砂模3D 打印尺寸精度控制方法浅析

2019-03-06

铸造设备与工艺 2019年6期

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750021）

3D 打印近几年来发展速度很快，各种3D 打印设备层出不穷，但成型原理基本类似。应用于铸造行业的砂模3D 打印设备是通过扫描喷墨，逐层叠加的方式成型的，铺一层砂，喷一次黏结剂，再铺砂，再喷黏结剂，这样往复运动，最终打印完所有的图形。砂模3D 打印能够完成各种复杂件的成型，成型尺寸精度能够保证在±0.3 mm 以内，能够做到这个精度，对于砂模打印设备来说已经很不容易了。影响砂模打印尺寸的因素比较多，铺砂的平整性、喷头距离砂平面的高度等等，本文主要从墨水的喷射对砂模尺寸的影响进行了分析。

1 砂模打印过程介绍

砂模打印之前要进行图像的预处理，即获取打印产品的3D 模型之后，先进行模型的布局，将要打印的产品模型按照需求布置在打印平台上面，再进行切片，将打印平台上的3D 模型进行切片处理，生成一张张图片，再将切好的图片进行格式转换，转换成打印系统能够识别的图像格式，打印系统在接收到每张图片后，会将图片保存在缓存区中，等待打印。具体流程如图1 所示。

图1 砂模打印过程

2 影响打印尺寸精度的因素

打印图像的准确尺寸源自于三维模型的尺寸，在图片处理过程中这个尺寸是不会变的，但是在下面的几个步骤中会影响图片的尺寸：

1）图片格式转换的过程中，由于分辨率的改变，会导致图片尺寸的变化，如图2 所示。

图2 图片格式转换导致图片尺寸变化示例

图2 中左边的图片是X 向和Y 向均为100dpi分辨率的原图，右边是X 向是100dpi 分辨率，Y 向是50dpi 分辨率的图片，两张图片都是圆，但是当分辨率改变后，图形就会由圆形变成了椭圆，这样的图片打印在砂面后也会呈现出一样的效果，即本来的圆柱体砂型就会变成椭圆柱体。

2）同等砂型、打印头条件，喷头距离砂面的高度过高，会造成墨滴落点偏差，导致尺寸变化；如图3 所示。

图3 高度导致墨滴低落点偏差示例

从打印头喷孔喷出的墨滴体积很小，在70 pl～80 pl 之间，喷出的速度为6 m/s～8 m/s 之间，在喷射过程中，如果喷射的距离短，那么墨滴的飞行轨迹就会沿打印头与砂面之间最短的直线滑行，近似垂直于砂面，如图3a）所示；如果喷射的距离较远，即打印头与砂面的距离太远，墨滴在喷射过程中容易受到周围气流的影响，墨滴轨迹呈抛物线状，落点与砂面不能保持垂直，造成尺寸误差，如图3b）所示。

3）墨滴的渗透性对尺寸造成一定的影响。墨滴喷射到砂面上以后，会在砂子中渗透，造成落点周围一定范围内都会有墨水，对于砂模打印来说，如果有一定量的墨水，砂子就会硬化，这样对于本不该硬化的砂子发生硬化与砂模的主体粘连到一起，造成砂模主体尺寸的变化，如图4 所示。

图4 墨滴渗透粘连示例

墨滴在砂面上落下后，开始向周围扩散，造成墨滴周围的砂子接触到了墨水，发生硬化，造成砂模主体尺寸扩大，如图5 所示。

图5 墨滴扩散导致砂模主体尺寸扩大示意图

3 解决措施

针对不同的影响因素，应该有不同的解决方法，针对因为分辨率造成的尺寸误差，应该在图像转换时注意，将分辨率根据打印的要求设置好之后再做转换，这样一来，只要打印的分辨率和图片本身的分辨率相匹配，那么砂模的尺寸就不会因为分辨率的异同而产生大的误差。

针对墨滴漂移造成的尺寸误差，首先，要开发一个最佳的波形文件来驱动喷头喷墨，好的波形文件，可以喷射出速度高、散点少的墨滴，由于墨滴初速度较高，可以抵消一部分由于喷射距离远而受到的空气影响，其次，要将喷头与墨滴目标落点的距离调整适中，让墨滴尽量在空中飞行的距离减到最小，由此来保证墨滴的精准落点，图6a）中使用的是一种波形，驱动的墨滴初速度较低，因此，墨滴的落点距离墨滴的目标位置较远，图6b）中使用的是另一种波形，墨滴的初速度较高，因此墨滴的落点距离墨滴的目标位置较近，所以b）图的误差就比a）图的误差小，因此，开发一个好的波形文件对砂型的尺寸精度有好的改善。

图6 不同波形驱动的不同墨滴速度对落点尺寸造成的影响

对于墨滴扩散造成的尺寸误差，可以制作几个砂模，砂模上做几个不同尺寸的缝隙，上机打印，测量打印后的成品砂模缝隙宽度和理论数据对比，多测量几组数据，取平均值，得出墨水渗透的净误差，如图7 所示。

图7 砂模设计尺寸与实际尺寸误差对比

图7a）图形为设计的砂模实体，中间的缝隙宽度为5 mm，b）图为实际打印出的砂模，测量尺寸为4.3 mm，缝隙的宽度比理论宽度小0.7 mm，这就说明是由于墨滴的扩散导致理论尺寸以外的砂子发生了硬化，使砂模本身的尺寸增加了0.7 mm，墨滴的扩散是向四周渗透的，因此，这种增加是双向的，也就说要将砂模的尺寸回复到理论值，需要单向减少0.35 mm.这样，就确定了由于墨滴的扩散造成的尺寸误差值，切片后的图像在进行尺寸偏移补偿时将这个值加在补偿值中，使图像的整体向中间收缩，补偿了墨滴扩散造成的尺寸增加值。