張?zhí)鞊P(yáng)，彭 凡，撖俊虎，劉 軼，馬 睿

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1 背景

3D 打印設(shè)備作為目前鑄造轉(zhuǎn)型路上最前沿的技術(shù)，已經(jīng)逐漸被各大企業(yè)應(yīng)用于工業(yè)化領(lǐng)域。整機(jī)設(shè)備由鋪平機(jī)構(gòu)、打印、混砂等幾個(gè)關(guān)鍵部分組成，其中鋪平機(jī)構(gòu)作為設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，起到了至關(guān)重要的作用。鋪平機(jī)構(gòu)對(duì)打印產(chǎn)品的質(zhì)量影響是最直觀的，同時(shí)鋪平機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)工藝參數(shù)也直接影響著打印產(chǎn)品的密度、強(qiáng)度參數(shù)。鋪平機(jī)構(gòu)是整個(gè)3DP 設(shè)備的大部件之一，主要是對(duì)進(jìn)入料槽中含有固化劑的原材料通過螺旋桿進(jìn)行輸送，使儲(chǔ)料槽中的打印原材料均勻分布，在整個(gè)打印過程中，原材料的使用是從頭至尾不間斷的，鋪平機(jī)構(gòu)的運(yùn)作是穿插在整個(gè)打印過程中的，鋪平機(jī)構(gòu)的工藝、參數(shù)是直接影響到打印進(jìn)程的效率和打印出來的砂芯質(zhì)量，鋪平機(jī)構(gòu)是3DP 設(shè)備中重要的一環(huán)節(jié)。

而在鋪平機(jī)構(gòu)設(shè)備上，目前最棘手的問題就是工作表面與鋪平機(jī)構(gòu)直接接觸的黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的產(chǎn)生和去除問題。黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)本身是由樹脂固化劑反應(yīng)生成的物質(zhì)，生成的物質(zhì)會(huì)不斷積累，附著在直接接觸的平面上，難以去除，并且難以控制。鋪平機(jī)構(gòu)上的刮砂板是直接與砂面接觸的部件，因此對(duì)生產(chǎn)出來的砂型質(zhì)量影響是最直接的。對(duì)以上黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的問題，有必要做深入研究。

2 鋪平機(jī)構(gòu)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

鋪平機(jī)構(gòu)，又叫做鋪砂器。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋪平機(jī)構(gòu)組成圖

圖2 鋪平機(jī)構(gòu)橫向剖面圖

2.2 鋪平機(jī)構(gòu)下料及鋪平方式

儲(chǔ)料槽中儲(chǔ)存的砂子，通過設(shè)計(jì)好角度、結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)料槽與通道，將原材料可控的下落到工作面上，在此過程中鋪平機(jī)構(gòu)做往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，將持續(xù)下落的原材料，均勻的鋪在整個(gè)工作面上。在鋪平的過程中，鋪平機(jī)構(gòu)的刮砂板直接與砂面接觸。通常鑄造3D 打印過程使用的原材料為砂子。

3 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)研究

3.1 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)產(chǎn)生過程跟進(jìn)

第一個(gè)階段：表面粗糙，目視有明顯的白色物質(zhì)在刮砂板上，沾水用布很容易擦掉。第一階段產(chǎn)生的時(shí)間大約在1～3h 之間，表面目視明顯可見的霧狀白色物質(zhì)，隨著時(shí)間的增加，厚度逐漸增加。

第二個(gè)階段：部分位置開始泛黃綠色，表面粗糙，出現(xiàn)條紋狀（方向與擦洗方向一致），沾水布不容易擦掉。隨著時(shí)間的增加，表面物質(zhì)的顏色逐漸加深，表面黃色物質(zhì)的厚度也逐漸增加。該階段形成的時(shí)間在3～6h 之間。

第三個(gè)階段：泛黃的地方開始成片出現(xiàn)，表面粗糙。6h 后，黃色物質(zhì)的面積逐漸擴(kuò)大，并覆蓋整個(gè)板面。

第四個(gè)階段：泛黃的區(qū)域開始擴(kuò)大，表面粗糙。黃色物質(zhì)粘性消失，取而代之的是凝結(jié)的黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)。使用水、布基本清潔不掉，需要使用平鏟刮掉。

泛黃的區(qū)域開始變黑，表面粗糙度變大，并開始沾砂子。

3.2 樹脂固化劑反應(yīng)原理

呋喃樹脂在機(jī)械工業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用，尤其在鑄造生產(chǎn)中充當(dāng)粘結(jié)劑的作用。液態(tài)的呋喃樹脂遇到酸時(shí)會(huì)發(fā)生縮合反應(yīng)，形成體型結(jié)構(gòu)而固化。在室溫下，將一定量的呋喃樹脂、酸性固化劑、鑄造用砂進(jìn)行混合而自行硬化。在聚合反應(yīng)過程中，分子間縮水聚合，并產(chǎn)生大量的熱量，加上混合的雜質(zhì)中含碳物質(zhì)脫水和加熱，會(huì)導(dǎo)致部分雜質(zhì)碳化并發(fā)黑。呋喃樹脂的反應(yīng)方程式主要分為兩大類，氧化破裂和非氧化破裂。其主要方式如下圖所示[1，2]。

圖3 鋪平機(jī)構(gòu)工作流程圖

圖4 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)產(chǎn)生過程圖

圖5 樹脂反應(yīng)化學(xué)式

同時(shí)參與反應(yīng)的固化劑的組成主要是工業(yè)制備的二甲苯磺酸，二甲苯的工業(yè)制備需要原材料為：二甲苯（工業(yè)級(jí)）、濃硫酸（工業(yè)級(jí)）等，其中濃硫酸具有脫水性，含碳雜質(zhì)很容易出現(xiàn)脫水碳化的現(xiàn)象，從而形成黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)。在鋪平機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中，含碳物質(zhì)逐層的附著在刮砂板上，含碳物質(zhì)在樹脂和固化劑發(fā)生聚合反應(yīng)的過程中脫水碳化，最終積累在刮砂板上，導(dǎo)致成片的黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)產(chǎn)生[5]。

表1 固化劑性能指標(biāo)

3.3 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的分類

按照黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的形成階段，大致分成3 個(gè)類型：（1）前期的白色物質(zhì)；（2）中期的黃色物質(zhì)；（3）后期的黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)。

前期的白色物質(zhì)，較薄一層，附著在刮砂板上，不沾手，不沾砂子刮板表面鏡面反光消失。對(duì)砂型的表面質(zhì)量基本不造成影響。此階段的白色物質(zhì)主要是未發(fā)生反應(yīng)的樹脂、固化劑。

中期的黃色物質(zhì)，是樹脂固化劑反應(yīng)的開始階段，此時(shí)的刮板表面一般較粘稠，容易沾手，容易粘砂子，此階段的黃色物質(zhì)對(duì)打印砂型的質(zhì)量影響最大。

后期的黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)，固化，結(jié)痂而不沾手，此階段的黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)基本為固體，是反應(yīng)基本完成的生成物質(zhì)，此階段的生成物質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，且對(duì)砂型的表面質(zhì)量影響較小。

圖6 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的前、中、后期（左中右）

3.4 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)產(chǎn)生原因分析

原因分析方法采用最基本的人機(jī)料法環(huán)分析法。人機(jī)料法環(huán)是對(duì)全面質(zhì)量管理理論中的五個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡(jiǎn)稱。人，指制造產(chǎn)品的人員；機(jī)，制造產(chǎn)品所用的設(shè)備；料，指制造產(chǎn)品所使用的原材料；法，指制造產(chǎn)品所使用的方法；環(huán)，指產(chǎn)品制造過程中所處的環(huán)境[4]。

人：現(xiàn)場(chǎng)操作人員是否對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，是否有對(duì)黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的產(chǎn)生周期，產(chǎn)生頻率做記錄，出現(xiàn)問題后，是否有及時(shí)的反饋給技術(shù)人員進(jìn)行處理等，現(xiàn)場(chǎng)無人清理——無工藝要求，無文件，無指標(biāo)，執(zhí)行力差。

機(jī)：刮砂板表面粗糙度太大，同時(shí)刮砂板使用壽命低（耐磨材料），刮砂板表面缺少保護(hù)膜。

用于清理刮砂而板設(shè)計(jì)的噴水蠕動(dòng)泵，不噴水或噴水連續(xù)性差，導(dǎo)致清理不干凈，清理不徹底。

料：砂子本身的問題，砂子來料問題，樹脂灰混的較多，導(dǎo)致打印頭噴出的樹脂滲透不下去，停留在表面。

法：沒擦干凈的樹脂——主要是毛巾上的殘留，其次是頂升的力度（壓縮量），需要定時(shí)清理毛巾，或設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)（快換、滾輪循環(huán)）。

清掃刮砂板的清理海綿厚度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致擦洗時(shí)壓縮力度不夠——需要制定更換周期表、點(diǎn)檢記錄表，確保及時(shí)更換。

環(huán)：環(huán)境的溫濕度、車間的空氣質(zhì)量等級(jí)，是否能達(dá)到設(shè)備使用的正常水平。

圖7 魚骨圖[3]

3.5 黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)產(chǎn)生原因

產(chǎn)生的根源：根據(jù)顏色可以看出。其成分主要是樹脂、少部分是固化劑。打印頭在砂面上噴樹脂，噴完大概不到3s，鋪平機(jī)構(gòu)開始鋪砂，砂面上基本上大部分的樹脂都被帶到刮砂板上了。隨后清掃機(jī)構(gòu)開始清理刮砂板，噴出的樹脂殘留在刮砂板上，清掃機(jī)構(gòu)擦掉一大部分，全部殘留在毛巾上，第二次擦拭的時(shí)候，又有一部分被帶到了刮砂板上，再加上砂子里的固化劑，固結(jié)在刮砂板上。

產(chǎn)生原因：（1）沒擦干凈的樹脂；（2）毛巾上殘留的樹脂；（3）頂升行程是可以的，但是海綿厚度隨時(shí)間逐漸變小，導(dǎo)致清潔力度不夠；（4）現(xiàn)場(chǎng)無人清理，逐漸積累；（5）新刮砂板基本不產(chǎn)生黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)，與刮砂板表面粗糙度有關(guān)；（6）噴水的蠕動(dòng)泵不可控，過程中沒有控制，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況很亂，有的噴水，有的根本不噴水，有的噴水量過大；（7）砂子吸附樹脂的能力變差了，導(dǎo)致樹脂浮在表面；（8）現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生推砂、拉砂的情況，導(dǎo)致砂子混合物大量的粘在刮砂板上；（9）刮砂板角度調(diào)整不正確，導(dǎo)致一個(gè)刮砂板接觸到了工作平面，增加了粘砂子的風(fēng)險(xiǎn)。

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 試驗(yàn)安排

跟進(jìn)前期的理論分析調(diào)研，現(xiàn)針對(duì)性的對(duì)以下幾個(gè)方向分別開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：

（1）黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)擦洗優(yōu)化，采用回彈性更好的擦洗緩沖。

（2）黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)擦洗介質(zhì)，采用更耐磨、更廉價(jià)、更有效的材料。

（3）采用噴水更連續(xù)、噴水調(diào)節(jié)范圍更廣的噴頭。

（4）刮砂板采用更耐磨、更優(yōu)質(zhì)的材料。

4.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)項(xiàng)目的介紹如表2 所示。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目介紹

5 結(jié)果與分析

5.1 安裝完成后的效果

整個(gè)過程從人、機(jī)、料、法、環(huán)5 個(gè)角度出發(fā)分析和改善。到目前為止，黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的產(chǎn)生有很明顯的改善。首先通過清掃擦洗布的變更，增加了材料的耐磨性，改善了黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的擦洗效果。通過改善噴霧結(jié)構(gòu)，使得噴霧量、噴霧范圍、噴霧時(shí)間可控，從而使得擦洗布的干濕程度得到控制，最終改善了擦洗第一、第二階段黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的效果。通過改進(jìn)刮砂板表面處理，使得刮砂板變得不容易積累黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)，也降低了黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的產(chǎn)生頻率。

5.2 總結(jié)

本次鋪平機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方向重點(diǎn)在于對(duì)黑色有機(jī)碳鏈物質(zhì)的研究。此問題研究需要達(dá)到的最終效果包括：砂面平整度好、砂面質(zhì)量、砂型質(zhì)量性能高等。鋪平機(jī)構(gòu)裝置的優(yōu)化可以大大提高3D 打印機(jī)整體性能。

鑄造用工業(yè)級(jí)砂型3D 打印設(shè)備新型鋪砂裝置，雖然在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，但是，較國(guó)際頂尖3D 打印機(jī)廠家還有差距，除了人員技術(shù)之外，配套設(shè)備也相對(duì)落后，因此，伴隨著中國(guó)2025 制造理念的誕生，中國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型升級(jí)，作為3D 打印機(jī)核心零部件的鋪砂技術(shù)，更是要向智能化的方向邁進(jìn)。