3DP 砂型打印機一種鋪砂方式的探討

秦坤杰

（山東冀凱裝備制造有限公司，山東濰坊 261100）

砂型3DP 打印機是目前比較先進的設備，幾乎可以實現任意形狀的砂芯打印。打印機工作時先用鋪砂器鋪一層砂，然后噴頭在砂面上噴出圖案，如此反復進行就可以堆疊打印出所需的砂芯。

1 研制目標和問題

開發砂型3DP 打印機，鋪砂器是關鍵點。鋪砂器具有兩個主要功能，將儲存的砂子均勻落到砂面上，然后將落下的砂子刮平。為了實現這兩個功能，設計了刮板式鋪砂器。實驗中發現鋪砂器砂子落砂和鋪平正常，噴頭正常打印，但打印后取出的砂芯變形，出現與鋪砂移動方向相同的圖形按鋪砂厚度平移錯位，見圖1。

圖1 錯位砂芯

分析原因如下：鋪砂器刮板刮動表層砂子時，砂子之間的摩擦力帶動下層砂子一起產生水平位移。砂子顆粒形狀會影響砂子的流動性，實驗采用圓形砂減小砂子之間的摩擦力[1]。鋪砂器包含儲砂斗、刮砂板和前擋板,如圖2 所示。儲砂斗內砂子落下至已完成鋪砂層，前擋板與已完成的鋪砂層靠安息角自動密封砂子，刮砂板將砂面刮平。鋪砂器沿鋪砂方向移動，砂子一邊下落，一邊被刮砂板刮平，每次鋪砂在已完成鋪砂層上增加一個鋪砂單層厚度。刮板至前擋板處密封的砂子相對已完成的鋪砂層有相對運動，砂子之間的摩擦力帶動下層砂子產生位移，砂子位移大小與相互摩擦的砂子面積成正比，從砂子相互摩擦面向深處逐漸減小。圖2 中，A 代表鋪砂單層厚度，B 代表前擋板距離已鋪砂面高度，C 代表落砂口寬度。

圖2 鋪砂時下層砂子位移示意圖

2 實驗過程

為了解決圖形變形問題，設計了實驗進行驗證。實驗使用陶粒砂，混入0.5%固化劑攪拌均勻后進行鋪砂。

實驗1：鋪砂層厚0.6mm，落砂口寬度16mm，前擋板距離已完成鋪砂面垂直距離10mm。

實驗結果見圖3，圖形變形嚴重，每層沿鋪砂方向推移3～5mm。

圖3 圖形變形嚴重的試塊

分析：落砂口太寬，刮板前方長期推動砂子量太大，砂子之間摩擦帶動下層砂子產生大量位移。

實驗2：鋪砂層厚0.6mm，落砂口寬度5mm，前擋板距離刮板垂直距離5mm。

實驗結果見圖4，圖樣完整但輪廓不清晰，鋪砂方向仍然能有微小位移，仔細觀察鋪砂器移動到終點時有少量砂子掉落，判斷是砂子在刮板前方“起堆”，造成表層砂面摩擦力增大，砂子位移傳遞到下層已經打印的砂面造成圖形推移變形。

圖4 圖形變形輕微的試塊

圖5 前擋板堆積砂示意圖

實驗3：鋪砂層厚0.6mm，落砂口寬度5mm，前擋板距離已鋪砂面高度2mm。

實驗結果見圖6，打印試塊圖形完整，輪廓清晰，尺寸合格，經過各項測量評定滿足使用要求[2]。

圖6 輪廓清晰的試塊

3 結論

（1）刮板方式鋪砂完全能夠實用，滿足工業生產。

（2）為了減少打印圖形推移變形，應在滿足落砂量的同時盡量減小落砂口寬度。前擋板高度稍微高出刮砂板底面即可，太高會因砂子流動性太好在落砂口前方堆積后增加摩擦力，使下層已打印圖形的砂子產生位移，產生圖形變形。

（3）理論上選用圓度較高的砂子，因層間摩擦力較小，可以提高形狀精度。鋪砂器結構各部分參數還需根據自身實際情況再調整。