成型的工藝。雖然兩者都屬于噴墨三維打印，但成型機理、工藝過程、鑄造適用性等方面存在較大差別，這里不多贅述，重點介紹前者。

2.2 工業級噴墨砂型三維打印技術

近年來，3D打印技術發展快速，一方面展現了其技術優勢，比較適應越來越多的多品種小批量快速制造和新產品開發；另一方面制造業面臨轉型升級和創新發展的瓶頸，也為3D打印技術提供了深耕行業應用的需求。“十三五”規劃以來，尤其是鑄造行業，作為制造業的基礎行業，面臨產能過剩、產品附加值不高、節能環保、用工荒等嚴峻難題，迫切需要利用數字化、自動化、智能化技術對傳統鑄造產業進行升級改造。

技術進步和行業需求促進了工業級噴墨砂型三維打印技術的蓬勃發展，并涌現出多家產業化的公司，有代表性的包括早期德國的Generis（現在已經發展為美國的ExOne和德國的Voxeljet）、廣東的峰華卓立，以及后起之秀寧夏共享、美國的Viridis3D、廣州愛思凱等，并且在汽車（包括新能源）、航空航天、軍工、泵閥、船舶、機械裝備、鑄造、模具等領域形成了產業化應用示范。

3 噴墨砂型3D打印技術原理

如圖1所示，噴墨砂型3D打印技術主要包括數據處理過程、打印造型過程、后處理及鑄造過程等，形成一套完整的技術體系【2】。

數據處理過程包括利用UG、ProE、Catia、Auto?CAD、Solidworks等三維軟件將零件CAD模型分模，轉換為鑄型CAD模型，并加入鑄造澆注系統工藝設計，然后利用分層軟件將鑄型CAD模型（一般為STL格式）離散為層片文件，同時進行編輯、修復、去殼、補償等處理，輸出CLI、BMP、PRT等可以打印的格式文件。

圖1 噴墨砂型3D打印技術原理圖

打印造型過程主要指噴墨砂型3D打印機的造型全過程，一般包括：輸入打印文件——砂庫自動供砂——自動預混催化劑——自動輸砂及鋪砂——陣列噴嘴噴射粘結劑打印——工作臺自動下降一層——重復鋪砂、打印、下降等過程——直至打印造型完成【3】。

后處理及鑄造過程則與傳統有模造型工藝過程一致，包括砂型（芯）的清理、涂覆涂料、組型合箱、澆注、鑄件處理等。

4 噴墨砂型3D打印機

如表2所示，工業級噴墨砂型3D打印機已經有很多選擇，基本原理沒有差異，但由于每個公司的行業背景、設計思路、產品定位的不同研制出了不同型號和結構的多元化設備，市場激烈競爭的同時，促進了技術進步、降本提效和深耕行業應用。

5 噴墨砂型3D打印材料

工業級噴墨砂型3D打印的基材主要包括硅砂、焙燒砂、寶珠砂、陶粒砂、人造砂、特種砂等，根據不同鑄件產品的要求可以選擇不同類型、不同目數的型砂，當然也要考慮型砂的粒度分布、角形系數、主要成分、膨脹系數、灼減量、含泥量、原砂發氣量等因素；粘結劑主要采用基于呋喃樹脂、酚醛樹脂、水玻璃等的改性材料，重點考慮墨水粘度、表面張力、最小顆粒、腐蝕性、與打印頭的兼容性等影響，還要滿足成型機理、鑄造和后處理的各項性能要求，比如滲透擴散性、強度、發氣量、潰散性、退讓性、透氣性等。目前比較成熟的是呋喃樹脂類的改性材料，普適性強，穩定性可靠性高，酚醛類和無機類材料也取得了一些突破。

6 國內外相關政策梳理

6.1 美國相關政策

2012年3月，美國提出“國家制造業創新網絡計劃”，擬以10億美元聯邦政府資金支持15個制造技術創新中心。2013年2月，美國前總統奧巴馬在國情咨文中多次強調3D打印技術的重要性，稱其將加速美國經濟的增長。“國家增材制造創新研究院”National Additive Manufactur?ing Innovation Institute(NAMII)是第一個成立的創新中心。

2016年中，美國發布了鑄造行業路線圖（2016-2026），針對增材制造和快速消減制造特別提出了時間表，如圖2所示。

表2 典型噴墨砂型3D打印機對比表

6.2 歐盟和德國相關政策

2004年，歐盟搭建歐洲3D打印技術平臺（The Euro?pean Additive Manufacturing Technology Platform，AM Plat?form）。平臺聯盟成員超過350個，橫跨歐盟26個國家，其中72%的成員來自工業界。

2013年4月，德國政府提出“工業4.0”戰略，利用物聯信息系統(Cyber—Physical System簡稱CPS)將生產中的供應、制造、銷售信息數據化和智慧化，最后達到快速、有效、個性化的產品供應。其三大主題為：智能工廠、智能生產、智能物流，以解決顧客問題為主，走軟性制造+個性化定制道路，3D打印作為主要的先進制造技術代表。

圖2 美國鑄造行業路線圖（2016～2026年）之增材制造和快速消減制造

6.3 日本相關政策

2014年，日本啟動3D打印機國家項目，其中“超精密3D成型系統技術開發”主題以成型鑄造模型的3D打印機為對象，資助上限為5.5億日元。項目的開發主體“TRAFAM（新一代3D沉積成型技術綜合開發機構）”中除日本CMET公司之外，還有日本產業技術綜合研究所、群榮化學工業、KOIWAI、木村鑄造所、日產汽車、Kom?atsu Castex、IHI等與砂模3D打印機有關的成員參與，未來將推出高效高精大尺寸砂模沉積成型打印機。

6.4 中國相關政策

2015年5月8日，《中國制造2025》提出了“創新、協調、綠色、開放、共享”的五大發展新理念，堅持走中國特色的新型工業化道路。中國鑄造行業“十三五”發展規劃堅持質量和品牌、創新驅動、綠色鑄造、結構優化、精益管理、人才培養戰略，特別提出，到2020年推進兩化深度融合，實現鑄造裝備與工藝“+互聯網”的新跨越，重點包括：大幅面砂型（芯）3D打印裝備和相關耗材以及機器人應用；集成其他數字化設計、分析及制造技術；開發數字化近凈成形無模鑄造技術；打造數字化智能鑄造工廠（車間）。

關鍵共性鑄造技術——工藝分類中包括：應用于鑄造生產的3D打印和砂型銑削快速成型技術。優先發展的重大鑄造裝備中包括：鑄造3D打印和砂型銑削快速成型設備。

2015年2月，國家工信部正式發布《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》，涵蓋材料、工藝技術、裝備及核心器件、標準體系、應用示范等5個方面。2017年12月13日，十二部委聯合印發《增材制造產業發展推進計劃（2017-2020年）》的通知，重點指出到2020年，增材制造產業年銷售收入超過200億元，年均增速在30%以上。2018年1月31日，國家工信部印發《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2017年版）》中包括“鑄造用工業級砂型3D打印機”等。

2016—2018年國家科技部“增材制造與激光制造”重點專項中分別設置了“高效高精非金屬增材制造工藝與裝備（包涵大尺寸鑄造砂型高效3D打印技術）”、“高效寬幅微滴噴射陣列打印頭的研發”、“砂型3D打印支撐的智能鑄造產業化應用示范”等項目，目前均已由承擔單位實施。

2017年2月10日，國家發改委會同相關部門組織編制了《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》2016版，該目錄涉及戰略性新興產業5大領域8個產業(相關服務業單獨列出)、40個重點方向下的174個子方向，近4000項細分產品和服務。包括：新一代信息技術產業，高端裝備制造產業，新材料產業，生物產業，新能源汽車產業，新能源產業，節能環保產業，數字產業等等。其中增材制造技術（3D打印）被列入第二大板塊高端裝備制造產業中。

全國各地也出臺了積極的扶持政策，此處不一一列舉。

7 市場應用情況

工業級噴墨砂型3D打印技術以其無需模具、快速、柔性、自由制造等特點順勢而為，成為解決傳統有模鑄造中周期長、成本高、流程多、工藝復雜等難題的“妙方”。具體應用主要體現在以下幾個方面：

7.1 新產品開發

以試制一件汽車發動機四缸鑄鐵缸體為例（圖3），以前很多汽車企業都是發到國外（主要是德國、意大利、西班牙、奧地利等）進行試制，一個鑄鐵四缸缸體約需3萬歐元，再加上溝通困難、周期過長、出差費用等因素，都大大限制開發的效率；用傳統方法則要開模具，費用在100萬人民幣左右，周期大概3～4個月，開出的模具需要修補3-4次才能達到要求，而且要考慮很多因素，而現在利用噴墨砂型3D打印技術僅用2～3周可制作3-5個合格的缸體鑄件交給客戶用于測試，費用也僅僅只有十幾萬人民幣，在周期、成本上具有非常大的優勢，也大大降低新產品開發的決策風險[2]。

圖3 HT250四缸發動機缸體快速制造樣件及首件解剖

7.2 個性化定制

噴墨砂型3D打印技術的特點決定了它非常適合越來越多的個性化定制產品，還包括根據實際工況條件設計的單件產品和一些進口設備的備品備件等。如圖4所示為在250A型水環真空泵葉輪的基礎上定制250B、250C滿足現場工況條件。

圖4 在250 A型水環真空泵葉輪的基礎上定制250 B、250 C滿足現場工況條件

7.3 中小批量生產

隨著工業噴墨砂型3D打印技術的發展，生產效率不斷提升，技術不斷完善，已經可以滿足幾十件甚至幾百件復雜產品的中小批量生產，而且在周期、成本、質量上有優勢。

圖5所示為中小批量生產的殼體（ZL101A、HT250）。

圖5 中小批量生產殼體（ZL101A、HT250）

圖6 為批量生產帶冷卻水道的新能源汽車電機殼體提供工藝數據庫

7.4 為大規模生產提供工藝數據庫

鑄件的大規模生產涉及了工藝、設備、材料、技術參數等多方因素，利用噴墨砂型3D打印技術先模擬一遍整個生產流程，積累和修正相關參數，就可以大大縮短大規模生產的調試周期，大大提高工藝成品率，大大降低制造成本，有利于實現既定目標。圖6所示為為批量生產帶冷卻水道的新能源汽車電機殼體提供工藝數據庫。

8 新進展及發展趨勢

工業級噴墨砂型3D打印技術近年來發展非常迅速，一方面技術的逐步成熟使得其能夠解決很多行業的“疑難雜癥”，具有天然的優勢；另一方面，社會的發展離不開技術創新，越來越多的新產品開發、大規模定制產品、柔性批量生產以及智能化鑄造工廠（車間）的需求也促使噴墨砂型3D打印技術快速發展，兩者相輔相成，互相促進。

新進展及未來發展趨勢具體表現在：

（1）設備多元化。目前已經涌現出多種規格型號的設備，未來的發展將針對行業特性、應用場景等出現更多的“專機”或“定制機型”，以滿足不同用戶的需求。

（2）材料瓶頸的突破將促成技術再上新臺階。現階段比較成熟的是基于呋喃樹脂的改性材料體系，也有一些公司推出酚醛、水玻璃、無機等材料。未來噴墨砂型3D打印的耗材將呈現多元化的發展趨勢，如果一種新的材料體系既能優化3D打印造型過程（相應簡化設備結構），又能節省后處理的工序并滿足多種金屬材料鑄造的性能要求，將推動噴墨砂型3D打印技術再上新臺階。同時還需要重點突破材料的回用和再生，滿足節能環保和循環利用的要求。

（3）技術裝備不斷升級，設備價格將逐年下調。隨著國產自主創新設備的崛起、技術體系的完備和核心零部件的突破，設備越來越自動化、智能化、人性化，進口設備逐漸失去其“壟斷地位”，市場競爭的必然結果就是技術裝備不斷升級、價格逐步下調。

（4）多途徑、系統化降本提效。在保證滿足生產技術條件的前提下，效率是用戶關心的核心，不管是超大尺寸、雙工作箱、機器手臂等結構，還是多組噴頭的單Pass打印，目的都是為了提高效率；提效的同時也要重點關注降低成本，包括打印耗材成本、設備成本、設備穩定性可靠性、售后維護成本、人工成本、工藝流程優化成本以及配套成本等。

（5）深耕行業應用并大規模推廣，促進產業鏈、創新鏈和價值鏈的相互融合與發展。

鑄造是基礎產業，涵蓋了機械、材料、熱工、控制、軟件等多領域的綜合性技術，而且鑄造工藝種類繁多，鑄造產品各不相同，應用場景更是千差萬別，但工業級噴墨砂型3D打印技術普適性強，通過深耕行業應用形成示范效應就能夠實現大規模推廣。比如：（1）數字化智能鑄造工廠（車間）——利用多臺套工業級噴墨砂型3D打印機和鑄型直接銑削加工設備等代替模具、射芯機等形成自動化柔性生產線，實現快速、智能地批量生產。（2）針對金屬模具重力澆注生產線、砂型自動造型機生產線等利用多臺套工業級噴墨砂型3D打印機批量提供砂芯，并結合機器手等形成生產自動化能力。

還需進一步圍繞3D打印的設計、軟件、工藝、裝備、材料制備、管理及應用的相關產業鏈，聚集優勢力量，共享資源，協同創新，推進3D打印技術創新體系建設，全面提升3D打印的產品價值鏈。

9 結論

噴墨砂型3D打印技術可以廣泛應用于科研院校、航空航天、軍工、汽車、摩托車、船舶、裝備制造、泵閥、工程機械等開發研制和生產單位，尤其適合新產品開發和單件、中小批量、個性化復雜零件（如發動機缸體缸蓋、進排氣歧管、殼體支架、泵閥、葉輪等）的快速制造，前景十分廣闊。

我國3D打印產業鏈存在巨大的潛在發展空間，尤其工業級噴墨砂型3D打印技術，在產業迫切需要、應用不斷拓展、企業努力創新、政府大力扶持的多方促進下，將創造一波又一波的發展高潮，為制造強國建設提供有力支撐，為經濟發展注入新動能。