黏著劑噴印3D列印砂模成型品質優化之研究

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Title:	黏著劑噴印3D列印砂模成型品質優化之研究 Research on Enhancing the Quality of Binder Jetting-type 3D Printing Sand Mold Manufacturing
Authors:	李彥霆 Li, Yen-Ting
Keywords:	3D砂模列印;機械性質;尺寸誤差;灰階列印;砂模;回收砂
Date:	2023
Issue Date:	2024-09-11 16:22:28 (UTC+8)
Abstract:	積層製造技術在現代已有許多先進技術被開發出來，其中以黏著劑噴塗成型最受矚目，其原理乃是利用驅動電壓及波形控制壓電噴頭，使其噴出黏著劑至粉床成型的技術，也是用於列印鑄造用砂模的主要技術，其顆粒性質、黏著劑種類等參數皆會影響砂模列印品質。許多學者皆使用了這項技術進行製程上的突破，包括砂模形狀的幾何設計、砂模材料的選擇和改良、砂模製程的突破等等。其中影響砂模性質的要素為黏著劑和矽砂含硬化劑的結合反應、粒徑大小、黏著劑多寡等等。因此，有許多學者也針對砂模的強度、尺寸、透氣性等砂模檢驗進行優化改善。常見的砂模機械性質如抗壓強度、抗彎強度、透氣性、成型性、尺寸精度、燒失量等為一個砂模是否良好的參考依據，機械性質又與墨量有關。因此，本研究透過理論方程式及數值分析探討單一墨滴於粉床中的滲透行為，並以ANSYS Fluent進行模擬分析證明了墨量和孔隙率等參數之間的關係，進而提出一種用以預測單一墨滴滲透深度和擴散直徑的簡易模型。此簡易模型可節省更多的運算資源和時間、更快速的知道單一墨滴在粉床中的滲透深度和擴散直徑，並且透過實驗得知，簡易模型和實驗所得的結果擁有相同趨勢，而實驗和模擬皆表示墨量以及孔隙率與擴散直徑和滲透深度成二次及一次函數關係。接著，本研究將不同墨量以及孔隙率的成果用於列印中，發現機械性質與墨量之間的關係，表面硬度、抗壓和抗彎強度隨著墨量增加而增加，成型性也隨著更好，但在透氣性上和尺寸精度上表現越差。本研究提出一個製程改良－『灰階列印』，此方法透過調整壓電噴頭和切層軟體以不同墨量在不同位置噴印，我們在同一層中以不同墨量噴印，以及不同層中以不同墨量噴印，證明此方法可以兼顧高強度、高成型性、高透氣性、高尺寸精度的特點，透過此概念列印可在維持機械性質條件下，使尺寸誤差將至0.3%並同時兼具良好透氣性。在了解墨量和孔隙率之間的關係是影響機械性質、尺寸精度和透氣性的主要變因後。本研究試圖在優化砂模列印品質的前提下，探討環保和永續使用的可能性。本研究提出使用回收砂進行砂模列印的概念，透過使用回收砂，不僅在砂粒、黏著劑和硬化劑的使用量大幅減少。並且我們發現矽砂在回收使用二至五次間的機械性質如抗壓強度、抗彎強度、表面硬度表現上，皆比使用新砂來得好，這是因為隨著矽砂的反覆使用會逐漸磨損，導致砂粒的尺寸變小。這個現象會使得粉床由單峰粒徑變為雙峰或是三峰粒徑，使得孔隙率發生變化，這也是使得砂模機械性質以及尺寸精度提高的原因之一，因此，我們得到一個結論，使用回收砂不僅比使用純新砂擁有更好的機械性質，在硬化劑和黏著劑的使用上皆遠小於使用純新砂石的用量。透過以上研究，我們成功透過調整墨量、孔隙率來對砂模列印製程進行改良，使得砂模和砂心的列印品質得以優化。在砂模中我們能夠在維持高機械性質的前提下，使得透氣性和尺寸精度得以提升。在砂心以及砂型中較難透過後加工方式進行尺寸修正的地方，此製程改良的特色和優點更加放大，本文之研究成果適用於黏著劑噴塗成型在砂模列印中的改良，也期許此研究方法能使砂模列印品質更完善。
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