科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业,先进制造技术

需求背景

    随着高端装备更新换代速度的提升以及市场竞争的加剧，对铸件单件、小批量、个性化订制生产的需求越来越迫切。尤其是航空航天、国防军工等领域的飞行器舱体、航空机匣、大型船用发动机缸体缸盖等复杂铸件生产，目前仍以手工造型砂型铸造为主。砂型3D打印技术可实现复杂铸件数字化、绿色化、智能化铸造工艺，解决传统铸造复杂铸件形性精确控制难、质量稳定性差、资源浪费大、环境污染严重等问题。

    目前在国内市场应用的进口砂型3D打印设备主要是Voxljet和Exone公司产品，设备运行稳定、成熟性好、打印精度高，但整机、配件及维护费用昂贵。国内制造最大成形尺寸2000mm以上大型3D打印设备的公司有共享装备股份有限公司、广州峰华卓立科技股份有限公司、爱思凯科技有限公司、北京隆源自动成型有限公司等4家公司，产品各具特色。

    压电式喷墨打印头是粘结剂喷射砂型3D打印机的最关键部件，喷射情况直接影响3D砂型最重要指标尺寸精度，打印头价格占打印机售价的20%以上且为消耗品，使用寿命一般为5000小时，一般情况下喷墨打印头的使用成本占砂型的成本30%以上。目前能够生产适用于工业级3D打印机打印头的企业，国外有富士、京瓷、赛尔、柯美、理光、爱普生、东芝等，国内有苏州锐发、杭州爱思凯，主要应用在印刷、印染行业，目前尚无专门针对铸造3D打印用的打印头。综合铸造3D打印速度、可靠性、均匀性、寿命和成本等元素，结合铸造粘结剂喷射量大（40~80pl），水或有机溶剂为介质等特点，使用在铸造3D打印设备的打印头主要有富士公司的蓝宝石、北极星两个系列的压电式打印头，占据市场份额的99%以上，市场上只有爱思凯公司的设备使用自产打印头，北京机科国创轻量化院的3D打印设备使用赛尔2003打印头，质量与富士公司有较大差距，富士公司的打印头产品在铸造3D打印领域有着垄断优势。

    砂型3D打印技术符合国家高端智能制造、增材制造的发展方向，《2021年中国增材制造产业发展调研报告》预测在5年内国内将新增大型砂型打印设备1000台以上，打印头需求量巨大，同时可解决进口喷嘴的卡脖子问题。

需解决的主要技术难题

    压电技术制造的喷墨打印头，压电元件是一个能变形的晶体，当电压变化时，压电元件产生位移，推动这个变形的机构产生变形，进而把腔体墨水挤出打印头。与印刷、印染行业使用的打印头相比，喷射频率较低，一般在10k赫兹以下；喷射量较大在40pl~100pl之间，喷头的直径也可以相应扩展到20微米。但喷射粘结剂多为以有机溶剂为载体的高聚物，易自聚或形成胶体颗粒，极易堵塞喷口、打印头底板微孔；酸碱度分布较大，pH在1~12之间，有较强的腐蚀性；生产压电式喷嘴的技术难点主要有：

1、喷孔板打孔的效率和成本、墨道的精度和效率；

2、墨腔的精度和去毛刺、通专用溅射设备和掩膜曝光机；

3、专用夹具完成压电陶瓷与柔性电路的绑定；

4、微电压、墨路内压力控制喷墨量的稳定性、连续性；

5、各组件的材质选择延长喷嘴的使用寿命；

6、各组件胶黏剂选择提高在强酸、强碱环境下的耐腐蚀性等等。

期望实现的主要技术目标

1、喷孔数：512

2、喷孔行数：4

3、分辨率(dpi):200

4、墨滴速度（m/s）：8

5、液体粘度范围（cps）：6~80

6、可喷射粘结剂：呋喃树脂、碱性酚醛树脂、水玻璃无机粘结剂

7、最高工作频率（pl/KHz）:40pl/10KHz

8、喷射次数：≥100亿次

9、喷射量：40pl~100pl/次

10、工作温度（℃）：15~50

需求解析

解析单位：“科创中国”北京市科学技术研究院战略性新兴产业专业科技服务团（北京市科学技术研究院） 解析时间：2022-11-14

王健

智慧工厂研究院

院长

综合评价

需求清晰，但是涉及技术问题较多，需要和多学科的技术专家团队合作。

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处理进度