王佳明，周志軍，毛春生，郝 鵬，王 力，趙 龍，田永剛

（1.共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750001；2.共享智能鑄造產業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

將3D 砂型打印技術應用于工業(yè)領域，并且實現(xiàn)規(guī)?；纳a，目前已經(jīng)成為現(xiàn)實。3D 打印具有更少的人工投入、高效、更智能、更便捷以及工作環(huán)境更干凈整潔的特點，更加適合現(xiàn)代化工業(yè)領域的應用。

為更好的服務于工業(yè)領域，3D 砂型打印技術也在向著更高效率、更大規(guī)模的方向發(fā)展。與此同時，效率的提升需要結合各個工序的特點，進行整體的優(yōu)化考慮，對于這些問題本文進行了詳細的說明和分析，明確了未來3D 打印技術在工業(yè)領域進行效率提升的努力方向。

1 提升3D 打印設備工作效率

3D 砂型打印技術，需預先將要打印的模型進行分層處理，三維模型通過切片軟件進行切片分層，每一層的形狀即為3D 打印機需要完成噴涂的圖形。噴涂的材料為粘合劑，每一層被噴涂部分與相鄰層面噴涂的部分進行粘合，所有層完成噴涂之后，已粘合的部分就組成了完整的模型。

所以，如果僅從提升3D 打印設備工作效率的方面考慮，需要縮短模型成型時間，提升單位時間內模型的成型體積。

1.1 增大設備規(guī)模

此方法主要通過提升單層成型面積，需要改進鋪砂裝置，加長鋪砂裝置尺寸。與此同時，還需增加打印頭噴射粘合劑的面積。鋪砂面積與打印頭面積同時提升，兩者相互配合。但兩者的結構尺寸僅在一定程度上可提高成型效率，持續(xù)增大兩種部件的尺寸則會帶來其他問題，如精度在設備長期運行過程中難以保持穩(wěn)定。隨著部件尺寸的增加，機械精度的控制難度也同時增加，為平衡各裝置尺寸增加帶來的問題，單層的成型時間也會受到一定影響。

1.2 控制模型的層厚

通過控制模型的切片層厚，在打印過程中控制每一層鋪設砂子的厚度。通過增加鋪砂厚度，減少模型分層數(shù)量，也可縮短整體模型的成型時間，提高效率。但同時，最直觀的影響則是成型砂型的精度。

對于打印精度要求不高的砂型，此方法影響不大。打印時間雖然縮短了，但模型的成型精度也隨之降低，未從根本上起到作用，綜合評估此方法不可行。

1.3 縮短成型所需時間

效率（L/H）=成型體積/所需時間=（工作箱長×工作箱寬×層厚）/單層耗時。

可知，若不改變結構，則需要通過縮短單層成型時間提高效率。但在此基礎上，單層鋪砂的均勻性和粘合劑噴涂的速度都是需要改進的難點。

原參數(shù)及指標：

鋪砂速度：380mm/s；粘合劑噴涂速度：720mm/s；層耗時20s。

優(yōu)化后參數(shù)及指標：

鋪砂速度：600mm/s；粘合劑噴涂速度：900mm/s；層耗時14s。

試驗測算效率提升了30%。

2 優(yōu)化打印流程

3D 打印機的運行分為工作時間和非工作時間。工作時間打印機根據(jù)三維模型切片的圖形，完成每一層的鋪砂和打印，最終堆疊實現(xiàn)完整的砂型。非工作時間，包含打印結束后成型砂型的清理，設備的保養(yǎng)和清潔。因此提升3D 打印機的整體工作效率，須縮短打印機的非工作時間，提升工作時間在打印機生產周期內的占比。

打印結束后的清箱和換箱都是需要考慮的提升效率，縮短時間的工序。

圖1 打印流程

2.1 提升換箱效率

打印結束，工作箱從設備開出，執(zhí)行清箱工作，清除其他未用于砂型構造的砂子，得到完整的砂型。本項工序的效率提升，主要考慮是在將工作箱開出設備后，更換其他工作箱。實現(xiàn)3D 打印機快速換箱，立即可投入下一個批次的打印任務，將清箱工作在其他工序完成。

增加換箱輥道可快速的換箱，打印結束后的工作箱開入換箱輥道，與空箱工位互換。將空箱開入設備，繼續(xù)執(zhí)行3D 打印任務。換箱輥道做為3D打印機自身輥道的延伸，可根據(jù)工廠打印機的數(shù)量和布局進行設計。旨在實現(xiàn)快速更換工作箱，并將打印完成的工作箱送往下一工序進行清砂。換箱過程與設備聯(lián)動，輥道上安裝檢測工作箱位置的傳感器，將位置信號輸入PLC，實現(xiàn)全流程自動控制。

2.2 提升清砂效率

打印結束，需要將工作箱內的成型砂型與浮砂快速分離。砂型用于鑄造，浮砂回收后再次利用。清砂站可以通過自動和手動兩種控制方式，實現(xiàn)工作箱的運輸和工作箱底板的升降。工作箱底板升到打印開始位，砂型被舉升后，周邊的大部分浮砂自然掉落到工作箱外。清砂站工作臺的鈑金采用多孔設計，砂子從鈑金上的孔位滑落至清砂站的儲砂斗。砂型表面未脫落的浮砂和儲砂斗的砂子，通過舊砂回收系統(tǒng)回收。清理完成的砂型，繼續(xù)轉入下一工序。

2.3 舊砂回收

清箱結束，工作箱中未成形的砂子回收完成。新砂第一次打印，剩余未使用的砂子還可以再次利用。因此將打印的余砂以及在打印過程中鋪砂和下砂過程中，遺漏在工作箱以外的砂子全部回收進行利用。

由于這些砂子中包含雜質，不可以直接投入打印。再次進行使用，需要用指定的篩網(wǎng)對砂子進行篩選，過濾掉砂子中的各種雜質。

回收砂的再利用，方法比較簡單。但要通過自動化的方式實現(xiàn)，需要通過程序控制吸砂泵的工作、回收砂罐內砂位的檢測，下砂閥門的打開以及篩網(wǎng)震動的執(zhí)行。整個流程的動作，構成的一個舊砂回收系統(tǒng)。經(jīng)過回收后的舊砂滿足打印要求，可再次進行使用。

可見在3D 打印的生產過程中，快速換箱的實現(xiàn)，成功將清砂工序和打印工序分開。3D 打印機快速完成換箱繼續(xù)打印，打印結束的工作箱清砂單獨進行，兩個工序互不影響。每一次打印任務之間的時間間隔被大大縮短，打印機的投入效率大大提高，顯著提高了產能。

3 結束語

本文通過對3D砂型打印效率提升涉及的主要問題進行分析，對比了提高3D 砂型打印效率的諸多方法，總結了效率提升的核心問題。其提效方式，初期可通過提升成型體積，增大單層成型面積。改進后期，提高效率的考慮因素，在于縮短單層成型時間。與此同時，重點需攻克的問題在于縮短單層砂面鋪設時間以及單層粘合劑的噴涂時間。提升鋪砂速度和粘合劑噴涂速度，經(jīng)試驗測算，目前可以提效30%。

生產層面的效率提升，核心方向在于將3D 打印技術在生產層面的應用盡可能的實現(xiàn)高度自動化。打印、換箱、清砂、舊砂回收全流程的自動化實現(xiàn)，減少了人工的投入，提高了整體工作的效率和產能。

3D 打印作為新的科技領域，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)砂型的打印，目前打印砂型在工業(yè)領域的應用十分成功。未來的發(fā)展方向，也將是更高效，更智能化。隨著3D 打印技術的發(fā)展，逐漸替換原有的生產模式。摒棄傳統(tǒng)工業(yè)的笨重和對環(huán)境的污染，轉而變?yōu)檩p巧、智能和環(huán)保的方式。相信未來3D 打印技術，一定能在工業(yè)領域得到大力推廣。