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3D 打印近幾年來發(fā)展速度很快，各種3D 打印設備層出不窮，但成型原理基本類似。應用于鑄造行業(yè)的砂模3D 打印設備是通過掃描噴墨，逐層疊加的方式成型的，鋪一層砂，噴一次黏結劑，再鋪砂，再噴黏結劑，這樣往復運動，最終打印完所有的圖形。砂模3D 打印能夠完成各種復雜件的成型，成型尺寸精度能夠保證在±0.3 mm 以內，能夠做到這個精度，對于砂模打印設備來說已經很不容易了。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砂模尺寸的影響進行了分析。

1 砂模打印過程介紹

砂模打印之前要進行圖像的預處理，即獲取打印產品的3D 模型之后，先進行模型的布局，將要打印的產品模型按照需求布置在打印平臺上面，再進行切片，將打印平臺上的3D 模型進行切片處理，生成一張張圖片，再將切好的圖片進行格式轉換，轉換成打印系統能夠識別的圖像格式，打印系統在接收到每張圖片后，會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

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

1）圖片格式轉換的過程中，由于分辨率的改變，會導致圖片尺寸的變化，如圖2 所示。

圖2 圖片格式轉換導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，但是當分辨率改變后，圖形就會由圓形變成了橢圓，這樣的圖片打印在砂面后也會呈現出一樣的效果，即本來的圓柱體砂型就會變成橢圓柱體。

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

圖3 高度導致墨滴低落點偏差示例

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，即打印頭與砂面的距離太遠，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）墨滴的滲透性對尺寸造成一定的影響。墨滴噴射到砂面上以后，會在砂子中滲透，造成落點周圍一定范圍內都會有墨水，對于砂模打印來說，如果有一定量的墨水，砂子就會硬化，這樣對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大，如圖5 所示。

圖5 墨滴擴散導致砂模主體尺寸擴大示意圖

3 解決措施

針對不同的影響因素，應該有不同的解決方法，針對因為分辨率造成的尺寸誤差，應該在圖像轉換時注意，將分辨率根據打印的要求設置好之后再做轉換，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因為分辨率的異同而產生大的誤差。

針對墨滴漂移造成的尺寸誤差，首先，要開發(fā)一個最佳的波形文件來驅動噴頭噴墨，好的波形文件，可以噴射出速度高、散點少的墨滴，由于墨滴初速度較高，可以抵消一部分由于噴射距離遠而受到的空氣影響，其次，要將噴頭與墨滴目標落點的距離調整適中，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落點，圖6a）中使用的是一種波形，驅動的墨滴初速度較低，因此，墨滴的落點距離墨滴的目標位置較遠，圖6b）中使用的是另一種波形，墨滴的初速度較高，因此墨滴的落點距離墨滴的目標位置較近，所以b）圖的誤差就比a）圖的誤差小，因此，開發(fā)一個好的波形文件對砂型的尺寸精度有好的改善。

圖6 不同波形驅動的不同墨滴速度對落點尺寸造成的影響

對于墨滴擴散造成的尺寸誤差，可以制作幾個砂模，砂模上做幾個不同尺寸的縫隙，上機打印，測量打印后的成品砂模縫隙寬度和理論數據對比，多測量幾組數據，取平均值，得出墨水滲透的凈誤差，如圖7 所示。

圖7 砂模設計尺寸與實際尺寸誤差對比

圖7a）圖形為設計的砂模實體，中間的縫隙寬度為5 mm，b）圖為實際打印出的砂模，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散導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散造成的尺寸誤差值，切片后的圖像在進行尺寸偏移補償時將這個值加在補償值中，使圖像的整體向中間收縮，補償了墨滴擴散造成的尺寸增加值。

4 結論

3D 打印的砂模主要應用于鑄造行業(yè)，對于尺寸的精度要求不是很高，因為鑄件后期還要打磨，但是尺寸的誤差也不能太大，能保持在±0.3 mm 以內就可以了，通過采取相應的措施，能夠控制住影響砂模尺寸的大部分因素，再加上運動機構精度的保證，整個砂模的尺寸能夠保證在允許的范圍。