砂型3D 打印设备快速固化方法的研究及应用

赵宁辉，杨建国，顾玉杰，刘 轶

（共享智能装备有限公司，宁夏银川 750021）

0 引言

3D 打印技术又称为增材制造技术，是一种基于数字模型技术之上，以离散- 堆积为原理的制造技术。可直接将材料逐层堆积以构造物体，进行去除、切割、打磨、组装等加工操作，不受物体的材质、形状等因素影响。目前，常见的3D 打印技术包括：光敏树脂选择性固化（SLA）、粉末材料选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积（FDM）、3D 喷射打印（3DP）、真空注塑（PUG）等。铸造3D 打印设备的工作原理是基于3DP 技术，主要应用在铸造、陶瓷、碳化硅等领域，具有成型效率高、精度高、成本低、绿色环保等诸多优点。铸造3D 打印机所使用的液体粘结剂主要有呋喃树脂、酚醛树脂、无机树脂等，以上液体粘结剂的物化性质各不相同，砂型的固化速度也不相同，其中，呋喃树脂对环境变化非常敏感，打印机需要实现恒温恒湿的环境，而酚醛树脂具有硬透性好、热膨胀率小、低毒性、抗吸湿性好、溃散性好、可减少铸件热裂等优点，得到了广泛应用，但酚醛树脂、无机树脂中含有大量的水分，常温下砂型不具备初始强度，无法规模化应用，严重影响设备的打印效率。

针对酚醛树脂、无机树脂等粘结剂在3DP 打印工艺中砂型固化速度慢的问题，本文重点研究了影响砂型固化的因素，提出能够加快砂型固化的方法，解决了酚醛树脂、无机树脂等粘结剂在铸造生产应用过程中的瓶颈问题。

1 影响砂型固化速度的因素分析

3DP 打印技术是自下而上进行逐层堆叠，当打印头喷出的树脂粘结剂[1]与砂子中预先混好的固化剂相遇时，即会发生化学反应，使喷有粘结剂的砂面凝固产生特定的轮廓图形，经过逐层地堆叠，下部已经喷墨成型的砂面会不断的被新的砂面所覆盖。当成型厚度达到一定高度时，严重阻碍了砂型粘结剂中水分的挥发，使得砂型不易固化，且初始强度很小，容易受到上部砂型重力的挤压而变形，导致砂型打印精度较差。而且，砂型打印结束后，放置等待的时间较长，影响打印效率，或需要配备专用的微波烘干设备进行加热以提高其强度，增加了设备的投资成本。

结合3D 打印技术的成型机理可知，影响砂型固化速度的主要因素为原材料的初始温度、打印过程中的环境温度及湿度，其中原材料包括：砂子和粘结剂，环境温度及湿度包括：内部温湿度和外部温湿度，概括起来即为：粘结剂温度、砂子温度、砂面温度、工作箱温度、打印室环境温湿度这5 个方面的因素，通过对这5 个方面的因素进行综合控制，可以提高砂型在打印过程中的固化速度，改善砂型的质量，提高打印效率。

2 提高砂型固化速度的措施

为了提高砂型的固化速度，需要对上述5 个方面的影响因素逐一进行控制。首先，从原材料方面考虑，砂子和粘结剂的温度过低，将严重影响粘结剂的化学反应时间，导致砂型固化速度慢。为了提高二者的温度，可以对砂子及粘结剂进行预热，例如：在其存储罐上增加加热及保温装置，实时的进行温度调节控制，保证原材料的温度维持恒定，提高砂型固化速度。尤其是在冬季，原材料温度波动较大，影响更为明显，增加原材料的温度控制就尤为重要。

其次，是对打印过程中的砂温进行控制，这部分包括对当前砂面温度的控制和工作箱温度控制。在打印过程中，砂面是动态堆叠的，砂面温度在不断地进行变化，为了保证砂面温度的恒定，需要在砂面上增加红外辐射装置，实时的对砂面进行加热，以加快砂面中多余水分的蒸发。对于堆叠在下部的砂型，红外辐射装置则难以穿透对其持续加热，需要考虑对工作箱的箱体进行加热，使热量从不同的方向对其内部的砂型进行受热，通过对砂面和工作箱箱体同时加热，使得砂型由内到外均匀受热，热传导效率很高。

第三，打印室内部空间的环境温湿度也会对砂型固化产生较大的影响，温度过低、湿度过大，将减缓砂面粘结剂水分的蒸发及凝固，因此，需要对打印室环境进行恒温恒湿调节，满足砂型打印的环境要求。

3 技术原理

对于砂子温度、粘结剂温度、环境温湿度的控制可采用常规加热手段即可实现，而且容易控制、成本低，本文重点阐述砂面加热及工作箱加热的原理及方法，图1 为砂型3D 打印机快速固化方案。

图1 砂型3D 打印机快速固化方案示意图

所有物体都可以吸收部分红外辐射，其中，一部分红外辐射被物体表面反射，还有一部分可以穿透物体表面，选择合适光谱的红外辐射器，可以使大部分辐射被物体吸收并转化为热能。通过理论与实验的研究，铸造用的砂型对波长为1.0～1.6 μm 红外短波的吸收效果最佳，并且短波辐射可穿透固体材料，确保加热的均匀性，因此，在选择红外加热灯管时，尽量考虑使用短波灯管。

红外加热灯管[2（]图2 所示）被安装在移动的铺砂器上，当铺砂器在运动时，对当前层进行实时的烘烤加热，灯管采用红外短波，波长范围控制在1.0～1.6 μm，能够穿透砂子表面将热量传递到砂型内部，且灯管瞬间功率较高，能量密度很大，加热效果很好。加热灯管的主要结构包括：加热管、灯罩、安装支架等。其中，加热管采用双灯管并联结构，能够有效提高加热管的功率及辐射面积，单个灯管由合金电阻丝、石英玻璃管、绝缘陶瓷、导线组成，两个灯管结构保持相同、并排放置。灯罩为双层梯形结构，包裹在加热管周围，灯罩的外层为隔热层，内层为反射层，内外层之间的间隙填充了隔热棉，此种灯罩结构可以有效的将加热管辐射出的热量集中照射在砂面上，避免热量的流失，提高了加热效率。红外加热灯管沿铺砂器长度方向安装，距离砂面一定高度，其安装高度和角度可做调整，当合金电阻丝外加激励电压后，产生高温并向外辐射红外电磁波，加热管的温度通过功率调节器来进行调节，具体的通过改变功率调节器中可控硅控制端的信号电压，来调节可控硅的导通角，改变电流的大小，实现加热管功率的控制。由于红外波长与加热管功率的大小相关，因此，调节功率使加热管向外辐射特定波长的红外线，匹配砂型材质最佳的吸收波长，可以提高加热效率。此外，在砂面的上方安装有温度检测传感器，温度实时反馈至控制系统中，通过PID 调节实时调整加热管的输出功率，使砂面达到恒定的设定温度，实现砂面温度的闭环控制。

图2 红外加热灯管结构示意图

由于红外加热灯管是安装在铺砂器上的，只有当铺砂器移动至砂面时，才会对砂面进行烘烤，不能够持续的对砂型进行加热、保温。因此，为了保证砂型固化的效果，在对砂面加热的同时，使用电加热工作箱[3（]图3 所示）对砂型进行持续加热固化。电加热工作箱由工作箱箱体、电加热管、温度传感器、自动控温箱、铺砂器、砂面温度检测传感器等组成。工作箱的5 个侧板内部设计安装有大功率的加热盘管及温度传感器，侧板采用铸铝成型，可以有效的提高加热管的热传导效率。加热盘管使用3 相交流电源，可采用Y 形连接或△连接，当设备开始打印时，即开始对工作箱各个面进行加热，加热温度通过每个面上的温度传感器进行PID 调节，实现精确地的控温。为了保证温度的恒定及加热效率，在工作箱四周包裹保温棉，防止热量的散失，通过工作箱5 个面的持续加热，可以对砂型内部进行连续烘干，热传导效率高、加热均匀。

图3 电加热工作箱的结构组成

图4 电加热工作箱箱体内部加热管结构

电加热工作箱及红外加热灯管的工作流程如下：

第一步：设备开始工作前，提前开启工作箱加热管，使工作箱箱体达到预设温度。

第二步：启动设备开始打印，工作箱加热管持续工作，通过PID 调节控制，保持工作箱各个侧板温度的恒定，起到对砂型固化的作用。

第三步：当铺砂器在砂面移动铺砂时，自动开启红外加热灯管，红外光照射工作箱箱体内的砂面上，对砂面进行固化。

4 总结

砂型3D 打印设备快速固化方法，包含了：砂温控制、粘结剂温度控制、工作箱温度控制、砂面温度控制、环境温湿度控制，通过对这5 个方面的综合控制，可以保证打印过程中砂型的恒温加热，实现快速固化的目的，能够有效解决因使用酚醛树脂、无机树脂等粘结剂所带来的砂型固化速度慢的问题，使得此类粘结剂可以广泛的应用到铸造3D 打印领域。