摘要

本文以增材制造技術為依托以石材增材打印為研究對象，對增材制造中粘結劑噴射工藝技術進行研究，根據粘結劑噴射技術工作原理與工作流程特點與步驟分析，最終通過對粘結劑噴射使用材料與方法，完成以石材為對象的粘結劑噴射加工。

關鍵詞

石材；增材制造；黏合劑噴射；工作原理

前言

石材作為建築工程與裝飾的主要材料，其生産規模與生産方式一直以來受到石材生産制造企業的關注。

增材制造（Additivemanufacturing），也被稱為3D打印，是一種先進制造方法，通過逐層添加材料來創造一種産品。這種材料的添加可以通過各種方式完成，包括擠壓、焊接、固化、噴墨沉積和其他。這個過程開始于一個用計算機輔助設計（CAD）制作的數字3D模型，該模型被切片軟件切成了若幹層。然後，機器确定創建每層的工具路徑，開始打印，打印機就按照每層的工具路徑打印，直到模型完成。利用增材制造逐層生産産品的優勢包括高度的設計自由、統一的交貨時間、通過原料回收減少材料浪費，節約加工設備和相應的工具，同時減少加工對環境的污染，及在一次打印中創造複雜幾何形狀的能力等。此外，在許多應用中，增材制造的多自由度造型性質允許一次性生産具有複雜形狀的産品，如人物浮雕和空間曲面造型等。

增材制造除較為廣泛的應用于醫療行業、汽車行業、航空航天行業、模具設計行業外，近些年在陶瓷行業，建築行業中也不斷創新發展，出現了一些新的應用，如陶瓷産品和混凝土3D打印等。在石材行業上的應用也具有很大的潛力，值得我們深入研究和探索。

黏合劑噴射（BJ）是一種基于噴墨的工藝，利用粉末創造三維物體。該工藝包括鋪設薄薄的粉末層，噴頭有選擇地在粉末床上逐層噴射和沉積粘結劑液滴以制造産品。在所有增材制造（AM）技術中，BJ是加工石材産品最有前途的方法之一，因為它允許高水平的設計和大規模生産。與其它AM技術相比，BJ擁有相對較高的效率，可以建造大型物體（超過1立方米）。此外，無論物體的大小、形

狀或數量如何，BJ打印的速度可以達到每小時27毫米（Z方向），通常比其它AM工藝快10倍。

2黏合劑噴射工藝技術

把石材粉末或細小骨料與結合劑混合粘接是石材3D打印方法的發展方向。在這個過程中，液體粘結劑被有選擇地塗在基層上，然後逐層塗在打印台上。在打印過程完成後，可以将産品從工作台

上取出并進行再加工。

粘結劑噴射打印過程如圖1所示。

圖1黏合劑噴射工作原理

（1）打印頭沿X軸移動，并将粘合劑噴灑在輸入文件定義的起點處。這将定義圖層的一個條帶；

（2）打印頭沿Y軸移動的距離等于條帶，并重複該過程以再打印一個條帶；

（3）在覆蓋所有打印XY區域後，料倉向下移動，重塗器再塗上一層粉末，該過程重複進行；

（4）固化時間為幾分鐘後，将打印的産品取出料倉。産品分兩個階段進行清潔，最初将多餘的粉末從産品上刷掉，然後使用壓縮空氣消除産品表

面的任何殘留粉末。

黏合劑噴射工藝流程主要将物料放置碾碎機進行處理，處理成石材顆粒粉末，将粉末與粘結劑有序的逐層的輸送到3D打印設備進行産品制作，

最後進行産品後期處理，如圖2所示。

圖2黏合劑噴射工藝流程圖

在粘結劑噴射過程中，粘結劑和石材粉末的相互作用控制着産品的幾何形狀、精度、強度和産品最終表面粗糙度。黏合劑液體從噴嘴中噴射出來後，會發生一系列的滲透動力學現象，如沖擊（受液滴

體積、初始速度、黏度和粉末粗糙度的影響），擴散和潤濕（受不同的液滴速度、黏度、接觸角和體積的影響）。擴散時間通常小于100µs，以及液滴在粉末上的穿透時間（通常為0.1到1秒）。黏合劑噴射沉積，其工作原理是将流體從小噴嘴中擠出後壓力激增。流體是否适合噴射取決于許多因素，但主要取決于流體的表面張力We和黏度Re

其中：p為液體密度，kg/m3；d為噴嘴頭液滴直徑，m；v為流速，m/s；σ為表面張力系數；

其中：p為液體密度，kg/m3；d為噴嘴頭液滴直徑，m；v為流速，m/s；μ為液體動态粘度，Ns/m2；

3石材黏合劑噴射設計步驟

（1）材料

石材作為粘結劑噴射增材制造的重要材料，對其研究也受到了行業從業者的關注。目前，石材粘結劑噴射材料主要有白色大理石粉末、灰色花崗岩粉末、石灰石粉末、黑色花崗岩粉末，結合劑采用各種樹脂，同時要添加一些固化劑等輔助材料。

（2）方法

石材粘結劑噴射增材制造，從設計開發到最終産品，涉及數字模型制作，STL文件轉換，切片，打印，後處理等流程。

①數字模型制作

零件的數字模型制作主要有兩種方法，首先，是通過CAD軟件對零件進行設計，主要有CATIA，UG，PROE，SOLIDWORKS，INVENTOR等設計軟件如圖3所示。

圖3UG模型設計

其次，利用逆向工程和3D掃描進行模型設計，主要有拍照式3D掃描儀，手持式3D掃描儀，地面激光掃描儀等硬件設備，結合GeomagicStudio，UG等逆向工程軟件進行産品設計。

②STL文件轉換

産品數字模型設計完成後，将數字模型轉換為标準三角形語言（.STL）或标準曲面細分語言文件。STL文件存儲有關模型曲面幾何的信息。如UG在文件菜單中選擇導出選項，選擇STL格式後，要選擇的圖形即可将模型文件保存為.STL文件，如圖4所示。

圖4STL文件轉換

③切片

數模文件轉換後，STL文件被導入到切片軟件，切片軟件根據文件信息生成G代碼，生成的G代碼類似于數控機床代碼，它定義了3D打印制作中的運動和打印過程的平台方向等參數。切片軟件的設置對于打印質量至關重要，如圖5所示。

圖5切片軟件設置

4、打印

切片軟件将文件轉換G代碼後，将文件加載到打印機的計算機中，打印機噴嘴移動，料倉向下移動，重塗器再塗上一層粉末，根據G代碼指令過程進行。

5、後處理

當整個模型打印完成後，需要進行一些後處理以達到适當的産品完成度。後處理方法因所用材料和制造方法而異，常用法有固化、脫粉、燒結、打磨等。

圖6打印過程模拟

6結論

黏合劑噴射打印的優勢在于它适應任何石材粉末，對石材二次利用具有較大的潛力，并且在打印中不需要任何其他設備和工具，環保性好，智能化程度高。石材黏合劑噴射增材制造發展可以對建

築、文物複刻、文創産業、石材家具等領域産生積極影響。

參考文獻

[1]AmirMostafaei,AmyM.Elliottetc.Binderjet

3Dprinting—Processparameters,materials,prope

rties,modeling,andchallenges[J].ProgressinMate

rialsScience,2021,Volume119.

[2]張衡，楊可.增材制造的現狀與應用綜述[J].包裝

工程，2021,42(16):9-15.

[3]趙民.近十年中國石材加工裝備與技術評述[J].石

材，2016(02):25-29.

[4]趙民，武曉龍，李旭，郭佳偉.石材加工數字化技術

[J].石材，2015(02):39-41.

楊檸嘉 沈陽城市學院，趙民 大連工業大學藝術與信息工程學院

原創首發《石材》2022年4期，經作者授權轉載。

END

趙民 大連工業大學藝術與信息工程學院 博導

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!