沙漠砂制品的制備工藝改進(jìn)研究

陳延軍 胡永權(quán) 任增茂 羅天祥 陳德琪

（1 甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730020；2 甘肅省低能耗建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；3 甘肅省建筑材料資源綜合利用工程技術(shù)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(jīng)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(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。然而，沙漠砂制品的整個(gè)制作過程涉及材料、工藝、設(shè)備等各種因素，尤其是成型模具的設(shè)計(jì)與制造，由于利用傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造方法開發(fā)產(chǎn)品，不僅開發(fā)周期長，而且產(chǎn)品試制成本高。針對(duì)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(tài)種植盆為例，將CAD 與3D 打印技術(shù)相結(jié)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(shí)物測量的產(chǎn)品仿形設(shè)計(jì)是快速逆向建模的一種重要方法。實(shí)驗(yàn)中所涉及的產(chǎn)品模型是通過Auto CAD 軟件直接繪制生成的，它為原型的生產(chǎn)過程提供數(shù)字信息。目前，用于構(gòu)建三維實(shí)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(jī)軟件直接識(shí)別的“*.stl”數(shù)據(jù)格式。通過引入3D 打印技術(shù)，打破傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)與制造工藝，可提升產(chǎn)品開發(fā)的有效性，解決模具加工過程中遇到的一些實(shí)際困難。

試驗(yàn)時(shí)所選用的3D 打印機(jī)為桌面級(jí)3D 打印機(jī)，打印切片軟件為Cura，打印材質(zhì)為PLA 塑料，這里Cura 的主要作用是將上一步的“*.stl” 數(shù)據(jù)文件分層切片，根據(jù)模型形狀生成不同的路徑，從而生成整個(gè)三維模型可脫機(jī)打印的“*.gcode”數(shù)據(jù)文件。而選用PLA 塑料為3D 打印材質(zhì)，單從產(chǎn)品的造價(jià)成本上講，PLA 塑料價(jià)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(qiáng)度及延展度；在精度要求上，受材料本身性質(zhì)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(chuàng)意產(chǎn)品的制作要求。此外，PLA 塑料通過桌面機(jī)就可制作，與工業(yè)機(jī)相比，精密度與大批量生產(chǎn)的差距不大，且能滿足產(chǎn)品的總體需求。

在原型制作過程中，根據(jù)產(chǎn)品模型的特點(diǎn)、打印材質(zhì)PLA 的特性以及環(huán)境溫度的變化，需要合理設(shè)定主要工藝參數(shù)，需要強(qiáng)調(diào)的是，在做切片處理時(shí)，最好使用蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為填充，這是由于蜂窩具有良好的力學(xué)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(wěn)定地進(jìn)行，防止模型在打印過程中出現(xiàn)翹曲變形。為了使打印后模型的表面質(zhì)量滿足尺寸穩(wěn)定性和精度要求，該模型需要進(jìn)行二次處理，包括磨削、修復(fù)、拋光和表面強(qiáng)化。對(duì)于PLA 塑料作為打印材質(zhì)，由于PLA 材質(zhì)的3D 模型較硬，且不耐熱，如果對(duì)其外表面紋理和支撐進(jìn)行打磨處理，會(huì)致使表面更加粗糙，目前沒有較好的處理辦法。針對(duì)此問題，我們采取的處理是將膩?zhàn)泳鶆驖M刮填平整個(gè)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(jīng)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(shè)計(jì)模型間接地轉(zhuǎn)換模具。根據(jù)不同的材料，主要有軟模具（如硅橡膠、環(huán)氧樹脂、鋁等）和硬模具（如鋼等）。前者不受產(chǎn)品形狀復(fù)雜度的影響，廣泛應(yīng)用于小批量開發(fā)和生產(chǎn)新產(chǎn)品；后者可以大規(guī)模生產(chǎn)。本試驗(yàn)基于產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)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(fā)模具，主要是由于它具有一些其他材料所無法比擬的優(yōu)勢，如本地石膏資源豐富、價(jià)格低、制造周期短、成型尺寸穩(wěn)定性好、精度高等。

石膏模具制作時(shí)，試驗(yàn)選用的模具石膏粉產(chǎn)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(shí)，需要制作模具型框、精準(zhǔn)定位原型，依然選用PLA 材料打印制作型框（如圖2（b））。試驗(yàn)時(shí)需要注意的是，石膏漿配制過程中，不同產(chǎn)地、不同粒度的石膏與水的比例都不同，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出，按石膏：水=100：60 的比例計(jì)量，并摻加一定量的聚羧酸系減水劑。攪拌時(shí)采用高速攪拌加真空處理的方法，即電動(dòng)攪拌器以300r/min 以上的轉(zhuǎn)速攪拌2min，再放入旋片式真空泵腔體進(jìn)行消泡處理。采用此方法澆注的模具，不僅內(nèi)外表面致密光滑，外形規(guī)整，還可提高模具的強(qiáng)度。干燥時(shí)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(yàn)過程可以看出，石膏模具的最大特點(diǎn)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(qiáng)度差，模具易損壞，模具周轉(zhuǎn)次數(shù)較少，但在產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(jí)配，不宜使用連續(xù)級(jí)配（透氣性差）。試驗(yàn)時(shí)使用振動(dòng)篩對(duì)沙漠砂進(jìn)行粒度分級(jí)處理。

樹脂選用價(jià)格低廉、粘度低的環(huán)氧樹脂和改性樹脂兩種，固化劑選用粘度低、揮發(fā)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(huán)氧樹脂的粘度很高，即使加稀釋劑也難以增加流動(dòng)性可先將樹脂在烘箱中預(yù)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(jù)試驗(yàn)環(huán)境溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)?；旌先橐涸倥c沙漠砂以一定比例混合攪拌后進(jìn)行澆注。經(jīng)常溫干燥后的制品脫模后，將印刷設(shè)備簡單、操作方便，且成本低廉，適應(yīng)性強(qiáng)的絲網(wǎng)印刷開創(chuàng)性地引入產(chǎn)品的外觀圖案設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)產(chǎn)品的藝術(shù)視覺感，對(duì)于這種小批量試制的產(chǎn)品具有一定的優(yōu)勢，尤其適用于帶有凹凸面制品的外觀設(shè)計(jì)。通過上述步驟制備的生態(tài)種植盆如圖4所示。

圖4 制備的生態(tài)種植盆

圖5 脫模失敗情形

2.3 試驗(yàn)結(jié)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(jīng)歷多道工序，大多時(shí)候還集中在對(duì)單個(gè)工藝環(huán)節(jié)的精度控制，而對(duì)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(duì)于試驗(yàn)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(huì)造成一些缺陷，如圖5所示。在整個(gè)制備過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)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(gè)工藝環(huán)節(jié)精度控制的影響因素，來進(jìn)一步優(yōu)化工藝，采取相應(yīng)的誤差補(bǔ)償措施以提高制作精度。

3 結(jié)語

本文將CAD 設(shè)計(jì)、3D 打印等技術(shù)引入石膏模具的設(shè)計(jì)與制造，突破模具傳統(tǒng)制作工藝的約束，實(shí)現(xiàn)模具的快速制作，對(duì)以后實(shí)現(xiàn)低成本、高附加值的沙漠砂制品工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)性作用。但是，由于筆者時(shí)間和水平的限制，還有待對(duì)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(jìn)一步深入研究。