砂模3D 打印尺寸精度控制方法淺析

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

3D 打印近幾年來發(fā)展速度很快，各種3D 打印設(shè)備層出不窮，但成型原理基本類似。應(yīng)用于鑄造行業(yè)的砂模3D 打印設(shè)備是通過掃描噴墨，逐層疊加的方式成型的，鋪一層砂，噴一次黏結(jié)劑，再鋪砂，再噴黏結(jié)劑，這樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終打印完所有的圖形。砂模3D 打印能夠完成各種復(fù)雜件的成型，成型尺寸精度能夠保證在±0.3 mm 以內(nèi)，能夠做到這個(gè)精度，對(duì)于砂模打印設(shè)備來說已經(jīng)很不容易了。影響砂模打印尺寸的因素比較多，鋪砂的平整性、噴頭距離砂平面的高度等等，本文主要從墨水的噴射對(duì)砂模尺寸的影響進(jìn)行了分析。

1 砂模打印過程介紹

砂模打印之前要進(jìn)行圖像的預(yù)處理，即獲取打印產(chǎn)品的3D 模型之后，先進(jìn)行模型的布局，將要打印的產(chǎn)品模型按照需求布置在打印平臺(tái)上面，再進(jìn)行切片，將打印平臺(tái)上的3D 模型進(jìn)行切片處理，生成一張張圖片，再將切好的圖片進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成打印系統(tǒng)能夠識(shí)別的圖像格式，打印系統(tǒng)在接收到每張圖片后，會(huì)將圖片保存在緩存區(qū)中，等待打印。具體流程如圖1 所示。

圖1 砂模打印過程

2 影響打印尺寸精度的因素

打印圖像的準(zhǔn)確尺寸源自于三維模型的尺寸，在圖片處理過程中這個(gè)尺寸是不會(huì)變的，但是在下面的幾個(gè)步驟中會(huì)影響圖片的尺寸：

1）圖片格式轉(zhuǎn)換的過程中，由于分辨率的改變，會(huì)導(dǎo)致圖片尺寸的變化，如圖2 所示。

圖2 圖片格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致圖片尺寸變化示例

圖2 中左邊的圖片是X 向和Y 向均為100dpi分辨率的原圖，右邊是X 向是100dpi 分辨率，Y 向是50dpi 分辨率的圖片，兩張圖片都是圓，但是當(dāng)分辨率改變后，圖形就會(huì)由圓形變成了橢圓，這樣的圖片打印在砂面后也會(huì)呈現(xiàn)出一樣的效果，即本來的圓柱體砂型就會(huì)變成橢圓柱體。

2）同等砂型、打印頭條件，噴頭距離砂面的高度過高，會(huì)造成墨滴落點(diǎn)偏差，導(dǎo)致尺寸變化；如圖3 所示。

圖3 高度導(dǎo)致墨滴低落點(diǎn)偏差示例

從打印頭噴孔噴出的墨滴體積很小，在70 pl～80 pl 之間，噴出的速度為6 m/s～8 m/s 之間，在噴射過程中，如果噴射的距離短，那么墨滴的飛行軌跡就會(huì)沿打印頭與砂面之間最短的直線滑行，近似垂直于砂面，如圖3a）所示；如果噴射的距離較遠(yuǎn)，即打印頭與砂面的距離太遠(yuǎn)，墨滴在噴射過程中容易受到周圍氣流的影響，墨滴軌跡呈拋物線狀，落點(diǎn)與砂面不能保持垂直，造成尺寸誤差，如圖3b）所示。

3）墨滴的滲透性對(duì)尺寸造成一定的影響。墨滴噴射到砂面上以后，會(huì)在砂子中滲透，造成落點(diǎn)周圍一定范圍內(nèi)都會(huì)有墨水，對(duì)于砂模打印來說，如果有一定量的墨水，砂子就會(huì)硬化，這樣對(duì)于本不該硬化的砂子發(fā)生硬化與砂模的主體粘連到一起，造成砂模主體尺寸的變化，如圖4 所示。

圖4 墨滴滲透粘連示例

墨滴在砂面上落下后，開始向周圍擴(kuò)散，造成墨滴周圍的砂子接觸到了墨水，發(fā)生硬化，造成砂模主體尺寸擴(kuò)大，如圖5 所示。

圖5 墨滴擴(kuò)散導(dǎo)致砂模主體尺寸擴(kuò)大示意圖

3 解決措施

針對(duì)不同的影響因素，應(yīng)該有不同的解決方法，針對(duì)因?yàn)榉直媛试斐傻某叽缯`差，應(yīng)該在圖像轉(zhuǎn)換時(shí)注意，將分辨率根據(jù)打印的要求設(shè)置好之后再做轉(zhuǎn)換，這樣一來，只要打印的分辨率和圖片本身的分辨率相匹配，那么砂模的尺寸就不會(huì)因?yàn)榉直媛实漠愅a(chǎn)生大的誤差。

針對(duì)墨滴漂移造成的尺寸誤差，首先，要開發(fā)一個(gè)最佳的波形文件來驅(qū)動(dòng)噴頭噴墨，好的波形文件，可以噴射出速度高、散點(diǎn)少的墨滴，由于墨滴初速度較高，可以抵消一部分由于噴射距離遠(yuǎn)而受到的空氣影響，其次，要將噴頭與墨滴目標(biāo)落點(diǎn)的距離調(diào)整適中，讓墨滴盡量在空中飛行的距離減到最小，由此來保證墨滴的精準(zhǔn)落點(diǎn)，圖6a）中使用的是一種波形，驅(qū)動(dòng)的墨滴初速度較低，因此，墨滴的落點(diǎn)距離墨滴的目標(biāo)位置較遠(yuǎn)，圖6b）中使用的是另一種波形，墨滴的初速度較高，因此墨滴的落點(diǎn)距離墨滴的目標(biāo)位置較近，所以b）圖的誤差就比a）圖的誤差小，因此，開發(fā)一個(gè)好的波形文件對(duì)砂型的尺寸精度有好的改善。

圖6 不同波形驅(qū)動(dòng)的不同墨滴速度對(duì)落點(diǎn)尺寸造成的影響

對(duì)于墨滴擴(kuò)散造成的尺寸誤差，可以制作幾個(gè)砂模，砂模上做幾個(gè)不同尺寸的縫隙，上機(jī)打印，測量打印后的成品砂?？p隙寬度和理論數(shù)據(jù)對(duì)比，多測量幾組數(shù)據(jù)，取平均值，得出墨水滲透的凈誤差，如圖7 所示。

圖7 砂模設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際尺寸誤差對(duì)比

圖7a）圖形為設(shè)計(jì)的砂模實(shí)體，中間的縫隙寬度為5 mm，b）圖為實(shí)際打印出的砂模，測量尺寸為4.3 mm，縫隙的寬度比理論寬度小0.7 mm，這就說明是由于墨滴的擴(kuò)散導(dǎo)致理論尺寸以外的砂子發(fā)生了硬化，使砂模本身的尺寸增加了0.7 mm，墨滴的擴(kuò)散是向四周滲透的，因此，這種增加是雙向的，也就說要將砂模的尺寸回復(fù)到理論值，需要單向減少0.35 mm.這樣，就確定了由于墨滴的擴(kuò)散造成的尺寸誤差值，切片后的圖像在進(jìn)行尺寸偏移補(bǔ)償時(shí)將這個(gè)值加在補(bǔ)償值中，使圖像的整體向中間收縮，補(bǔ)償了墨滴擴(kuò)散造成的尺寸增加值。

4 結(jié)論

3D 打印的砂模主要應(yīng)用于鑄造行業(yè)，對(duì)于尺寸的精度要求不是很高，因?yàn)殍T件后期還要打磨，但是尺寸的誤差也不能太大，能保持在±0.3 mm 以內(nèi)就可以了，通過采取相應(yīng)的措施，能夠控制住影響砂模尺寸的大部分因素，再加上運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度的保證，整個(gè)砂模的尺寸能夠保證在允許的范圍。