3DP 砂型打印机一种铺砂方式的探讨

秦坤杰

（山东冀凯装备制造有限公司，山东潍坊 261100）

砂型3DP 打印机是目前比较先进的设备，几乎可以实现任意形状的砂芯打印。打印机工作时先用铺砂器铺一层砂，然后喷头在砂面上喷出图案，如此反复进行就可以堆叠打印出所需的砂芯。

1 研制目标和问题

开发砂型3DP 打印机，铺砂器是关键点。铺砂器具有两个主要功能，将储存的砂子均匀落到砂面上，然后将落下的砂子刮平。为了实现这两个功能，设计了刮板式铺砂器。实验中发现铺砂器砂子落砂和铺平正常，喷头正常打印，但打印后取出的砂芯变形，出现与铺砂移动方向相同的图形按铺砂厚度平移错位，见图1。

图1 错位砂芯

分析原因如下：铺砂器刮板刮动表层砂子时，砂子之间的摩擦力带动下层砂子一起产生水平位移。砂子颗粒形状会影响砂子的流动性，实验采用圆形砂减小砂子之间的摩擦力[1]。铺砂器包含储砂斗、刮砂板和前挡板,如图2 所示。储砂斗内砂子落下至已完成铺砂层，前挡板与已完成的铺砂层靠安息角自动密封砂子，刮砂板将砂面刮平。铺砂器沿铺砂方向移动，砂子一边下落，一边被刮砂板刮平，每次铺砂在已完成铺砂层上增加一个铺砂单层厚度。刮板至前挡板处密封的砂子相对已完成的铺砂层有相对运动，砂子之间的摩擦力带动下层砂子产生位移，砂子位移大小与相互摩擦的砂子面积成正比，从砂子相互摩擦面向深处逐渐减小。图2 中，A 代表铺砂单层厚度，B 代表前挡板距离已铺砂面高度，C 代表落砂口宽度。

图2 铺砂时下层砂子位移示意图

2 实验过程

为了解决图形变形问题，设计了实验进行验证。实验使用陶粒砂，混入0.5%固化剂搅拌均匀后进行铺砂。

实验1：铺砂层厚0.6mm，落砂口宽度16mm，前挡板距离已完成铺砂面垂直距离10mm。

实验结果见图3，图形变形严重，每层沿铺砂方向推移3～5mm。

图3 图形变形严重的试块

分析：落砂口太宽，刮板前方长期推动砂子量太大，砂子之间摩擦带动下层砂子产生大量位移。

实验2：铺砂层厚0.6mm，落砂口宽度5mm，前挡板距离刮板垂直距离5mm。

实验结果见图4，图样完整但轮廓不清晰，铺砂方向仍然能有微小位移，仔细观察铺砂器移动到终点时有少量砂子掉落，判断是砂子在刮板前方“起堆”，造成表层砂面摩擦力增大，砂子位移传递到下层已经打印的砂面造成图形推移变形。

图4 图形变形轻微的试块

图5 前挡板堆积砂示意图

实验3：铺砂层厚0.6mm，落砂口宽度5mm，前挡板距离已铺砂面高度2mm。

实验结果见图6，打印试块图形完整，轮廓清晰，尺寸合格，经过各项测量评定满足使用要求[2]。

图6 轮廓清晰的试块

3 结论

（1）刮板方式铺砂完全能够实用，满足工业生产。

（2）为了减少打印图形推移变形，应在满足落砂量的同时尽量减小落砂口宽度。前挡板高度稍微高出刮砂板底面即可，太高会因砂子流动性太好在落砂口前方堆积后增加摩擦力，使下层已打印图形的砂子产生位移，产生图形变形。

（3）理论上选用圆度较高的砂子，因层间摩擦力较小，可以提高形状精度。铺砂器结构各部分参数还需根据自身实际情况再调整。