日本为提高铸造业以及使用铸件的企业的竞争力，开始开发国产3D打印机。日本经济产业省于2013年5月29日确定了“超精密三维造型系统技术开发项目”的委托企业（参与企业），由此启动了以日本产业技术综合研究所（以下称产综研）为中心的、可应用于中等规模量产产品的3D砂模打印机开发项目（图1）。目标是5年后将生产效率（造型速度）提高到目前的10倍，并开发出中小企业也能买得起的数千万日元的低价机型。

图1：3D沙模打印机开发项目的参与企业

除了开发3D打印机和材料的企业外，还有制造沙模的铸造企业以及使用铸件的企业参与该项目。

    3D沙模打印机开发项目的参与企业

    除了开发3D打印机和材料的企业外，还有制造沙模的铸造企业以及使用铸件的企业参与该项目。

    层叠制造铸造用沙模

    该项目要开发的3D打印机采用的是将粉末材料（砂）一层一层地用粘合剂固化、层叠起来的方式。产综研先进制造工艺研究部门基础加工研发小组组长冈根利光表示，“我们打算开发一款可制造气缸盖沙模的3D打印机，供月产3000辆的高档车使用”。造型速度方面的具体目标是，1小时可以制造体积为100L（100×100×10cm）的沙模。

    最大造型尺寸（造型范围）内配置的造型个数不同，3D打印机的生产效率会明显不同。配置造型的方向与层叠方向的角度也会对精度和生产效率产生很大影响。具体开发多大尺寸的3D打印机尚未确定，不过打算用来制造汽车的发动机部件及发电站的燃气轮机部件等。

     一般来说，沙模是使用木模转印的方法制造的。考虑到脱模斜度等，必须要使用多个木模才能组合成复杂形状沙模的情况也不少。

    3D打印机不用考虑脱模问题，因此复杂形状也能够一体成型。有望通过一体化提高精度、削减铸造时的工时。另外，还可以挑战原来不可能实现的形状（图2）。

图2：利用3D打印机制造的沙模（左）和使用这种沙模制造的铸件（右）

    通过使用3D打印机，利用木模转印无法实现的沙模也可一体成型。照片中的沙模是KOIWAI公司用现有3D打印机制造的，已在展会上展出。

    比如，将原来由多个部件构成的中空形状的铸造品做成一体构造，可以减轻重量。对汽车厂商而言，有望提高燃效等附加值，对铸造厂商而言，可以减少溶解的金属以降低用电量。

    开发项目还有用户企业参与

    3D打印机开发由3D打印机厂商、材料厂商、铸造厂商、使用铸件的整机厂商共同参与。3D打印机由从事光固化快速成型系统＊2的CMET公司（总部：横滨市）负责开发，使用的砂和粘合剂由群荣化学工业开发。木村铸造所（总部：静冈县清水町）和KOIWAI（总部：神奈川县小田原市）将使用开发的3D打印机制造的沙模进行铸造。另外，日产汽车、雅马哈和小松将对铸造品进行评估。早稻田大学将为沙模和铸件的特性等的评估提供支持。

    光固化快速成型系统是向光硬化树脂液体表面照射激光使其硬化从而形成截面形状的层叠造型装置。

    具体如何提高3D打印机的生产效率尚未公布。该项目计划不仅要调整粘合剂的吐出速度和砂的供应速度，还要缩短造型后去除未硬化砂的时间，提高材料的强度以减小沙模厚度。产综研的冈根介绍说，“第一阶段的目标是在3年后将生产效率提高到现在的5倍”。

目前只有2家欧美企业

      现在，开发并销售可制造铸造用沙模的3D打印机的，只有德国EOS和美国ExOne这两家企业。冈根表示，砂和粘合剂都要从海外进口，“即使想用日本企业的砂和粘合剂也用不成”＊3。

    现在外国厂商的3D打印机也可以使用日本的材料了。ExOne日本子公司（总部：神奈川县小田原市）今后还将提供日本厂商生产的粘合剂。

    EOS的3D打印机采用的是用激光器烧结混有树脂的砂粒的方法，ExOne的3D打印机采用的是从喷嘴喷出粘合剂使砂硬化的方法。日本此次的项目要开发的3D打印机将采用第二种方法。

    这种方法的基本专利已经过期，但一些在短时间高精度硬化的周边专利是有效的。这方面的顾虑也将成为今后的课题。

    还将积累应用方面的经验

    该项目不仅要开发3D打印机和使用的材料，还将开发能够铸造高熔点金属的高耐热沙模以及充分利用可制造复杂形状这一优点的局部冷却性能控制技术。

    冈根指出，“光有3D打印机还不行，还要积累如何制造沙模、如何利用沙模铸造等应用方面的经验”。通过使用3D打印机，铸件形状和沙模形状会得到优化。不必全用3D打印机制造，要在合适的地方使用合适的材料，灵活应用。此次项目中还将积累这方面的经验及技巧。

    该项目计划开展5年，“不过之后仍将继续开发，争取将来能够实现生产效率为现在100倍的3D打印机”（冈根）。这样，在制造更大量生产的部件时，也能够使用3D打印机制造的沙模。