石材数控加工技术（石材增材制造技术研究）

摘要

本文以增材制造技术为依托以石材增材打印为研究对象，对增材制造中粘结剂喷射工艺技术进行研究，根据粘结剂喷射技术工作原理与工作流程特点与步骤分析，最终通过对粘结剂喷射使用材料与方法，完成以石材为对象的粘结剂喷射加工。

关键词

石材；增材制造；黏合剂喷射；工作原理

前言

石材作为建筑工程与装饰的主要材料，其生产规模与生产方式一直以来受到石材生产制造企业的关注。

增材制造（Additivemanufacturing），也被称为3D打印，是一种先进制造方法，通过逐层添加材料来创造一种产品。这种材料的添加可以通过各种方式完成，包括挤压、焊接、固化、喷墨沉积和其他。这个过程开始于一个用计算机辅助设计（CAD）制作的数字3D模型，该模型被切片软件切成了若干层。然后，机器确定创建每层的工具路径，开始打印，打印机就按照每层的工具路径打印，直到模型完成。利用增材制造逐层生产产品的优势包括高度的设计自由、统一的交货时间、通过原料回收减少材料浪费，节约加工设备和相应的工具，同时减少加工对环境的污染，及在一次打印中创造复杂几何形状的能力等。此外，在许多应用中，增材制造的多自由度造型性质允许一次性生产具有复杂形状的产品，如人物浮雕和空间曲面造型等。

增材制造除较为广泛的应用于医疗行业、汽车行业、航空航天行业、模具设计行业外，近些年在陶瓷行业，建筑行业中也不断创新发展，出现了一些新的应用，如陶瓷产品和混凝土3D打印等。在石材行业上的应用也具有很大的潜力，值得我们深入研究和探索。

黏合剂喷射（BJ）是一种基于喷墨的工艺，利用粉末创造三维物体。该工艺包括铺设薄薄的粉末层，喷头有选择地在粉末床上逐层喷射和沉积粘结剂液滴以制造产品。在所有增材制造（AM）技术中，BJ是加工石材产品最有前途的方法之一，因为它允许高水平的设计和大规模生产。与其它AM技术相比，BJ拥有相对较高的效率，可以建造大型物体（超过1立方米）。此外，无论物体的大小、形

状或数量如何，BJ打印的速度可以达到每小时27毫米（Z方向），通常比其它AM工艺快10倍。

2黏合剂喷射工艺技术

把石材粉末或细小骨料与结合剂混合粘接是石材3D打印方法的发展方向。在这个过程中，液体粘结剂被有选择地涂在基层上，然后逐层涂在打印台上。在打印过程完成后，可以将产品从工作台

上取出并进行再加工。

粘结剂喷射打印过程如图1所示。

石材数控加工技术（石材增材制造技术研究）(1)

图1黏合剂喷射工作原理

（1）打印头沿X轴移动，并将粘合剂喷洒在输入文件定义的起点处。这将定义图层的一个条带；

（2）打印头沿Y轴移动的距离等于条带，并重复该过程以再打印一个条带；

（3）在覆盖所有打印XY区域后，料仓向下移动，重涂器再涂上一层粉末，该过程重复进行；

（4）固化时间为几分钟后，将打印的产品取出料仓。产品分两个阶段进行清洁，最初将多余的粉末从产品上刷掉，然后使用压缩空气消除产品表

面的任何残留粉末。

黏合剂喷射工艺流程主要将物料放置碾碎机进行处理，处理成石材颗粒粉末，将粉末与粘结剂有序的逐层的输送到3D打印设备进行产品制作，

最后进行产品后期处理，如图2所示。

石材数控加工技术（石材增材制造技术研究）(2)

图2黏合剂喷射工艺流程图

在粘结剂喷射过程中，粘结剂和石材粉末的相互作用控制着产品的几何形状、精度、强度和产品最终表面粗糙度。黏合剂液体从喷嘴中喷射出来后，会发生一系列的渗透动力学现象，如冲击（受液滴

体积、初始速度、黏度和粉末粗糙度的影响），扩散和润湿（受不同的液滴速度、黏度、接触角和体积的影响）。扩散时间通常小于100µs，以及液滴在粉末上的穿透时间（通常为0.1到1秒）。黏合剂喷射沉积，其工作原理是将流体从小喷嘴中挤出后压力激增。流体是否适合喷射取决于许多因素，但主要取决于流体的表面张力We和黏度Re

石材数控加工技术（石材增材制造技术研究）(3)