砂型3D 打印設(shè)備快速固化方法的研究及應(yīng)用

趙寧輝，楊建國(guó)，顧玉杰，劉 軼

（共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

3D 打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，是一種基于數(shù)字模型技術(shù)之上，以離散- 堆積為原理的制造技術(shù)?？芍苯訉⒉牧现饘佣逊e以構(gòu)造物體，進(jìn)行去除、切割、打磨、組裝等加工操作，不受物體的材質(zhì)、形狀等因素影響。目前，常見(jiàn)的3D 打印技術(shù)包括：光敏樹脂選擇性固化（SLA）、粉末材料選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積（FDM）、3D 噴射打印（3DP）、真空注塑（PUG）等。鑄造3D 打印設(shè)備的工作原理是基于3DP 技術(shù)，主要應(yīng)用在鑄造、陶瓷、碳化硅等領(lǐng)域，具有成型效率高、精度高、成本低、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。鑄造3D 打印機(jī)所使用的液體粘結(jié)劑主要有呋喃樹脂、酚醛樹脂、無(wú)機(jī)樹脂等，以上液體粘結(jié)劑的物化性質(zhì)各不相同，砂型的固化速度也不相同，其中，呋喃樹脂對(duì)環(huán)境變化非常敏感，打印機(jī)需要實(shí)現(xiàn)恒溫恒濕的環(huán)境，而酚醛樹脂具有硬透性好、熱膨脹率小、低毒性、抗吸濕性好、潰散性好、可減少鑄件熱裂等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，但酚醛樹脂、無(wú)機(jī)樹脂中含有大量的水分，常溫下砂型不具備初始強(qiáng)度，無(wú)法規(guī)?；瘧?yīng)用，嚴(yán)重影響設(shè)備的打印效率。

針對(duì)酚醛樹脂、無(wú)機(jī)樹脂等粘結(jié)劑在3DP 打印工藝中砂型固化速度慢的問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究了影響砂型固化的因素，提出能夠加快砂型固化的方法，解決了酚醛樹脂、無(wú)機(jī)樹脂等粘結(jié)劑在鑄造生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。

1 影響砂型固化速度的因素分析

3DP 打印技術(shù)是自下而上進(jìn)行逐層堆疊，當(dāng)打印頭噴出的樹脂粘結(jié)劑[1]與砂子中預(yù)先混好的固化劑相遇時(shí)，即會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使噴有粘結(jié)劑的砂面凝固產(chǎn)生特定的輪廓圖形，經(jīng)過(guò)逐層地堆疊，下部已經(jīng)噴墨成型的砂面會(huì)不斷的被新的砂面所覆蓋。當(dāng)成型厚度達(dá)到一定高度時(shí)，嚴(yán)重阻礙了砂型粘結(jié)劑中水分的揮發(fā)，使得砂型不易固化，且初始強(qiáng)度很小，容易受到上部砂型重力的擠壓而變形，導(dǎo)致砂型打印精度較差。而且，砂型打印結(jié)束后，放置等待的時(shí)間較長(zhǎng)，影響打印效率，或需要配備專用的微波烘干設(shè)備進(jìn)行加熱以提高其強(qiáng)度，增加了設(shè)備的投資成本。

結(jié)合3D 打印技術(shù)的成型機(jī)理可知，影響砂型固化速度的主要因素為原材料的初始溫度、打印過(guò)程中的環(huán)境溫度及濕度，其中原材料包括：砂子和粘結(jié)劑，環(huán)境溫度及濕度包括：內(nèi)部溫濕度和外部溫濕度，概括起來(lái)即為：粘結(jié)劑溫度、砂子溫度、砂面溫度、工作箱溫度、打印室環(huán)境溫濕度這5 個(gè)方面的因素，通過(guò)對(duì)這5 個(gè)方面的因素進(jìn)行綜合控制，可以提高砂型在打印過(guò)程中的固化速度，改善砂型的質(zhì)量，提高打印效率。

2 提高砂型固化速度的措施

為了提高砂型的固化速度，需要對(duì)上述5 個(gè)方面的影響因素逐一進(jìn)行控制。首先，從原材料方面考慮，砂子和粘結(jié)劑的溫度過(guò)低，將嚴(yán)重影響粘結(jié)劑的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致砂型固化速度慢。為了提高二者的溫度，可以對(duì)砂子及粘結(jié)劑進(jìn)行預(yù)熱，例如：在其存儲(chǔ)罐上增加加熱及保溫裝置，實(shí)時(shí)的進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制，保證原材料的溫度維持恒定，提高砂型固化速度。尤其是在冬季，原材料溫度波動(dòng)較大，影響更為明顯，增加原材料的溫度控制就尤為重要。

其次，是對(duì)打印過(guò)程中的砂溫進(jìn)行控制，這部分包括對(duì)當(dāng)前砂面溫度的控制和工作箱溫度控制。在打印過(guò)程中，砂面是動(dòng)態(tài)堆疊的，砂面溫度在不斷地進(jìn)行變化，為了保證砂面溫度的恒定，需要在砂面上增加紅外輻射裝置，實(shí)時(shí)的對(duì)砂面進(jìn)行加熱，以加快砂面中多余水分的蒸發(fā)。對(duì)于堆疊在下部的砂型，紅外輻射裝置則難以穿透對(duì)其持續(xù)加熱，需要考慮對(duì)工作箱的箱體進(jìn)行加熱，使熱量從不同的方向?qū)ζ鋬?nèi)部的砂型進(jìn)行受熱，通過(guò)對(duì)砂面和工作箱箱體同時(shí)加熱，使得砂型由內(nèi)到外均勻受熱，熱傳導(dǎo)效率很高。

第三，打印室內(nèi)部空間的環(huán)境溫濕度也會(huì)對(duì)砂型固化產(chǎn)生較大的影響，溫度過(guò)低、濕度過(guò)大，將減緩砂面粘結(jié)劑水分的蒸發(fā)及凝固，因此，需要對(duì)打印室環(huán)境進(jìn)行恒溫恒濕調(diào)節(jié)，滿足砂型打印的環(huán)境要求。

3 技術(shù)原理

對(duì)于砂子溫度、粘結(jié)劑溫度、環(huán)境溫濕度的控制可采用常規(guī)加熱手段即可實(shí)現(xiàn)，而且容易控制、成本低，本文重點(diǎn)闡述砂面加熱及工作箱加熱的原理及方法，圖1 為砂型3D 打印機(jī)快速固化方案。

圖1 砂型3D 打印機(jī)快速固化方案示意圖

所有物體都可以吸收部分紅外輻射，其中，一部分紅外輻射被物體表面反射，還有一部分可以穿透物體表面，選擇合適光譜的紅外輻射器，可以使大部分輻射被物體吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的研究，鑄造用的砂型對(duì)波長(zhǎng)為1.0～1.6 μm 紅外短波的吸收效果最佳，并且短波輻射可穿透固體材料，確保加熱的均勻性，因此，在選擇紅外加熱燈管時(shí)，盡量考慮使用短波燈管。

紅外加熱燈管[2（]圖2 所示）被安裝在移動(dòng)的鋪砂器上，當(dāng)鋪砂器在運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)當(dāng)前層進(jìn)行實(shí)時(shí)的烘烤加熱，燈管采用紅外短波，波長(zhǎng)范圍控制在1.0～1.6 μm，能夠穿透砂子表面將熱量傳遞到砂型內(nèi)部，且燈管瞬間功率較高，能量密度很大，加熱效果很好。加熱燈管的主要結(jié)構(gòu)包括：加熱管、燈罩、安裝支架等。其中，加熱管采用雙燈管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠有效提高加熱管的功率及輻射面積，單個(gè)燈管由合金電阻絲、石英玻璃管、絕緣陶瓷、導(dǎo)線組成，兩個(gè)燈管結(jié)構(gòu)保持相同、并排放置。燈罩為雙層梯形結(jié)構(gòu)，包裹在加熱管周圍，燈罩的外層為隔熱層，內(nèi)層為反射層，內(nèi)外層之間的間隙填充了隔熱棉，此種燈罩結(jié)構(gòu)可以有效的將加熱管輻射出的熱量集中照射在砂面上，避免熱量的流失，提高了加熱效率。紅外加熱燈管沿鋪砂器長(zhǎng)度方向安裝，距離砂面一定高度，其安裝高度和角度可做調(diào)整，當(dāng)合金電阻絲外加激勵(lì)電壓后，產(chǎn)生高溫并向外輻射紅外電磁波，加熱管的溫度通過(guò)功率調(diào)節(jié)器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體的通過(guò)改變功率調(diào)節(jié)器中可控硅控制端的信號(hào)電壓，來(lái)調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，改變電流的大小，實(shí)現(xiàn)加熱管功率的控制。由于紅外波長(zhǎng)與加熱管功率的大小相關(guān)，因此，調(diào)節(jié)功率使加熱管向外輻射特定波長(zhǎng)的紅外線，匹配砂型材質(zhì)最佳的吸收波長(zhǎng)，可以提高加熱效率。此外，在砂面的上方安裝有溫度檢測(cè)傳感器，溫度實(shí)時(shí)反饋至控制系統(tǒng)中，通過(guò)PID 調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)調(diào)整加熱管的輸出功率，使砂面達(dá)到恒定的設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)砂面溫度的閉環(huán)控制。

圖2 紅外加熱燈管結(jié)構(gòu)示意圖

由于紅外加熱燈管是安裝在鋪砂器上的，只有當(dāng)鋪砂器移動(dòng)至砂面時(shí)，才會(huì)對(duì)砂面進(jìn)行烘烤，不能夠持續(xù)的對(duì)砂型進(jìn)行加熱、保溫。因此，為了保證砂型固化的效果，在對(duì)砂面加熱的同時(shí)，使用電加熱工作箱[3（]圖3 所示）對(duì)砂型進(jìn)行持續(xù)加熱固化。電加熱工作箱由工作箱箱體、電加熱管、溫度傳感器、自動(dòng)控溫箱、鋪砂器、砂面溫度檢測(cè)傳感器等組成。工作箱的5 個(gè)側(cè)板內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝有大功率的加熱盤管及溫度傳感器，側(cè)板采用鑄鋁成型，可以有效的提高加熱管的熱傳導(dǎo)效率。加熱盤管使用3 相交流電源，可采用Y 形連接或△連接，當(dāng)設(shè)備開始打印時(shí)，即開始對(duì)工作箱各個(gè)面進(jìn)行加熱，加熱溫度通過(guò)每個(gè)面上的溫度傳感器進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確地的控溫。為了保證溫度的恒定及加熱效率，在工作箱四周包裹保溫棉，防止熱量的散失，通過(guò)工作箱5 個(gè)面的持續(xù)加熱，可以對(duì)砂型內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)烘干，熱傳導(dǎo)效率高、加熱均勻。

圖3 電加熱工作箱的結(jié)構(gòu)組成

圖4 電加熱工作箱箱體內(nèi)部加熱管結(jié)構(gòu)

電加熱工作箱及紅外加熱燈管的工作流程如下：

第一步：設(shè)備開始工作前，提前開啟工作箱加熱管，使工作箱箱體達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。

第二步：?jiǎn)?dòng)設(shè)備開始打印，工作箱加熱管持續(xù)工作，通過(guò)PID 調(diào)節(jié)控制，保持工作箱各個(gè)側(cè)板溫度的恒定，起到對(duì)砂型固化的作用。

第三步：當(dāng)鋪砂器在砂面移動(dòng)鋪砂時(shí)，自動(dòng)開啟紅外加熱燈管，紅外光照射工作箱箱體內(nèi)的砂面上，對(duì)砂面進(jìn)行固化。

4 總結(jié)

砂型3D 打印設(shè)備快速固化方法，包含了：砂溫控制、粘結(jié)劑溫度控制、工作箱溫度控制、砂面溫度控制、環(huán)境溫濕度控制，通過(guò)對(duì)這5 個(gè)方面的綜合控制，可以保證打印過(guò)程中砂型的恒溫加熱，實(shí)現(xiàn)快速固化的目的，能夠有效解決因使用酚醛樹脂、無(wú)機(jī)樹脂等粘結(jié)劑所帶來(lái)的砂型固化速度慢的問(wèn)題，使得此類粘結(jié)劑可以廣泛的應(yīng)用到鑄造3D 打印領(lǐng)域。