基于粘结剂喷射的喷墨砂型三维打印技术新进展

工业自　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１８．０９．０３３　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）　

摘要：介绍基于粘结剂喷射的喷墨砂型三维打印技术的原理、国内外设备、产业政策及其现状，概括喷墨砂型三维打印技术的　新进展和发展趋势，有助于促进传统铸造行业的转型升级和数字化、自动化、智能化发展。　关键词：粘结剂喷射；砂型；三维打印；增材制造；铸造　中图分类号：ＴＢ４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９４９２（２０１８）０９—０１０９—０６　

Ｎｅｗ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　３Ｄ　Ｐｒｉｎｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｉｎｋｊｅｔ　Ｓａｎｄ　Ｍｏｕｌｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｂｉｎｄｅｒ　Ｊｅｔｔｉｎｇ　ＪＩＮ　Ｆｅｎｇ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｆｅｎｇｈｕａｚｈｕｏｌｉ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｏｓｈａｎ　５２８２２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐｏｌｉｃｙ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｎｋｊｅｔ　ｓａｎｄ　ｍｏｌｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｉｎｄｅｒ　ｊｅｔｔｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｄ．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｎｋｊｅｔ　ｓａｎｄ　ｍｏｌｄ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｐｇｒａｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｆｏｕｎｄｒｙ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｉｎｄｅｒｊｅｔｔｉｎｇ；ｓａｎｄ　ｍｏｕｌｄ；３Ｄ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ；ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｆｏｕｎｄｒｙ　

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　广东省科技厅重大专项项目（编号：２０１７Ｂ０９０９１１０１０）　收稿日期　。　匿圄　自动化　型的技术主砭包括ＳＩ　Ｓ（Ｓｅｌｅ（·　·ｔ，【ｍ—ｒ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）选择性　激光烧－－＋Ｍ￣术ｆ¨３１）Ｐ　ｃ　ｆ１　Ｉｎｋ　１　Ｓａｉ１ｔ｛Ｍｔ　ｕｌｔ１喷墨砂　＿＝维打　印技术　＂外，Ｉ）ｓ　（Ｉ）　ｔｌＩ　ＳｈｅｌＩｌ，ｒＩ）ｄｕｃｔｉｏｎ　Ｃａｓｌｉｎｇ）　接壳　铸造技术ｌ可以料结陶瓷粉术成　后片ｊ于铸造“　．．　经过多年的发展．ＳＩ　Ｓ选择性激）匕烧结技术更加成熟　实川，材料从最初的ＰＳ粉扩爬到　怏砂等，广泛『ｆＪ于精　错铸造干¨砂型铸造，近些　延仲纠　属粉末的选择性激光　熔化ＳＩ　Ｍ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｌａｓｍ　Ｍｅｌｔｉｎｇ），ｆ［接制造金属零件，　成为现阶段３Ｄ打印的主流ｒ　之·　喷墨砂　维打　印技术申Ｈ比，』　优点是精度会稍　，ｆｌｔｌ￣１为采Ｈｊ激光镭射　技术，　存　成　寸不够人、¨印效牢低、成本高等特　点　喷睾砂型＿ｔ维打印技术憾】：　结刹喷射的３ＤＰ技术，　根据成删材料的小同分圳形成Ｉｉｌｊ种ｌ　艺路线：广为熟知的　足利用Ｉ吠『ｌｆ｛ｉ、惭　树脂或尤机材料作为粘结剂喷射存层铺　的预混Ｊ　催化刹的　眇Ｉ　进ｆ　维成Ｊ　的Ｉ　２艺；还有　·种　是｛＇ＪＩＨ阵类、硅溶胶等作为　合刹将裰膜砂等材料粘结成　的ｒ　、虽然　行部槭】　喷踺－ｅｌｔ４］印，但成型机理、　Ｔ　过程、铸造适』ｆ１　等力‘　仃　较人篪Ｕ『Ｊ，这里不多赘　述，重　介　１）订　２．２工业级喷墨砂型三维打印技术　近ｑ＝－来，３Ｄ打印技术发展快速．…方面展脱了其技　术优势，比较适应越来越多的多　￣＇ｅＪ，４ｔｔ量快速制造和新　

ｒ　丁ｆ发；另一力‘而制造、ｌｌ，面临转　升级和创新发展的瓶　颈，ｕ王为３１）扣‘印技术提供Ｊ　深耕ｉｆ，Ｉｋ，、　川的需求　－‘十ｊ　五”规划以来，厄　足铸造ｉ　７，１　，作为制造业的基础行　业，　临产能过剩、产ｒｆＩ『Ｉ附Ｄｉ￣ｆ７４；小离、　能环保、　Ｔ荒　等严峻难题，迫切需受利川数字化、Ｊ，Ｉ功化、智能化技术　埘传统铸造产业进行升级改造　技术进少和行业需求仳进Ｊ　Ｉ　、ｉ　绒喷墨砂型ｊ维打印　技术的蓬勃发腱．并涌脱…多家产、ｌｌ，ｆ｛二的公司，有代表性　的包括　期德阳的Ｇｅｎｅｒｉｓ（班　已　发展为美目的ＥｘＯｎｅ　币¨德同的Ｖｏｘｅｌｊｅｉ）、广东的峰华ｑｔ　．以及后起之秀宁夏　共亭、荚阉的Ｖｉｒｉｄｉｓ３１）、广州爱　等，并且在汽车　（包括新能源）、航空航人、　ｌ　、泉　、船舶、机械装　备、铸造、帧具等领域形成Ｊ　产业ｆ．１ｙｉ￣ｚｆ¨示范　３喷墨砂型３Ｄ打印技术原理　如冈１所示，喷墨砂Ｊ　３１）打印技术主要包括数据处理　过程、扪‘印造　过程、后处理及铸造过程等．形成一套完　整的技术体系　ｌ　数据处媸过程包括利川Ｊ　ＵＧ、Ｉ）ｒｏＥ、Ｃａｔｉａ、Ａｕｔｆ　ＣＡＤ、　｝ｌｉｄｗｏｒｋｓ等ｉ维软件将零什ＣＡＩ）模型分模，转换　为铸型ＣＡＤ模型，并Ｊ　Ｊｌ１人铸造浇注系统　艺设计，然后利　用分层软件将铸　ＣＡＤ模型（一·般为ｓ１、Ｌ格式）离散为层　片文件，同时进行编辑、修复、　壳、补偿等处理，输…　ＣＩ　Ｊｌ、ＢＭＰ、ＰＲＴ等可以￣Ｊ－１７ｌ　Ｊ的格式史件　＿『　互　Ｉ－型　铸型ＣＡＤ模　模型鞠处理、分　ｌ　ＷＵ　１　翅日　圈』＝＞　每瑶铺砂（预混　化荆）　阵刮喷嘴喷射粘结荆　喷射完后１、降一　日　日　印造掣宅毕　清砂　涂敷涂料　浇注　得到铸件　图Ｉ　喷　砂　３ｌ｝打印技术原理图　打印造　过　主婴指喷　眇　３Ｄ打印ｆＪＬｆｌ＊，Ｊ造型全过　．　般包括：输入打印义什——砂库自动供砂——ｆＪ动　预混催化剂——ｆ　Ｉ动输砂技铺眇——阵列喷嘴喷射．卡占结剂　打印——Ｉ　作　¨助卜降·　——重复铺砂、４３－Ｅｌ３、下降　等过程——　至打Ｅ¨造　完成“】　处　及铸造过程则　Ｉｊ传统仃模造型Ｔ岂过程一致，　包括砂　（　）的清　、涂缒涂料、组型合箱、浇注、铸　件处耻等　４喷墨砂型３Ｄ打印机　如表２所示，　缄喷粜砂ＪＩ　３Ｄ打印机已经柯彳艮多选　择，撼水原　没仃苊砰，　…ｊ　｛，王个公　的行业背景、没　汁思路、产　｛＾定他的小　研制…Ｊ　不同型号和结卡勾的多元　化没备，ｒｆ『场澈烈竞争的Ｍ时，促进了技术进步、降本提　效和深耕行业ＳａＬＪｔ　Ｊ　５喷墨砂型３Ｄ打印材料　级喷翠砂　３Ｄ¨印的堪材主要包括硅砂、焙烧　砂、宅珠砂、陶粒砂、人造眇、特种砂等，根据小同铸件　产。【』ｌ的要求可以选择　川类｝　同日数的型砂，当然也　要　虑型砂的粒度分ｎ　、ｆｆｊ形系数、主要成分、膨胀系　数、灼减挝、含　、　砂发　等冈素；粘结剂主要采　川　丁Ｉ吠哺埘忻、盼醛树ＪＪ｝彳、水玻璃等的改性材料，匝　·＿　考虑　水粘度、丧叫张　、　小颗粒、腐蚀性、与打印　的兼容性等影响，　嗄满足成　饥理、铸造和后处ｓ￣ｆＣＪ各　项性能要求，【’Ｉｚ『』【］渗透扩敞　ｉ＋ｔ．－、强度、发气垃、溃散性、　巡让性、透气性等　¨前比较成熟的是【Ｉ丈喃树脂类的改性　材料．普通悱强，稳定性『】Ｊ‘　性　，酚醛类和尢机类材料　也取得ｒ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川，炎　挝…“Ｉｑ家制造业创新　络计　

ｒ——————————ｒ——————ｒ————————］　ｌ　｝　ｌｌ０　ｌ　｝　Ｉ．．．．．．．．．．．．．　．　．　．．．．．　．．　．　．Ｊ　，　，，，１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．－Ｊ　

一　，●●－　厂　金枫：基才粘结剂喷射的喷墨砂型三维打印技术新进展　工业自动　

注：以上技术信息和图片来自相应公司的官方网站，未经实际测试验证。　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。　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。