一种精密铸造树脂模具表面残液去除用高性能设备的研制

摘 要：通过对当前光固化（SLA）3D打印技术制造的，专用于精密铸造工艺使用的树脂模具清洁工序的深入分析，提出一种创新性树脂模具在打印成形后高效、快速和安全的清洁方法，在满足精密铸造工艺对其表面树脂残留少和尺寸形变小的要求的同时，提高了清洁过程的安全性，及降低了使用人员的操作难度。在此基础上，开发出喷淋密闭式清洁设备替代传统浸泡敞开式清洗缸，采用反复喷淋和吹风方式，快速去除表面残留树脂，避免酒精清洁剂等进入内部空腔导致模具变形。采用气动定量供给方式，提高酒精清洁剂使用率并降低大量存储风险。采用多传感器监测、PLC集中控制和人机界面（HMI）可视化操作，实现过程安全自动监测，废液自动回收等多种功能。最后通过测试验证了新清洁方法的可行性和清洁设备的实用性。

关键词：光固化（SLA）；精密铸造；PLC；树脂模具；人机界面（HMI）

中图分类号：TP23

文献标识码：A

Development of a high-performance equipment for removing residual

liquid on the surface of precision casting resin molds

PAN Haoxing

（School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract： On the basis of the current stereo lithography apparatus （SLA） post-processing process，an innovative resin mold cleaning method that is efficient，fast，and safe after printing and forming is proposed. This method not only meets the requirements of low surface resin residue and small size deformation in precision casting technology，but also improves the safety of the cleaning process and reduces the difficulty of operation for users and an spray sealed cleaning equipment has been developed to replace traditional soaking open cleaning cylinders，using repeated spraying and blowing methods to quickly remove residual resin on the surface and prevent alcohol cleaning agents from entering the internal cavity and causing deformation. Alcohol is supplied in pneumatic quantities to increase the usage rate of alcohol cleaning agents and reduce the risk of large-scale storage. By adopting multi-sensor monitoring，PLC control，and human machine interface （HMI） visualization operation，various functions such as process safety automatic monitoring and waste liquid automatic recovery are achieved. Finally，the feasibility of the new cleaning method and the practicality of the cleaning equipment were verified through testing.

Key words： stereo lithography apparatus （SLA）; precision casting; PLC; resin mold; human machine interface （HMI）

0 引 言

随着光敏树脂新材料的不断出现，光固化（SLA）增材技术工艺逐渐由原来的手办摆件^［1-2］、设计验证、牙模鞋模等方面的应用扩展到铸造、陶瓷加工等领域。特别是精密铸造方向，光固化可快速成形高精度并具有复杂结构的模具，替代原来的木模和金属模铸造工艺，得到了迅速、广泛的应用，同时也带来了一些的问题。其中，如何高质量和高安全地清除成形后树脂模具表面的残留尤为突出。

目前，大多数使用者还在用浸泡或擦拭的方式清洁模具表面的残留树脂材料。通常把95%（体积分数）的工业酒精作为清洁剂，在有效溶解树脂的同时也会减弱模具内外表面硬度。由于模具在铸造过程中将通过高温加热去除，要求打印出的模具在保证质量的前提下，所用材料越少越好，为此，用于精密铸造的模具的壁厚都较薄，一般在3 mm左右。由于零件类型较多，不能很好控制每个零件的浸泡时间，将导致其硬度降低，已经成形部分变软而无法使用。同时，浸泡方式存在巨大的安全隐患，其需要至少一台体积比目标模具大的酒精缸存储大量酒精进行浸泡，尽管房间内配有通风装置，但由于酒精用量较大，挥发量也相应增大，酒精具有易燃、易爆、易挥发的物理性质，在此环境下进行清洁操作对操作人员健康安全极为不利。人工擦拭的方式也存在同样的安全问题以及工作效率低的问题。

为此，本文有针对性地建立了合理的操作流程并开发出全新的清洁设备，将原有的清洁过程所用到的装置设备化整为零，统一集成到一体化平台。整个清洁过程在全封闭环境下进行，同时，对酒精的使用采用定量循环闭环自动化监控方式，保障操作过程的安全性和高效性。

1 新型清洁设备开发思路

1.1 现有清洁过程

清洁工序是立体SLA增材制造工艺后处理^［3-4］工序中的重要一环。在产品成形之后，由于树脂材料具有一定的黏度，在产品内外表面都会附着一定量的树脂材料，需要及时和彻底地对其进行清洁，除去多余的树脂和清洁剂残留，让表面清洁干燥，以保证产品的尺寸精度，如图1所示。

目前清洁过程中主要用到的器材包括：清洁剂、清洁容器、排风装置和清洁工具

清洁剂：采用95%（体积分数）以上的高浓度工业酒精，其对树脂材料具有较高的溶解性，和不附着产品表面的挥发性，被广泛使用。由于其易挥发和燃点低的特性，也带来潜在的安全风险，但暂无其他合适的替代品。

清洁容器：采用自制金属容器或超声波清洗机存储大量酒精，通过浸泡的方式清洁产品。例如500 mm×500 mm×500 mm的产品至少需要约100 kg的酒精。大量酒精开放式存储安全隐患巨大，操作环境气味刺鼻，对操作人员十分不利。同时，容器不具备循环过滤功能，需要多次更换酒精溶剂，生产效率较低。

排风装置：使用吊扇固定在室内顶部，无有效的密封措施，酒精蒸汽还是可以在工作空间中扩散，不能完全清除，并且直接排出室外在夏季高温下也存在一定爆燃的风险。

清洁工具：主要是各种型号的毛刷，在酒精缸内手工对产品表面进行往复洗刷后，由于酒精的腐蚀性，刷毛大量掉落在酒精溶液内，降低其清洁效果并缩短了使用时间。

1.2 新型清洁设备开发定位

新型清洁设备专为铸造用树脂模具设计，旨在提高清洁效率和清洁质量，并保证使用过程的安全性，如图2所示。

（1） 一体化：将清洁过程包含的各步骤动作和控制功能集成到统一平台上进行操作。整体采用全封闭设计，有效避免因酒精挥发导致的安全隐患。

（2） 高效率：采用喷淋和风吹的方式代替浸泡对产品进行清洁，可有效降低并控制酒精用量，减少浪费和大量酒精的存放风险，并且酒精和树脂混合液可以进行过滤再利用。对比浸泡，即能保证清洁效果，又能提高清洁效率。

（3） 高安全：采用多种方法提高操作过程的安全性。建立定量存取酒精溶剂方法及闭环操作；全密闭设计降低酒精气体向外扩散；定向实时抽取酒精混合气体并过滤排放无污染；内外双重监测酒精溶剂浓度，自动执行安防动作；全部电控电气防爆设计。

（4） 易操作：采用图形化人机交互方式进行设备操作。PLC^［5］对清洁全过程进行自动闭环控制。用户通过人机界面（HMI）^［6］设置工艺参数并可进行一键式喷淋操作，极大提高工作效率。

2 新型清洁设备开发主要内容

2.1 硬件组成

清洁设备整体外观及组成如图3所示。

A. 负压通风过滤模块：由变频风扇、温湿度传感器、导流板等组成。采用自适应风扇排风，可通过酒精浓度自动调速，保证工作区域始终保持微负压，酒精气体不会外溢到室内。同时，吸出的混合气体通过过滤器将酒精滤除，并排出清洁气体。

B. 清洁处理模块：提供产品密闭清洁空间和可切换清洁工具。设备顶设置多种型号和数量的喷嘴，用户可根据产品种类不同进行喷淋策略设定。同时，对于特殊部位可使用酒精喷枪和压缩气枪进行清洁处理，保证其内外表面清洁干燥。

C. 交互控制模块：外部由HMI触摸屏、按钮和脚踏组成电控单元；内部由电气元件和PLC组成电气单元。两部分均采用防爆设计，能够有效提高设备操作和运行的安全性。

D. 溶剂控制模块：能够对酒精溶剂进行供给，回收和循环过滤。主要包括，溶剂存储器、多位置液位传感器、供气管路、压力调节器、称重传感器、循环酒精泵、酒精浓度传感器等^［7］，能实时提醒酒精存量和可循环使用次数。

2.2 核心功能实现

新型清洁设备的核心功能主要包括：负压自适应通风、溶剂定量供给、收集和循环过滤、集成式图形化交互。

2.2.1 负压自适应通风

酒精浓度传感器发送0～10 V的DC模拟量信号给PLC控制器，PLC程序将其转化为酒精浓度^［8］危险最低值（0～100%），根据不同的数值驱动变频风扇以不同的转速运转。同时接收风扇编码器传回的脉冲信号^［9］，实时闭环调节风扇转速^［10］，如图4所示。

压缩空气管道或者压缩空气机均可为溶剂存储器提供气体压力，作为喷淋溶液的动力源，稳压阀压力值可在0.5～0.8 MPa范围内进行设定。

溶剂存储器内装3个位置传感器，对现有溶剂液面高、中、低3个位置进行监测。高位提示停止加注；中位提示剩余用量；低位提示需要加注。废液收集器安装在称重传感器上，废液质量数据将发送给PLC，其将与预先设定的能够收集最大废液限值（实际容纳废液最大值的90％）进行对比，并执行相应动作，如图5所示。

当PLC上电时，首先判断溶剂液位并给出对应提示。如果存有废液则提示处理废液，直到其重量低于最低限值（实际容纳废液最大值的１％）。在清洁过程中，将根据存储器中的酒精存量，启停酒精循环过滤泵，对其进行溶剂补充，并且记录循环次数和监测过滤器压差，保证过滤后的酒精溶剂质量^［11］，如图6所示。

2.2.2 集成图形化人机交互

采用西门子PLC Smart200作为数据分析处理核心控制器，触摸屏IE700作为人机数据交互平台。分别使用梯形图^［12］和WinCC组态软件^［13］进行编程实现。其将所有核心参数信息都集成到图形化界面^［14］上，供人机交互使用并且进行自动监控和动作执行。

3 清洁设备实体和测试效果

3.1 清洁设备实体

清洁设备中匹配了容量为30 L的溶剂存储器，能够进行至少10次循环清洁使用，相当于原来清洁方式使用效率的3倍，如图7所示。

3.2 实测清洁效果对比

采用新型清洁设备的喷淋式与传统浸泡式两种清洁方式，对一大一小2个精密铸造树脂模具进行清洁、对比，结果如表1所示：新型清洁设备和方法在各方面都有明显优势。

4 结 语

本文开发了一种精密铸造树脂模具专用的光固化后处理清洁设备，采用全新的喷淋清洁方式，其对比传统浸泡清洁，具有系统一体化、高效率、高安全和易操作的优势。其填补了国内外薄壁树脂模具高质量高效清洁后处理的技术空白。通过多种类型模具的测试对比，实际验证了其清洁效果。完全可以替代薄壁传统浸泡式清洁方式。

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