2014年03月04日08:55
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日本經濟產業省即將啟動開發世界最高水准的3D打印機的國家項目。日本政府在2014年的預算案中劃撥了40億日元，用以實施“以三維成型技術為核心的制造革命計劃”。目前，該計劃已經分成32億日元上限的“新一代工業3D打印機技術開發”和以5.5億日元為上限的“超精密三維成型系統技術開發”兩個主題，並在公開招募開發委托單位。
前一個主題以可以成型金屬材料的3D打印機（以下稱：金屬3D打印機）為對象，后一個以成型鑄造模型的3D打印機（以下稱：砂模用3D打印機）為對象。在此類3D打印機的領域，德國等歐美地區目前在裝置的開發和應用兩個方面都領先。日本經濟產業省此舉的目的，就是為了提高日本的競爭力。
金屬3D打印機和砂模用3D打印機的開發項目除了連同控制程序在內的成型裝置本身外，還包括新型粉末材料和實現后處理自動化的周邊裝置的開發。
電子束與激光束
金屬3D打印機開發項目所考慮的金屬粉末的燒結與熔融有兩種方式，分別為電子束方式和激光束方式（圖1）。這兩種方式都把成型速度達到目前的10倍、產品精度達到目前的5倍作為最終目標，力爭在項目結束后的2020年投入實用。
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圖1：金屬3D打印機的開發目標和技術課題 設想的兩個方式分別是向金屬粉末照射電子束和照射激光束。二者的最終目標都是使成型速度達到目前的10倍，使成型物的精度達到目前的5倍。 |
具體來說，兩種方式1小時成型速度的最終目標均為500cc﹔成型物精度方面，電子束方式的最終目標為±50μm，激光束方式為±20μm。除此之外，最大成型尺寸達到1000×1000×600mm以上、裝置售價控制在5000萬日元以下也是兩種方式共同的最終目標。
要達成目標，除了提高電子束和激光束的性能之外，還必須為兩種方式開發適合各自的新型粉末材料。因此，該項目將同時開展金屬粉末的微細化、縮小粒徑分布，開發耐熱性和耐腐蝕性優良的新合金和防鏽等粉體修飾技術，提高品質並降低成本。
低成本快遞制作砂模
砂模用3D打印機1小時的成型速度要達到10萬cc（100L）以上，最終目標是使成型的鑄模的制造成本降低到1000日元/kg以下。以中小企業等為對象推動其實現廣泛普及，力爭使裝置的售價降低到2000萬日元以下。項目期限為4年（圖2）。
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圖2：砂模用3D打印機的開發目標與技術課題 通過提高成型尺寸和成型速度提升生產效率，同時降低裝置的價格，借此提升鑄模的成本競爭力。 |
砂模用3D打印機開發項目在2013年度曾經開展過。項目的名稱也是“超精密三維成型系統技術開發”，成型速度的最終目標（10萬cc/h以上）也與本次一致。但2013年度的砂模打印機開發項目的預算規模的上限僅為1.5億日元，此次的預算規模增加到了上次的近4倍。
與金屬3D打印機一樣，對於砂模用3D打印機，粉末材料的開發也是一大重點。按照計劃，打印機將採用噴嘴噴射粘合劑，利用粘合劑硬化人工砂粉末的方法，除此之外，還要開發可以用於鑄造高熔點金屬的人工砂和粘合劑、設法控制對鑄造流程存在影響的崩壞性，並找出能混合沉積不同砂子的方法。
還要顧及知識產權
日本經濟產業省之所以推行上述開發項目，是出於“新一代3D打印機投入實用並商業化有利於國家利益”的考慮，項目產生的知識產權原則上歸屬參與者。因此，在開展項目時，要先行進行專利調查，以避免專利糾紛。
除了日本國內和日本企業，通過項目達到實用水平的3D打印機還將面向全球市場提供。因此，在開發之時，還要遵循ISO（國際標准化組織）和ASTM等國際標准。
開發項目計劃於2年后（2015年度末）實施中期評估。通過制作試制機等方式，評估打印機能否達成圖1和圖2中的中期目標。（作者：中山 力，日經技術在線！供稿）
