摘 要：通過對當前光固化（SLA）3D打印技術(shù)制造的，專用于精密鑄造工藝使用的樹脂模具清潔工序的深入分析，提出一種創(chuàng)新性樹脂模具在打印成形后高效、快速和安全的清潔方法，在滿足精密鑄造工藝對其表面樹脂殘留少和尺寸形變小的要求的同時，提高了清潔過程的安全性，及降低了使用人員的操作難度。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出噴淋密閉式清潔設(shè)備替代傳統(tǒng)浸泡敞開式清洗缸，采用反復(fù)噴淋和吹風(fēng)方式，快速去除表面殘留樹脂，避免酒精清潔劑等進入內(nèi)部空腔導(dǎo)致模具變形。采用氣動定量供給方式，提高酒精清潔劑使用率并降低大量存儲風(fēng)險。采用多傳感器監(jiān)測、PLC集中控制和人機界面（HMI）可視化操作，實現(xiàn)過程安全自動監(jiān)測，廢液自動回收等多種功能。最后通過測試驗證了新清潔方法的可行性和清潔設(shè)備的實用性。

關(guān)鍵詞：光固化（SLA）；精密鑄造；PLC；樹脂模具；人機界面（HMI）

中圖分類號：TP23

文獻標識碼：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

隨著光敏樹脂新材料的不斷出現(xiàn)，光固化（SLA）增材技術(shù)工藝逐漸由原來的手辦擺件^［1-2］、設(shè)計驗證、牙模鞋模等方面的應(yīng)用擴展到鑄造、陶瓷加工等領(lǐng)域。特別是精密鑄造方向，光固化可快速成形高精度并具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具，替代原來的木模和金屬模鑄造工藝，得到了迅速、廣泛的應(yīng)用，同時也帶來了一些的問題。其中，如何高質(zhì)量和高安全地清除成形后樹脂模具表面的殘留尤為突出。

目前，大多數(shù)使用者還在用浸泡或擦拭的方式清潔模具表面的殘留樹脂材料。通常把95%（體積分數(shù)）的工業(yè)酒精作為清潔劑，在有效溶解樹脂的同時也會減弱模具內(nèi)外表面硬度。由于模具在鑄造過程中將通過高溫加熱去除，要求打印出的模具在保證質(zhì)量的前提下，所用材料越少越好，為此，用于精密鑄造的模具的壁厚都較薄，一般在3 mm左右。由于零件類型較多，不能很好控制每個零件的浸泡時間，將導(dǎo)致其硬度降低，已經(jīng)成形部分變軟而無法使用。同時，浸泡方式存在巨大的安全隱患，其需要至少一臺體積比目標模具大的酒精缸存儲大量酒精進行浸泡，盡管房間內(nèi)配有通風(fēng)裝置，但由于酒精用量較大，揮發(fā)量也相應(yīng)增大，酒精具有易燃、易爆、易揮發(fā)的物理性質(zhì)，在此環(huán)境下進行清潔操作對操作人員健康安全極為不利。人工擦拭的方式也存在同樣的安全問題以及工作效率低的問題。

為此，本文有針對性地建立了合理的操作流程并開發(fā)出全新的清潔設(shè)備，將原有的清潔過程所用到的裝置設(shè)備化整為零，統(tǒng)一集成到一體化平臺。整個清潔過程在全封閉環(huán)境下進行，同時，對酒精的使用采用定量循環(huán)閉環(huán)自動化監(jiān)控方式，保障操作過程的安全性和高效性。

1 新型清潔設(shè)備開發(fā)思路

1.1 現(xiàn)有清潔過程

清潔工序是立體SLA增材制造工藝后處理^［3-4］工序中的重要一環(huán)。在產(chǎn)品成形之后，由于樹脂材料具有一定的黏度，在產(chǎn)品內(nèi)外表面都會附著一定量的樹脂材料，需要及時和徹底地對其進行清潔，除去多余的樹脂和清潔劑殘留，讓表面清潔干燥，以保證產(chǎn)品的尺寸精度，如圖1所示。

目前清潔過程中主要用到的器材包括：清潔劑、清潔容器、排風(fēng)裝置和清潔工具

清潔劑：采用95%（體積分數(shù)）以上的高濃度工業(yè)酒精，其對樹脂材料具有較高的溶解性，和不附著產(chǎn)品表面的揮發(fā)性，被廣泛使用。由于其易揮發(fā)和燃點低的特性，也帶來潛在的安全風(fēng)險，但暫無其他合適的替代品。

清潔容器：采用自制金屬容器或超聲波清洗機存儲大量酒精，通過浸泡的方式清潔產(chǎn)品。例如500 mm×500 mm×500 mm的產(chǎn)品至少需要約100 kg的酒精。大量酒精開放式存儲安全隱患巨大，操作環(huán)境氣味刺鼻，對操作人員十分不利。同時，容器不具備循環(huán)過濾功能，需要多次更換酒精溶劑，生產(chǎn)效率較低。

排風(fēng)裝置：使用吊扇固定在室內(nèi)頂部，無有效的密封措施，酒精蒸汽還是可以在工作空間中擴散，不能完全清除，并且直接排出室外在夏季高溫下也存在一定爆燃的風(fēng)險。

清潔工具：主要是各種型號的毛刷，在酒精缸內(nèi)手工對產(chǎn)品表面進行往復(fù)洗刷后，由于酒精的腐蝕性，刷毛大量掉落在酒精溶液內(nèi)，降低其清潔效果并縮短了使用時間。

1.2 新型清潔設(shè)備開發(fā)定位

新型清潔設(shè)備專為鑄造用樹脂模具設(shè)計，旨在提高清潔效率和清潔質(zhì)量，并保證使用過程的安全性，如圖2所示。

（1） 一體化：將清潔過程包含的各步驟動作和控制功能集成到統(tǒng)一平臺上進行操作。整體采用全封閉設(shè)計，有效避免因酒精揮發(fā)導(dǎo)致的安全隱患。

（2） 高效率：采用噴淋和風(fēng)吹的方式代替浸泡對產(chǎn)品進行清潔，可有效降低并控制酒精用量，減少浪費和大量酒精的存放風(fēng)險，并且酒精和樹脂混合液可以進行過濾再利用。對比浸泡，即能保證清潔效果，又能提高清潔效率。

（3） 高安全：采用多種方法提高操作過程的安全性。建立定量存取酒精溶劑方法及閉環(huán)操作；全密閉設(shè)計降低酒精氣體向外擴散；定向?qū)崟r抽取酒精混合氣體并過濾排放無污染；內(nèi)外雙重監(jiān)測酒精溶劑濃度，自動執(zhí)行安防動作；全部電控電氣防爆設(shè)計。

（4） 易操作：采用圖形化人機交互方式進行設(shè)備操作。PLC^［5］對清潔全過程進行自動閉環(huán)控制。用戶通過人機界面（HMI）^［6］設(shè)置工藝參數(shù)并可進行一鍵式噴淋操作，極大提高工作效率。

2 新型清潔設(shè)備開發(fā)主要內(nèi)容

2.1 硬件組成

清潔設(shè)備整體外觀及組成如圖3所示。

A. 負壓通風(fēng)過濾模塊：由變頻風(fēng)扇、溫濕度傳感器、導(dǎo)流板等組成。采用自適應(yīng)風(fēng)扇排風(fēng)，可通過酒精濃度自動調(diào)速，保證工作區(qū)域始終保持微負壓，酒精氣體不會外溢到室內(nèi)。同時，吸出的混合氣體通過過濾器將酒精濾除，并排出清潔氣體。

B. 清潔處理模塊：提供產(chǎn)品密閉清潔空間和可切換清潔工具。設(shè)備頂設(shè)置多種型號和數(shù)量的噴嘴，用戶可根據(jù)產(chǎn)品種類不同進行噴淋策略設(shè)定。同時，對于特殊部位可使用酒精噴槍和壓縮氣槍進行清潔處理，保證其內(nèi)外表面清潔干燥。

C. 交互控制模塊：外部由HMI觸摸屏、按鈕和腳踏組成電控單元；內(nèi)部由電氣元件和PLC組成電氣單元。兩部分均采用防爆設(shè)計，能夠有效提高設(shè)備操作和運行的安全性。

D. 溶劑控制模塊：能夠?qū)凭軇┻M行供給，回收和循環(huán)過濾。主要包括，溶劑存儲器、多位置液位傳感器、供氣管路、壓力調(diào)節(jié)器、稱重傳感器、循環(huán)酒精泵、酒精濃度傳感器等^［7］，能實時提醒酒精存量和可循環(huán)使用次數(shù)。

2.2 核心功能實現(xiàn)

新型清潔設(shè)備的核心功能主要包括：負壓自適應(yīng)通風(fēng)、溶劑定量供給、收集和循環(huán)過濾、集成式圖形化交互。

2.2.1 負壓自適應(yīng)通風(fēng)

酒精濃度傳感器發(fā)送0～10 V的DC模擬量信號給PLC控制器，PLC程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為酒精濃度^［8］危險最低值（0～100%），根據(jù)不同的數(shù)值驅(qū)動變頻風(fēng)扇以不同的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。同時接收風(fēng)扇編碼器傳回的脈沖信號^［9］，實時閉環(huán)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速^［10］，如圖4所示。

壓縮空氣管道或者壓縮空氣機均可為溶劑存儲器提供氣體壓力，作為噴淋溶液的動力源，穩(wěn)壓閥壓力值可在0.5～0.8 MPa范圍內(nèi)進行設(shè)定。

溶劑存儲器內(nèi)裝3個位置傳感器，對現(xiàn)有溶劑液面高、中、低3個位置進行監(jiān)測。高位提示停止加注；中位提示剩余用量；低位提示需要加注。廢液收集器安裝在稱重傳感器上，廢液質(zhì)量數(shù)據(jù)將發(fā)送給PLC，其將與預(yù)先設(shè)定的能夠收集最大廢液限值（實際容納廢液最大值的90％）進行對比，并執(zhí)行相應(yīng)動作，如圖5所示。

當PLC上電時，首先判斷溶劑液位并給出對應(yīng)提示。如果存有廢液則提示處理廢液，直到其重量低于最低限值（實際容納廢液最大值的１％）。在清潔過程中，將根據(jù)存儲器中的酒精存量，啟停酒精循環(huán)過濾泵，對其進行溶劑補充，并且記錄循環(huán)次數(shù)和監(jiān)測過濾器壓差，保證過濾后的酒精溶劑質(zhì)量^［11］，如圖6所示。

2.2.2 集成圖形化人機交互

采用西門子PLC Smart200作為數(shù)據(jù)分析處理核心控制器，觸摸屏IE700作為人機數(shù)據(jù)交互平臺。分別使用梯形圖^［12］和WinCC組態(tài)軟件^［13］進行編程實現(xiàn)。其將所有核心參數(shù)信息都集成到圖形化界面^［14］上，供人機交互使用并且進行自動監(jiān)控和動作執(zhí)行。

3 清潔設(shè)備實體和測試效果

3.1 清潔設(shè)備實體

清潔設(shè)備中匹配了容量為30 L的溶劑存儲器，能夠進行至少10次循環(huán)清潔使用，相當于原來清潔方式使用效率的3倍，如圖7所示。

3.2 實測清潔效果對比

采用新型清潔設(shè)備的噴淋式與傳統(tǒng)浸泡式兩種清潔方式，對一大一小2個精密鑄造樹脂模具進行清潔、對比，結(jié)果如表1所示：新型清潔設(shè)備和方法在各方面都有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了一種精密鑄造樹脂模具專用的光固化后處理清潔設(shè)備，采用全新的噴淋清潔方式，其對比傳統(tǒng)浸泡清潔，具有系統(tǒng)一體化、高效率、高安全和易操作的優(yōu)勢。其填補了國內(nèi)外薄壁樹脂模具高質(zhì)量高效清潔后處理的技術(shù)空白。通過多種類型模具的測試對比，實際驗證了其清潔效果。完全可以替代薄壁傳統(tǒng)浸泡式清潔方式。

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