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传统铸造一般首先要制作木模或金属模，然后基于模具翻制砂型，制作周期长，成本高，且有拔模斜度的限制，让复杂件以及单件、小批量零件的制作特别费时费力。3D打印技术的兴起，为这一问题提供了良好的解决方案。本项目主要是采用微滴喷射技术，形成砂型3D打印机、陶瓷3D打印机、砂型以及陶瓷零部件等产品。目前，已完成陶瓷打印样机C443的制作及陶瓷样品的打印，并且进行了少量的烧结实验;实验型打印机E222完成了设计、制造，进入调试阶段;中大型砂型打印机S12105的设计已完成，进入制造阶段。

项目采用的微滴喷射技术是一种不需要模具、非击打、点阵式、直接图案化或制造构件的快速成型技术，具有使金属材料、陶瓷材料、高分子材料、电子材料等以溶液、悬浮液等的形式，以按需喷射的方式成形实体零部件的功能。

技术原理：微滴喷射3D打印的技术原理是：第一步，将所要打印的模型数据（一般为STL、AMF或OBJ文件）导入到分层软件进行切片，在模型的高度方向均匀或不均匀的设置N个切片位置，在每个切片位置将模型上下一分为二，通过投影获得模型切片位置的轮廓与填充，这样可得N个切片图案；第二步，铺粉机构将粉末（陶瓷粉或砂）均匀的铺展在整个打印平面；第三步，打印控制系统根据切片图案控制打印头在有图案的位置喷射粘结剂；第四步，Z轴下降一个层厚（一般为0.05~0.5mm，不同粒径大小的粉末层厚不同）；第五步，重复上述第二步至第四步的过程，直至整个模型打印完毕；第六步，静置半小时，待粘结剂反应完毕；第七步，清除散状的粉末，获得打印模型；第八步，后处理。对砂型而言，要上涂料、烘干、组型、浇注等，最终获得铸造零部件；对于陶瓷而言，要浸渗、脱脂、烧结等，最终获得陶瓷零部件。

1、组合式直线运动单元自主开发。由于砂型打印的生产环境存在较多灰尘，且运动控制精度要求高，故对直线导轨提出了较高要求。砂型打印机制作厂商一般采用进口直线单元和直线单元安装架来组成X轴(扫描轴)运动系统、Y轴运动系统和铺砂轴运动系统，成本很高，货期也很长，一般长达2个月左右。本项目所研制的砂型3D打印机将采用自主开发的组合式直线运动单元，此种组合式运动单元系统是把安装架和运动单元融为一体，这样既保证了精度，也可通过自配重型滑轨来提高使用寿命，并且制造成本会较大幅度的降低，由于关键部件的自控，极大的提高了设备的快速交付能力。

2、喷头流道施加涂层。喷头是砂型3D打印机的核心部件，目前仅英国、日本和美国有生产厂商，国内尚无厂商具备制作喷头的能力。且这些打印头并非专为砂型打印而生，故将其应用于喷射砂型粘结剂时,喷头内的粘接层在几个月的时间内就被砂型粘结剂破坏。故当前砂型打印机的喷头使用寿命一般在半年左右。这大大增加了客户的使用成本。故本项目计划采用化学镀技术在喷头的内流道添加耐腐蚀涂层，以提高喷头使用寿命，降低设备使用成本。

3、研制下料量可精细调节的铺料机构。目前砂型3D打印机的铺砂机构，一方面，一次所下的砂料较多，且在空气湿度大或粉体中添加了较多催化剂导致其流动性变差的时候，铺粉的稳定性变得很差。本项目将研制下料量可精细调节的铺料机构，该机构可一边下料一边铺料，所下的料与铺料所需相差不大，且采用了主动划拨的方式进行下料，在粉体流动性较差的时候也能顺利下料。该机构不仅提高了砂型打印机的可靠性，也为将砂型打印技术推广至陶瓷领域提供了技术支撑。

4、堵塞喷嘴自动屏蔽技术。在砂型打印过程中，喷头运动所带起的灰尘以及墨水中的微小颗粒有可能会堵塞喷嘴，如果堵塞的喷嘴的数量超过5%，将对砂型的质量产生实质性影响。当前的做法是将喷头拆下来清洗，如果清洗无法恢复则更换喷头。本项目将在采用自主研发的控制算法以发现堵塞的喷嘴并屏蔽之，并用其他喷嘴添补被屏蔽喷嘴，使得即便喷嘴堵塞量达到20%也能打印质量合格的模型，进一步提高喷头的使用寿命，降低设备使用成本。

本项目研发的砂型3D打印设备研发技术主要产品包括砂型、金属、石墨、陶瓷3D打印机及配套耗材（粘结剂和粉体），各类3D打印零部件等。主要面向铸造、科研、教育、化工、卫浴、文创、模具等行业。根据中商产业研究院的报告：“随着铸造行业供给侧结构调整的加快，落后产能将加速淘汰，到2020年全国铸造企业数量将持续减少至15000家左右，占企业总数量30%的铸造企业(约4500家)的铸造件产量将达到全国产量的80%以上，我国铸造企业数量大约会控制在8000家以内，达到与美国、德国等工业发达国家相等规模水平。”预计未来那具有一定规模的4500家铸造企业，平均每个企业将需要2~3台砂型打印机；以每台3D打印机的平均售价为100万元估计，市场规模约90~135亿元。使用3DP技术进行陶瓷零部件的3D打印，尚属空白领域，且陶瓷材料作为一种应用更为广泛的材料，陶瓷3D打印设备的市场空间预计比砂型3D打印机的空间更大。当前，本成果的砂型打印技术进入产业化生产阶段，砂型打印设备完全具备产业化条件，进入量产阶段。其中，实验型打印机E222已经完成设计、加工和装配，进入调试阶段。中大型砂型打印机S12105完成设计，进入加工阶段，预计项目执行第一个半年内即可完成调试，具备交货条件。陶瓷3D打印技术进入小试阶段，需要优化完善烧结控制技术。

本项目研发团队核心技术人员大多数由产业界和高校的成员组成，均在3D打印行业经营多年。技术团队带头人陈张伟及团队成员樊博均为深圳大学教职工，在陶瓷增材制造及陶瓷增材材料方面研究多年。期间与李国虎、袁纯国、张飞等人相识，与其有3D打印工艺等方面的业务来往。李国虎、袁纯国、张飞3人是多年的同事，有合作基础，团队一致认为3D打印技术将对中国未来的制造业产生重大影响。目前，该技术团队核心成员包含教授1人，特聘副研究员1人，中级职称2人;有留学经验者2人；有产业化经验者3人。

项目目前已投入研发费用70万元，该项目于2022年11月启动陶瓷打印机的设计工作。预计至2023年4月份完成陶瓷3D打印设备的调试工作，具备发货条件，同时该型号设备进入市场销售。2023年全年大力生产和推广各型号砂型打印机，包括E222、S12105以及S22105等。并将于下半年启动陶瓷3D打印设备的市场推广工作。本成果的实施可解决现有3D打印设备成本偏高，限制了中小企业的采购需求的问题；解决现有3D打印设备的稳定性、可靠性难以满足大规模产业化应用需求的问题；解决现有3D打印设备的应用领域较为局限，难以适应多种产品及材料的问题。

本成果希望与3D打印机设备供应商对接，以技术服务的形式进行成果转化。