負壓對3DP 砂型打印機噴墨影響的研究

楊小平，郭永斌，劉 軼

（共享智能鑄造產業創新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

增材制造與減材制造互相對應，是當前兩大主流制造技術。目前已知的有多種增材制造技術，3DP 噴墨砂型打印是目前多種增材制造技術中的一種，打印成型的砂型是鑄造用鑄型（芯）的理想替代產品，成型過程無需鑄模和混砂機，是一項新技術與傳統行業的完美契合。利用3D 打印技術生產鑄型（芯）既是對3D 打印新產業的推廣，又是對目前鑄型（芯）成型的落后技術的更新，可解決目前鑄造行業造型工序勞動強度高、工作環境差、尺寸控制難、砂箱堆積如山、模具制造成本高、產品生產周期長等問題。

1 試驗方法

壓電式打印頭噴墨時的主要原理為壓電式陶瓷片張弛作用擠壓墨腔，將墨水擠出打印頭形成墨滴，未噴墨時依靠墨盒內與外界作用產生的壓力差控制墨水保留在打印頭墨腔內。在打印頭規格型號和墨水型號不變時，影響壓電式打印頭噴墨的主要因素有電壓、電脈沖波、墨管氣泡、墨盒內部負壓等。本次試驗主要研究墨盒內部負壓對噴墨的影響，因此采用固定變量法，將電壓、電脈沖波、墨管氣泡等恒定，單獨改變墨盒負壓驗證噴墨狀態，將墨滴觀測儀安裝到噴墨砂型打印機上，利用砂型打印機自身負壓控制系統調節負壓。

研究用器材及試劑為：壓電式噴墨打印頭12個，墨滴觀儀1 套，3DP 噴墨砂型打印機1 臺，砂型打印粘結劑10L，清洗劑5L。

2 試驗結果及分析

利用墨滴觀測儀測試打印機初始參數噴墨墨滴狀況，初始參數為打印機出廠時內置參數，經觀測發現打印機初始參數下噴墨墨滴整齊規律，如圖1 所示；初始參數及噴墨測量結果如表1 所示。

圖1 噴墨墨滴

2.1 降低負壓對噴墨的影響

在其他噴墨參數不變的情況下，降低負壓，測試結果如表2 所示，降低負壓對噴墨有較大影響，負壓降低幅度較大時無法正常噴墨，隨著負壓逐漸增高，墨滴噴射速度、墨滴體積、噴出率、持續噴墨時間均會相應增加。測量過程中發現負壓降低到一定程度墨水將在重力作用下自然滴落，自然滴出的墨水在噴孔口形成墨滴。

表1 初始噴墨參數

表2 降低負壓對噴墨影響

2.2 升高負壓對噴墨的影響

在其他噴墨參數不變的情況下，升高負壓，測試結果如表3 所示。

表3 升高負壓對噴墨影響

由表3 可見，升高負壓對噴墨有較大影響，負壓升高幅度較大時無法正常噴墨，隨著負壓逐漸增高，墨滴噴射速度、墨滴體積、噴出率、持續噴墨時間均會相應降低。

2.3 微調負壓對噴墨的影響

在其他噴墨參數不變的情況下，微調負壓，測試結果如表4 所示。

表4 微調負壓對噴墨影響

由表4 可見，負壓在35～36 mbar 之間微調時未體現出噴墨各項參數明顯的規律性的變化，變化值均在測量誤差范圍內，由此可知負壓控制精度精確至小數點后兩位數即可。

3 結論

本次試驗研究表明，負壓對3DP 砂型打印機噴墨具有較大影響，降低或升高負壓均會影響噴墨效果，負壓大小應控制在一定范圍內，負壓的調節原則如下：

（1）負壓不能過高或過低，原則為壓電陶瓷片在張弛作用時產生的力大于墨盒內部與外界大氣壓力差產生的力，墨盒內部與外界大氣壓強差產生的力大于或等于墨水自身重力。

（2）墨盒內部與外界大氣壓力差產生的負壓壓力與墨水自身重力越接近噴墨效果越理想，壓電陶瓷片在張弛作用時產生的力與墨盒內部與外界大氣壓負壓力差產生的力差值越大噴墨效果越理想。

（3）負壓調節精度可控制在5%mbar 以內。