石材数控加工技术（石材增材制造技术研究）

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。

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。

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。

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

其中：p为液体密度，kg/m3；d为喷嘴头液滴直径，m；v为流速，m/s；σ为表面张力系数；

其中：p为液体密度，kg/m3；d为喷嘴头液滴直径，m；v为流速，m/s；μ为液体动态粘度，Ns/m2；

3石材黏合剂喷射设计步骤

（1）材料

石材作为粘结剂喷射增材制造的重要材料，对其研究也受到了行业从业者的关注。目前，石材粘结剂喷射材料主要有白色大理石粉末、灰色花岗岩粉末、石灰石粉末、黑色花岗岩粉末，结合剂采用各种树脂，同时要添加一些固化剂等辅助材料。

（2）方法

石材粘结剂喷射增材制造，从设计开发到最终产品，涉及数字模型制作，STL文件转换，切片，打印，后处理等流程。

①数字模型制作

零件的数字模型制作主要有两种方法，首先，是通过CAD软件对零件进行设计，主要有CATIA，UG，PROE，SOLIDWORKS，INVENTOR等设计软件如图3所示。

图3UG模型设计

其次，利用逆向工程和3D扫描进行模型设计，主要有拍照式3D扫描仪，手持式3D扫描仪，地面激光扫描仪等硬件设备，结合GeomagicStudio，UG等逆向工程软件进行产品设计。

②STL文件转换