沙漠砂制品的制備工藝改進研究

陳延軍 胡永權 任增茂 羅天祥 陳德琪

（1 甘肅省建材科研設計院，甘肅 蘭州 730020；2 甘肅省低能耗建筑技術重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；3 甘肅省建筑材料資源綜合利用工程技術中心，甘肅 蘭州 730020 ）

0 引言

目前，在利用沙漠砂研制功能性砂制品的過程中，由于制品是經常溫固化免燒成型而成，其干燥后體積收縮率較小，為便于脫模，所以與其制備工藝相匹配的模具設計是一個難點。然而，沙漠砂制品的整個制作過程涉及材料、工藝、設備等各種因素，尤其是成型模具的設計與制造，由于利用傳統的模具設計制造方法開發產品，不僅開發周期長，而且產品試制成本高。針對上述問題，我們以沙漠砂為原料研制具有防滲透氣特性的生態種植盆為例，將CAD 與3D 打印技術相結合，探究出一種適用于制備沙漠砂制品的快速成型工藝。

1 模具的制作

1.1 模具原型的制作

在模型的建立中，基于實物測量的產品仿形設計是快速逆向建模的一種重要方法。實驗中所涉及的產品模型是通過Auto CAD 軟件直接繪制生成的，它為原型的生產過程提供數字信息。目前，用于構建三維實體模型的主流軟件，如CAD、UG、Pro/E、3DMAX 等，都提供了一種可以由3D 打印機軟件直接識別的“*.stl”數據格式。通過引入3D 打印技術，打破傳統模具設計與制造工藝，可提升產品開發的有效性，解決模具加工過程中遇到的一些實際困難。

試驗時所選用的3D 打印機為桌面級3D 打印機，打印切片軟件為Cura，打印材質為PLA 塑料，這里Cura 的主要作用是將上一步的“*.stl” 數據文件分層切片，根據模型形狀生成不同的路徑，從而生成整個三維模型可脫機打印的“*.gcode”數據文件。而選用PLA 塑料為3D 打印材質，單從產品的造價成本上講，PLA 塑料價格比較低，是最符合低成本的耗材使用需求，且擁有良好的抗拉強度及延展度；在精度要求上，受材料本身性質的影響，最高精度略低于其他材料的平均水平，但完全能滿足一些創意產品的制作要求。此外，PLA 塑料通過桌面機就可制作，與工業機相比，精密度與大批量生產的差距不大，且能滿足產品的總體需求。

在原型制作過程中，根據產品模型的特點、打印材質PLA 的特性以及環境溫度的變化，需要合理設定主要工藝參數，需要強調的是，在做切片處理時，最好使用蜂窩狀結構作為填充，這是由于蜂窩具有良好的力學性能。通過該軟件，可一次性完成輪廓編輯、支撐制作，確定制作大小及方向等，以使隨后的模型打印工作能夠可靠穩定地進行，防止模型在打印過程中出現翹曲變形。為了使打印后模型的表面質量滿足尺寸穩定性和精度要求，該模型需要進行二次處理，包括磨削、修復、拋光和表面強化。對于PLA 塑料作為打印材質，由于PLA 材質的3D 模型較硬，且不耐熱，如果對其外表面紋理和支撐進行打磨處理，會致使表面更加粗糙，目前沒有較好的處理辦法。針對此問題，我們采取的處理是將膩子均勻滿刮填平整個外表面，待其干燥后，用400～1200 目的水砂紙打磨。模型的制作流程和經處理后的模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 模型的制作流程

圖2 處理后的3D 模型

1.2 石膏模具的制作

目前，制造模具的方法很多，大多利用設計模型間接地轉換模具。根據不同的材料，主要有軟模具（如硅橡膠、環氧樹脂、鋁等）和硬模具（如鋼等）。前者不受產品形狀復雜度的影響，廣泛應用于小批量開發和生產新產品；后者可以大規模生產。本試驗基于產品在實驗室前期試制階段的成本和周期考慮，我們考慮選用石膏材料開發模具，主要是由于它具有一些其他材料所無法比擬的優勢，如本地石膏資源豐富、價格低、制造周期短、成型尺寸穩定性好、精度高等。

石膏模具制作時，試驗選用的模具石膏粉產自甘肅景泰，減水劑由蘭州宏方新型建材有限公司提供。石膏模具的制作流程如圖3所示。此時，需要制作模具型框、精準定位原型，依然選用PLA 材料打印制作型框（如圖2（b））。試驗時需要注意的是，石膏漿配制過程中，不同產地、不同粒度的石膏與水的比例都不同，經過反復試驗得出，按石膏：水=100：60 的比例計量，并摻加一定量的聚羧酸系減水劑。攪拌時采用高速攪拌加真空處理的方法，即電動攪拌器以300r/min 以上的轉速攪拌2min，再放入旋片式真空泵腔體進行消泡處理。采用此方法澆注的模具，不僅內外表面致密光滑，外形規整，還可提高模具的強度。干燥時將模具置于40℃左右的烘箱中干燥至模型濕度為6%～8%為宜。

上述試驗過程可以看出，石膏模具的最大特點是制作工藝簡單、成型快、成本低；但模具型腔表面精度不是很高，強度差，模具易損壞，模具周轉次數較少，但在產品開發的實驗室階段，不失為一種簡單有效的工藝。

圖3 石膏模具制作流程F

2 功能砂制品的制備工藝

沙漠砂制品的制備是以沙漠砂為主要原料，經過常溫固化、免燒成型而成。

2.1 原材料

骨料顆粒采用沙漠砂。為了使功能砂制品具有防滲透氣的性能，宜選用單級配，不宜使用連續級配（透氣性差）。試驗時使用振動篩對沙漠砂進行粒度分級處理。

樹脂選用價格低廉、粘度低的環氧樹脂和改性樹脂兩種，固化劑選用粘度低、揮發性小、固化速度適中的固化劑。稀釋劑為自制。

2.2 制備過程

由于常溫下環氧樹脂的粘度很高，即使加稀釋劑也難以增加流動性可先將樹脂在烘箱中預熱，使其粘度降低，然后將其與固化劑、稀釋劑以一定比例混合，其中，固化劑的摻量可根據試驗環境溫度進行適當調節?；旌先橐涸倥c沙漠砂以一定比例混合攪拌后進行澆注。經常溫干燥后的制品脫模后，將印刷設備簡單、操作方便，且成本低廉，適應性強的絲網印刷開創性地引入產品的外觀圖案設計，以增強產品的藝術視覺感，對于這種小批量試制的產品具有一定的優勢，尤其適用于帶有凹凸面制品的外觀設計。通過上述步驟制備的生態種植盆如圖4所示。

圖4 制備的生態種植盆

圖5 脫模失敗情形

2.3 試驗結果及分析

從CAD 圖形到石膏模具再到制品的制備，中間往往經歷多道工序，大多時候還集中在對單個工藝環節的精度控制，而對模具制造及制品制備的整體精度缺乏有效的控制手段，特別是對于試驗后期階段利用石膏模具澆注砂制品而言，多由人工操作完成，難免會造成一些缺陷，如圖5所示。在整個制備過程中，各個環節的影響因素相互作用，尺寸誤差有一定的積累。因此，可以通過分析各個工藝環節精度控制的影響因素，來進一步優化工藝，采取相應的誤差補償措施以提高制作精度。

3 結語

本文將CAD 設計、3D 打印等技術引入石膏模具的設計與制造，突破模具傳統制作工藝的約束，實現模具的快速制作，對以后實現低成本、高附加值的沙漠砂制品工業化生產具有指導性作用。但是，由于筆者時間和水平的限制，還有待對本制備工藝在模型尺寸、制品尺寸的精度控制及其它制模工藝等方面做進一步深入研究。