基于粘结剂喷射的喷墨砂型三维打印技术新进展*

金 枫

（广东峰华卓立科技股份有限公司，广东佛山 528225）

0 引言

增材制造（Additive Manufacturing，简称AM，又称“三维打印”或“3D打印”即3D Printing），被称为第三次工业革命的标志性技术之一。近年来，世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展的新增长点，我国也高度重视增材制造产业，将其作为《中国制造2025》的发展重点，十九大提出加快建设创新型国家，势必更大力度推进增材制造产业实现快速可持续发展。

1 增材制造

增材制造，相对于减材制造和等材制造，以三维模型数据为基础，通过材料逐层叠加来制造零件或实物的工艺。

目前国际上比较认可的是ASTM F2792标准，3D打印工艺主要包括7类，我国新制订的标准也基本遵循这样的分类，如表1所示。

除表1所列工艺以外，还有复合增材制造（Hybrid Additive Manufacturing） 、微纳增材制造（Micro-nano Ad⁃ditive Manufacturing;Additive micro/Nano-manufacturing）等延伸说法。

表1 3D打印技术分类一览表

2 喷墨砂型三维打印技术

2.1 砂型三维打印技术

目前，产业化应用能直接实现砂型/铸型三维打印成型的技术主要包括SLS（Selective Laser Sintering）选择性激光烧结技术和3DP of Inkjet Sand Mould喷墨砂型三维打印技术。另外，DSPC（Direct Shell Production Casting）直接壳型铸造技术可以粘结陶瓷粉末成型后用于铸造【1】。

经过多年的发展，SLS选择性激光烧结技术更加成熟实用，材料从最初的PS粉扩展到覆膜砂等，广泛用于精密铸造和砂型铸造，近些年延伸到金属粉末的选择性激光熔化SLM（Selective Laser Melting），直接制造金属零件，成为现阶段3D打印的主流工艺之一。同喷墨砂型三维打印技术相比，其优点是精度会稍高，但因为采用激光镭射技术，又存在成型尺寸不够大、打印效率低、成本高等特点。

喷墨砂型三维打印技术属于粘结剂喷射的3DP技术，根据成型材料的不同分别形成两种工艺路线:广为熟知的是利用呋喃、酚醛树脂或无机材料作为粘结剂喷射在层铺的预混了催化剂的型砂上进行三维成型的工艺;还有一种是利用醇类、硅溶胶等作为粘合剂将覆膜砂等材料粘结成型的工艺。虽然两者都属于喷墨三维打印，但成型机理、工艺过程、铸造适用性等方面存在较大差别，这里不多赘述，重点介绍前者。

2.2 工业级喷墨砂型三维打印技术

近年来，3D打印技术发展快速，一方面展现了其技术优势，比较适应越来越多的多品种小批量快速制造和新产品开发；另一方面制造业面临转型升级和创新发展的瓶颈，也为3D打印技术提供了深耕行业应用的需求。“十三五”规划以来，尤其是铸造行业，作为制造业的基础行业，面临产能过剩、产品附加值不高、节能环保、用工荒等严峻难题，迫切需要利用数字化、自动化、智能化技术对传统铸造产业进行升级改造。

技术进步和行业需求促进了工业级喷墨砂型三维打印技术的蓬勃发展，并涌现出多家产业化的公司，有代表性的包括早期德国的Generis（现在已经发展为美国的ExOne和德国的Voxeljet）、广东的峰华卓立，以及后起之秀宁夏共享、美国的Viridis3D、广州爱思凯等，并且在汽车（包括新能源）、航空航天、军工、泵阀、船舶、机械装备、铸造、模具等领域形成了产业化应用示范。

3 喷墨砂型3D打印技术原理

如图1所示，喷墨砂型3D打印技术主要包括数据处理过程、打印造型过程、后处理及铸造过程等，形成一套完整的技术体系【2】。

数据处理过程包括利用UG、ProE、Catia、Auto⁃CAD、Solidworks等三维软件将零件CAD模型分模，转换为铸型CAD模型，并加入铸造浇注系统工艺设计，然后利用分层软件将铸型CAD模型（一般为STL格式）离散为层片文件，同时进行编辑、修复、去壳、补偿等处理，输出CLI、BMP、PRT等可以打印的格式文件。

图1 喷墨砂型3D打印技术原理图

打印造型过程主要指喷墨砂型3D打印机的造型全过程，一般包括：输入打印文件——砂库自动供砂——自动预混催化剂——自动输砂及铺砂——阵列喷嘴喷射粘结剂打印——工作台自动下降一层——重复铺砂、打印、下降等过程——直至打印造型完成【3】。

后处理及铸造过程则与传统有模造型工艺过程一致，包括砂型（芯）的清理、涂覆涂料、组型合箱、浇注、铸件处理等。

4 喷墨砂型3D打印机

如表2所示，工业级喷墨砂型3D打印机已经有很多选择，基本原理没有差异，但由于每个公司的行业背景、设计思路、产品定位的不同研制出了不同型号和结构的多元化设备，市场激烈竞争的同时，促进了技术进步、降本提效和深耕行业应用。

5 喷墨砂型3D打印材料

工业级喷墨砂型3D打印的基材主要包括硅砂、焙烧砂、宝珠砂、陶粒砂、人造砂、特种砂等，根据不同铸件产品的要求可以选择不同类型、不同目数的型砂，当然也要考虑型砂的粒度分布、角形系数、主要成分、膨胀系数、灼减量、含泥量、原砂发气量等因素；粘结剂主要采用基于呋喃树脂、酚醛树脂、水玻璃等的改性材料，重点考虑墨水粘度、表面张力、最小颗粒、腐蚀性、与打印头的兼容性等影响，还要满足成型机理、铸造和后处理的各项性能要求，比如渗透扩散性、强度、发气量、溃散性、退让性、透气性等。目前比较成熟的是呋喃树脂类的改性材料，普适性强，稳定性可靠性高，酚醛类和无机类材料也取得了一些突破。

6 国内外相关政策梳理

6.1 美国相关政策

2012年3月，美国提出“国家制造业创新网络计划”，拟以10亿美元联邦政府资金支持15个制造技术创新中心。2013年2月，美国前总统奥巴马在国情咨文中多次强调3D打印技术的重要性，称其将加速美国经济的增长。“国家增材制造创新研究院”National Additive Manufactur⁃ing Innovation Institute(NAMII)是第一个成立的创新中心。

2016年中，美国发布了铸造行业路线图（2016-2026），针对增材制造和快速消减制造特别提出了时间表，如图2所示。

表2 典型喷墨砂型3D打印机对比表

6.2 欧盟和德国相关政策

2004年，欧盟搭建欧洲3D打印技术平台（The Euro⁃pean Additive Manufacturing Technology Platform，AM Plat⁃form）。平台联盟成员超过350个，横跨欧盟26个国家，其中72%的成员来自工业界。

2013年4月，德国政府提出“工业4.0”战略，利用物联信息系统(Cyber—Physical System简称CPS)将生产中的供应、制造、销售信息数据化和智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。其三大主题为：智能工厂、智能生产、智能物流，以解决顾客问题为主，走软性制造+个性化定制道路，3D打印作为主要的先进制造技术代表。

图2 美国铸造行业路线图（2016～2026年）之增材制造和快速消减制造

6.3 日本相关政策

2014年，日本启动3D打印机国家项目，其中“超精密3D成型系统技术开发”主题以成型铸造模型的3D打印机为对象，资助上限为5.5亿日元。项目的开发主体“TRAFAM（新一代3D沉积成型技术综合开发机构）”中除日本CMET公司之外，还有日本产业技术综合研究所、群荣化学工业、KOIWAI、木村铸造所、日产汽车、Kom⁃atsu Castex、IHI等与砂模3D打印机有关的成员参与，未来将推出高效高精大尺寸砂模沉积成型打印机。

6.4 中国相关政策

2015年5月8日，《中国制造2025》提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展新理念，坚持走中国特色的新型工业化道路。中国铸造行业“十三五”发展规划坚持质量和品牌、创新驱动、绿色铸造、结构优化、精益管理、人才培养战略，特别提出，到2020年推进两化深度融合，实现铸造装备与工艺“+互联网”的新跨越，重点包括：大幅面砂型（芯）3D打印装备和相关耗材以及机器人应用；集成其他数字化设计、分析及制造技术；开发数字化近净成形无模铸造技术；打造数字化智能铸造工厂（车间）。

关键共性铸造技术——工艺分类中包括：应用于铸造生产的3D打印和砂型铣削快速成型技术。优先发展的重大铸造装备中包括：铸造3D打印和砂型铣削快速成型设备。

2015年2月，国家工信部正式发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，涵盖材料、工艺技术、装备及核心器件、标准体系、应用示范等5个方面。2017年12月13日，十二部委联合印发《增材制造产业发展推进计划（2017-2020年）》的通知，重点指出到2020年，增材制造产业年销售收入超过200亿元，年均增速在30%以上。2018年1月31日，国家工信部印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2017年版）》中包括“铸造用工业级砂型3D打印机”等。

2016—2018年国家科技部“增材制造与激光制造”重点专项中分别设置了“高效高精非金属增材制造工艺与装备（包涵大尺寸铸造砂型高效3D打印技术）”、“高效宽幅微滴喷射阵列打印头的研发”、“砂型3D打印支撑的智能铸造产业化应用示范”等项目，目前均已由承担单位实施。

2017年2月10日，国家发改委会同相关部门组织编制了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》2016版，该目录涉及战略性新兴产业5大领域8个产业(相关服务业单独列出)、40个重点方向下的174个子方向，近4000项细分产品和服务。包括：新一代信息技术产业，高端装备制造产业，新材料产业，生物产业，新能源汽车产业，新能源产业，节能环保产业，数字产业等等。其中增材制造技术（3D打印）被列入第二大板块高端装备制造产业中。

全国各地也出台了积极的扶持政策，此处不一一列举。

7 市场应用情况

工业级喷墨砂型3D打印技术以其无需模具、快速、柔性、自由制造等特点顺势而为，成为解决传统有模铸造中周期长、成本高、流程多、工艺复杂等难题的“妙方”。具体应用主要体现在以下几个方面：

7.1 新产品开发

以试制一件汽车发动机四缸铸铁缸体为例（图3），以前很多汽车企业都是发到国外（主要是德国、意大利、西班牙、奥地利等）进行试制，一个铸铁四缸缸体约需3万欧元，再加上沟通困难、周期过长、出差费用等因素，都大大限制开发的效率；用传统方法则要开模具，费用在100万人民币左右，周期大概3～4个月，开出的模具需要修补3-4次才能达到要求，而且要考虑很多因素，而现在利用喷墨砂型3D打印技术仅用2～3周可制作3-5个合格的缸体铸件交给客户用于测试，费用也仅仅只有十几万人民币，在周期、成本上具有非常大的优势，也大大降低新产品开发的决策风险[2]。

图3 HT250四缸发动机缸体快速制造样件及首件解剖

7.2 个性化定制

喷墨砂型3D打印技术的特点决定了它非常适合越来越多的个性化定制产品，还包括根据实际工况条件设计的单件产品和一些进口设备的备品备件等。如图4所示为在250A型水环真空泵叶轮的基础上定制250B、250C满足现场工况条件。

图4 在250 A型水环真空泵叶轮的基础上定制250 B、250 C满足现场工况条件

7.3 中小批量生产

随着工业喷墨砂型3D打印技术的发展，生产效率不断提升，技术不断完善，已经可以满足几十件甚至几百件复杂产品的中小批量生产，而且在周期、成本、质量上有优势。

图5所示为中小批量生产的壳体（ZL101A、HT250）。

图5 中小批量生产壳体（ZL101A、HT250）

图6 为批量生产带冷却水道的新能源汽车电机壳体提供工艺数据库

7.4 为大规模生产提供工艺数据库

铸件的大规模生产涉及了工艺、设备、材料、技术参数等多方因素，利用喷墨砂型3D打印技术先模拟一遍整个生产流程，积累和修正相关参数，就可以大大缩短大规模生产的调试周期，大大提高工艺成品率，大大降低制造成本，有利于实现既定目标。图6所示为为批量生产带冷却水道的新能源汽车电机壳体提供工艺数据库。

8 新进展及发展趋势

工业级喷墨砂型3D打印技术近年来发展非常迅速，一方面技术的逐步成熟使得其能够解决很多行业的“疑难杂症”，具有天然的优势；另一方面，社会的发展离不开技术创新，越来越多的新产品开发、大规模定制产品、柔性批量生产以及智能化铸造工厂（车间）的需求也促使喷墨砂型3D打印技术快速发展，两者相辅相成，互相促进。

新进展及未来发展趋势具体表现在：

（1）设备多元化。目前已经涌现出多种规格型号的设备，未来的发展将针对行业特性、应用场景等出现更多的“专机”或“定制机型”，以满足不同用户的需求。

（2）材料瓶颈的突破将促成技术再上新台阶。现阶段比较成熟的是基于呋喃树脂的改性材料体系，也有一些公司推出酚醛、水玻璃、无机等材料。未来喷墨砂型3D打印的耗材将呈现多元化的发展趋势，如果一种新的材料体系既能优化3D打印造型过程（相应简化设备结构），又能节省后处理的工序并满足多种金属材料铸造的性能要求，将推动喷墨砂型3D打印技术再上新台阶。同时还需要重点突破材料的回用和再生，满足节能环保和循环利用的要求。

（3）技术装备不断升级，设备价格将逐年下调。随着国产自主创新设备的崛起、技术体系的完备和核心零部件的突破，设备越来越自动化、智能化、人性化，进口设备逐渐失去其“垄断地位”，市场竞争的必然结果就是技术装备不断升级、价格逐步下调。

（4）多途径、系统化降本提效。在保证满足生产技术条件的前提下，效率是用户关心的核心，不管是超大尺寸、双工作箱、机器手臂等结构，还是多组喷头的单Pass打印，目的都是为了提高效率；提效的同时也要重点关注降低成本，包括打印耗材成本、设备成本、设备稳定性可靠性、售后维护成本、人工成本、工艺流程优化成本以及配套成本等。

（5）深耕行业应用并大规模推广，促进产业链、创新链和价值链的相互融合与发展。

铸造是基础产业，涵盖了机械、材料、热工、控制、软件等多领域的综合性技术，而且铸造工艺种类繁多，铸造产品各不相同，应用场景更是千差万别，但工业级喷墨砂型3D打印技术普适性强，通过深耕行业应用形成示范效应就能够实现大规模推广。比如：（1）数字化智能铸造工厂（车间）——利用多台套工业级喷墨砂型3D打印机和铸型直接铣削加工设备等代替模具、射芯机等形成自动化柔性生产线，实现快速、智能地批量生产。（2）针对金属模具重力浇注生产线、砂型自动造型机生产线等利用多台套工业级喷墨砂型3D打印机批量提供砂芯，并结合机器手等形成生产自动化能力。

还需进一步围绕3D打印的设计、软件、工艺、装备、材料制备、管理及应用的相关产业链，聚集优势力量，共享资源，协同创新，推进3D打印技术创新体系建设，全面提升3D打印的产品价值链。

9 结论

喷墨砂型3D打印技术可以广泛应用于科研院校、航空航天、军工、汽车、摩托车、船舶、装备制造、泵阀、工程机械等开发研制和生产单位，尤其适合新产品开发和单件、中小批量、个性化复杂零件（如发动机缸体缸盖、进排气歧管、壳体支架、泵阀、叶轮等）的快速制造，前景十分广阔。

我国3D打印产业链存在巨大的潜在发展空间，尤其工业级喷墨砂型3D打印技术，在产业迫切需要、应用不断拓展、企业努力创新、政府大力扶持的多方促进下，将创造一波又一波的发展高潮，为制造强国建设提供有力支撑，为经济发展注入新动能。