陈延军 胡永权 任增茂 罗天祥 陈德琪

（1 甘肃省建材科研设计院，甘肃 兰州 730020；2 甘肃省低能耗建筑技术重点实验室，甘肃 兰州 730020；3 甘肃省建筑材料资源综合利用工程技术中心，甘肃 兰州 730020 ）

0 引言

目前，在利用沙漠砂研制功能性砂制品的过程中，由于制品是经常温固化免烧成型而成，其干燥后体积收缩率较小，为便于脱模，所以与其制备工艺相匹配的模具设计是一个难点。然而，沙漠砂制品的整个制作过程涉及材料、工艺、设备等各种因素，尤其是成型模具的设计与制造，由于利用传统的模具设计制造方法开发产品，不仅开发周期长，而且产品试制成本高。针对上述问题，我们以沙漠砂为原料研制具有防渗透气特性的生态种植盆为例，将CAD 与3D 打印技术相结合，探究出一种适用于制备沙漠砂制品的快速成型工艺。

1 模具的制作

1.1 模具原型的制作

在模型的建立中，基于实物测量的产品仿形设计是快速逆向建模的一种重要方法。实验中所涉及的产品模型是通过Auto CAD 软件直接绘制生成的，它为原型的生产过程提供数字信息。目前，用于构建三维实体模型的主流软件，如CAD、UG、Pro/E、3DMAX 等，都提供了一种可以由3D 打印机软件直接识别的“*.stl”数据格式。通过引入3D 打印技术，打破传统模具设计与制造工艺，可提升产品开发的有效性，解决模具加工过程中遇到的一些实际困难。

试验时所选用的3D 打印机为桌面级3D 打印机，打印切片软件为Cura，打印材质为PLA 塑料，这里Cura 的主要作用是将上一步的“*.stl” 数据文件分层切片，根据模型形状生成不同的路径，从而生成整个三维模型可脱机打印的“*.gcode”数据文件。而选用PLA 塑料为3D 打印材质，单从产品的造价成本上讲，PLA 塑料价格比较低，是最符合低成本的耗材使用需求，且拥有良好的抗拉强度及延展度；在精度要求上，受材料本身性质的影响，最高精度略低于其他材料的平均水平，但完全能满足一些创意产品的制作要求。此外，PLA 塑料通过桌面机就可制作，与工业机相比，精密度与大批量生产的差距不大，且能满足产品的总体需求。

在原型制作过程中，根据产品模型的特点、打印材质PLA 的特性以及环境温度的变化，需要合理设定主要工艺参数，需要强调的是，在做切片处理时，最好使用蜂窝状结构作为填充，这是由于蜂窝具有良好的力学性能。通过该软件，可一次性完成轮廓编辑、支撑制作，确定制作大小及方向等，以使随后的模型打印工作能够可靠稳定地进行，防止模型在打印过程中出现翘曲变形。为了使打印后模型的表面质量满足尺寸稳定性和精度要求，该模型需要进行二次处理，包括磨削、修复、抛光和表面强化。对于PLA 塑料作为打印材质，由于PLA 材质的3D 模型较硬，且不耐热，如果对其外表面纹理和支撑进行打磨处理，会致使表面更加粗糙，目前没有较好的处理办法。针对此问题，我们采取的处理是将腻子均匀满刮填平整个外表面，待其干燥后，用400～1200 目的水砂纸打磨。模型的制作流程和经处理后的模型分别如图1和图2所示。

图1 模型的制作流程

图2 处理后的3D 模型

1.2 石膏模具的制作

目前，制造模具的方法很多，大多利用设计模型间接地转换模具。根据不同的材料，主要有软模具（如硅橡胶、环氧树脂、铝等）和硬模具（如钢等）。前者不受产品形状复杂度的影响，广泛应用于小批量开发和生产新产品；后者可以大规模生产。本试验基于产品在实验室前期试制阶段的成本和周期考虑，我们考虑选用石膏材料开发模具，主要是由于它具有一些其他材料所无法比拟的优势，如本地石膏资源丰富、价格低、制造周期短、成型尺寸稳定性好、精度高等。

石膏模具制作时，试验选用的模具石膏粉产自甘肃景泰，减水剂由兰州宏方新型建材有限公司提供。石膏模具的制作流程如图3所示。此时，需要制作模具型框、精准定位原型，依然选用PLA 材料打印制作型框（如图2（b））。试验时需要注意的是，石膏浆配制过程中，不同产地、不同粒度的石膏与水的比例都不同，经过反复试验得出，按石膏：水=100：60 的比例计量，并掺加一定量的聚羧酸系减水剂。搅拌时采用高速搅拌加真空处理的方法，即电动搅拌器以300r/min 以上的转速搅拌2min，再放入旋片式真空泵腔体进行消泡处理。采用此方法浇注的模具，不仅内外表面致密光滑，外形规整，还可提高模具的强度。干燥时将模具置于40℃左右的烘箱中干燥至模型湿度为6%～8%为宜。

上述试验过程可以看出，石膏模具的最大特点是制作工艺简单、成型快、成本低；但模具型腔表面精度不是很高，强度差，模具易损坏，模具周转次数较少，但在产品开发的实验室阶段，不失为一种简单有效的工艺。

图3 石膏模具制作流程F

2 功能砂制品的制备工艺

沙漠砂制品的制备是以沙漠砂为主要原料，经过常温固化、免烧成型而成。

2.1 原材料

骨料颗粒采用沙漠砂。为了使功能砂制品具有防渗透气的性能，宜选用单级配，不宜使用连续级配（透气性差）。试验时使用振动筛对沙漠砂进行粒度分级处理。

树脂选用价格低廉、粘度低的环氧树脂和改性树脂两种，固化剂选用粘度低、挥发性小、固化速度适中的固化剂。稀释剂为自制。

2.2 制备过程

由于常温下环氧树脂的粘度很高，即使加稀释剂也难以增加流动性可先将树脂在烘箱中预热，使其粘度降低，然后将其与固化剂、稀释剂以一定比例混合，其中，固化剂的掺量可根据试验环境温度进行适当调节。混合乳液再与沙漠砂以一定比例混合搅拌后进行浇注。经常温干燥后的制品脱模后，将印刷设备简单、操作方便，且成本低廉，适应性强的丝网印刷开创性地引入产品的外观图案设计，以增强产品的艺术视觉感，对于这种小批量试制的产品具有一定的优势，尤其适用于带有凹凸面制品的外观设计。通过上述步骤制备的生态种植盆如图4所示。

图4 制备的生态种植盆

图5 脱模失败情形

2.3 试验结果及分析

从CAD 图形到石膏模具再到制品的制备，中间往往经历多道工序，大多时候还集中在对单个工艺环节的精度控制，而对模具制造及制品制备的整体精度缺乏有效的控制手段，特别是对于试验后期阶段利用石膏模具浇注砂制品而言，多由人工操作完成，难免会造成一些缺陷，如图5所示。在整个制备过程中，各个环节的影响因素相互作用，尺寸误差有一定的积累。因此，可以通过分析各个工艺环节精度控制的影响因素，来进一步优化工艺，采取相应的误差补偿措施以提高制作精度。

3 结语

本文将CAD 设计、3D 打印等技术引入石膏模具的设计与制造，突破模具传统制作工艺的约束，实现模具的快速制作，对以后实现低成本、高附加值的沙漠砂制品工业化生产具有指导性作用。但是，由于笔者时间和水平的限制，还有待对本制备工艺在模型尺寸、制品尺寸的精度控制及其它制模工艺等方面做进一步深入研究。