为鼓励全国铸造行业持续开展自主创新及实用创新工作，有效推广自主创新成果与技术，提升企业核心竞争力，助力我国铸造行业的转型升级与高质量发展，中国机械工程学会铸造分会自2020年起开展“全国铸造行业创新技术与产品评选”工作，认定并向全行业推广、普及每年国内外铸造领域的创新技术与产品。
2020年“全国铸造行业创新技术与产品评选”工作自启动以来，受到了业界的广泛关注与参与，最终13项初评入围项目参加了11月8日在安徽合肥举办的终评及答辩环节。沈阳铸造研究所有限公司研发的《喷墨3D打印国产化原材料的开发与应用》被评定为“2020年度全国铸造行业创新成果”。
▲答辩现场
创新成果：喷墨3D打印国产化原材料的开发与应用
申报单位：沈阳铸造研究所有限公司
关键词：喷墨3D打印；国产化材料；增材制造
研究背景
铸造砂型喷墨3D打印材料既需要优异的性能，又要兼顾经济性。目前，我国喷墨3D打印技术使用的原砂、粘结剂等材料大多需从国外进口，国内严重缺乏与打印喷头匹配性好的材料，而国外进口材料价格昂贵、供货周期长。3D打印材料价格降低的途径只能通过关键技术的突破来实现。
沈阳铸造研究所有限公司开展了3D打印粘结剂原材料关键技术研究和砂型/砂芯快速成形基础工艺技术研究，实现原材料国产化开发，并在典型铸件上进行示范应用，为砂型铸造领域3D打印技术发展提供材料、工艺技术基础，必将有力促进铸造行业发展，应用前景广阔，意义重大。
成果描述
主要内容：在铸造砂型/芯喷墨3D打印中，粘结剂是最为关键的原材料。我公司开发的粘结剂具有较高的纯净度、适宜的粘度，对打印头友好，长期使用不堵塞喷头，并有利于喷墨打印量的控制；开发的树脂具有较快的硬化速度，可以保证砂型成型；打印的砂型性能优异，粘结强度、发气量等满足铸造需求。开发的配套的固化剂游离硫酸含量低，适宜的加入量有利于混砂及铺砂打印工艺，打印的砂型砂芯质量稳定。原砂材料具有适宜的粒度分布、含硅量、酸耗值等理化指标，满足打印产品的最终性能要求。清洗剂能够顺利溶解树脂且对打印头友好。
技术革新：对于传统铸造行业来说，对原辅材料与喷墨3D打印材料的需求既有区别又有联系。区别在打印工艺要求下，对材料的性能提出了更多要求，如纯净度、粘度等。联系是打印材料制备的型芯要满足铸造的基本需要。本项目打印用树脂和固化剂的开发与应用，一方面推动传统合成工艺和装备升级，开发了具备特定需求的材料。另一方面极大的提升了造型工艺的进步，解决了无法开模及造型的难题，为个性化，定制化，探索性的提供了便利手段。
创新亮点及实施措施：我公司开发的喷墨3D打印原砂、粘结剂产品是首家通过国际知名3D打印设备公司认证的国产化材料，打印的砂型/芯成功生产了多种关键零部件，满足了国防军工等重点领域需求。项目技术创新点有两方面：（1）粘结剂、固化剂成分优化与制备工艺技术。优化原料成分及制备工艺参数，实现了超高纯净度树脂的制备，在纯净度、水分、粘度、pH值、表面张力等理化指标方面满足打印喷头苛刻要求，同时满
足固化速度、粘结强度、发气量等铸造工艺性能指标要求。（2）3D打印原砂表面处理技术。采用特殊工艺对原砂进行表面处理，提高固化剂结晶后活性，降低了预混固化剂在原砂表面的消耗，保证原砂正常使用。
在本项目的实施过程中，沈阳铸造研究所有限公司结合进口3D打印设备的使用需求，在材料、工艺方面进行深入的研究，实现了材料、工艺及生产设备的突破创新，成功开发了国产3D打印原材料，填补了国内空白。
论文和专利
论文情况：
1.“铸钢件3D打印砂型芯用水基涂料的开发与应用”发表于《铸造》杂志2019年第4期。
2.“增材制造-3D打印材料工艺系统化解决方案及国产化成果”发表于2018中国铸造活动周论文集。
专利情况：
1 . 申请发明专利“ 一种砂型3 D 打印用粘结剂及其制备方法” （ 申请号为201811205775.7）。
2. 申请发明专利“一种铸造砂型砂芯喷墨3D打印用硅砂的表面处理方法”（申请号为201910902206.6）。
实施案例
超大尺寸铸件是重大任务关键装备的核心部件。
市场前景及效益
随着装备制造业的发展，对零部件提出了更为严苛的要求，复杂化、轻量化、一体化是必然的发展趋势，3D打印技术技应运而生，并且扮演着更加重要的角色。目前铸造用3D打印技术依旧处于起步阶段，3D打印技术依旧是高端制造、高成本的代名词，只有相对较少的领域能够支持该工艺的小批量应用，设备及材料的高昂成本，较低的可维护性及效率都是目前发展所面临的问题。虽然目前国内已经出现了结合3D打印的智能化铸造工厂，但距离大规模的批量生产依旧有较大的距离。我国是一个铸造大国，拥有着全世界的铸造产能，但整体自动化水平较低。3D打印技术造型制芯技术是砂型铸造工艺重要的补充手段，随着未来智能化、数字化、绿色化的发展，代表未来先进制造手段的3D打印技术必将占据越来越重要的地位，拥有广阔的发展空间。
材料工艺及装备的协同发展是行业进步的必要条件，喷墨3D打印国产材料的开发，将在材料和工艺方面提供更加优质和性价比的服务，为企业谋求更大的利润空间，进一步推动喷墨打印技术在铸造行业中的应用。喷墨3D打印国产化材料推广应用后，将有更多产品的开发、试制及小批量的生产应用，在成本相对较低的条件下实现了产品尺寸、表面质量等方面的提升。喷墨打印技术的应用可满足企业高质量、高附加值产品的生产开发，提高企业的竞争能力和经济效益。
沈阳铸造研究所有限公司利用喷墨3D打印国产化材料制作砂型/芯、生产的高端复杂精密铸件产值超过两千万元，客户使用国产化原材料生产的砂型/芯价值超过一千万元。在国家重点领域中，喷墨3D打印技术与铸造技术相结合，实现了关键复杂零部件的快速批量制造，为国防建设、民生保障提供助力，促进我国由制造大国向制造强国转变。
