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。

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

产品数字模型设计完成后，将数字模型转换为标准三角形语言（.STL）或标准曲面细分语言文件。STL文件存储有关模型曲面几何的信息。如UG在文件菜单中选择导出选项，选择STL格式后，要选择的图形即可将模型文件保存为.STL文件，如图4所示。

图4STL文件转换

③切片

数模文件转换后，STL文件被导入到切片软件，切片软件根据文件信息生成G代码，生成的G代码类似于数控机床代码，它定义了3D打印制作中的运动和打印过程的平台方向等参数。切片软件的设置对于打印质量至关重要，如图5所示。

图5切片软件设置

4、打印

切片软件将文件转换G代码后，将文件加载到打印机的计算机中，打印机喷嘴移动，料仓向下移动，重涂器再涂上一层粉末，根据G代码指令过程进行。

5、后处理

当整个模型打印完成后，需要进行一些后处理以达到适当的产品完成度。后处理方法因所用材料和制造方法而异，常用法有固化、脱粉、烧结、打磨等。

图6打印过程模拟

6结论

黏合剂喷射打印的优势在于它适应任何石材粉末，对石材二次利用具有较大的潜力，并且在打印中不需要任何其他设备和工具，环保性好，智能化程度高。石材黏合剂喷射增材制造发展可以对建

筑、文物复刻、文创产业、石材家具等领域产生积极影响。

参考文献

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杨柠嘉 沈阳城市学院，赵民 大连工业大学艺术与信息工程学院

原创首发《石材》2022年4期，经作者授权转载。

END

赵民 大连工业大学艺术与信息工程学院 博导

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