CN105665632B - 一种自适应砂型3d打印成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于快速成形设备领域，公开一种自适应砂型3D打印成形方法及装置。该方法是将3D打印原砂经过真空上料进入混砂装置中，一部分原砂与固化剂搅拌均匀用于打印砂型，另一部分原砂不混入固化剂。将两种型砂送入铺粉装置中。打印开始后，计算机控制铺粉装置根据打印砂型当前层截面信息，按需铺设两种型砂；之后，计算机控制打印喷头，根据打印砂型当前层截面信息，按需喷射树脂粘结剂。当预混了固化剂的原砂遇到树脂粘结剂后发生交联反应，固化型砂。层层铺砂，层层喷射粘结剂，最终完成砂型打印。采用本方法制造铸型具有绿色环保、制造速度快、易于清砂等优点，具有推广使用的价值。

Description

一种自适应砂型3D打印成形方法及装置

技术领域

本发明属于快速成形设备领域，具体涉及一种自适应砂型3D打印成形方法及装置。

背景技术

3D打印技术又称为三维打印技术，是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，属于一种增材制造技术，是快速成形领域目前研究的重要方向。它是指将所需成形工件的复杂三维模型通过切片转化为简单的二维截面的组合。利用材料粉末逐层打印，逐层堆积，自下而上形成具有任意复杂结构的三维模型。

砂型3D打印是一种主要基于微滴喷射成形的快速成形技术。目前，砂型3D打印设备大都是基于粉床的快速成型设备，成形过程中涉及到了型砂的存放、供给、铺设、回收，树脂粘结剂的按需喷射等工序，当喷射的树脂粘结剂遇到预混了固化剂的型砂后使沙砾粘结固化成所需砂型。铺粉装置作为快速成形设备的重要组成部分，其稳定性和可靠性将直接影响成形件的质量。现有的3D打印设备的铺粉装置都只能铺设单一材料的粉末，对于砂型3D打印来说，由于所铺设的型砂都是预混了固化剂的，因而铺设单一粉末的铺粉装置往往存在一些不足之处：

(1)固化剂一般采用的是高分子有机物或者强腐蚀性化合物，易挥发出刺激性气味，现有的铺粉装置将会导致固化剂使用量大，原材料使用率低，对环境危害也大。

(2)砂型打印完成后，需将打印好的砂型从成形室内取出。由于预混了固化剂的型砂流动性变差，因而不利于清除未粘结的型砂，对清砂工作造成困难。

此外，目前的砂型3D打印设备成形室都处于常压下，铺好的型砂没有一定的紧实效果，而型砂的紧实程度对成形砂型的强度有很重要的影响。

发明内容

针对目前砂型3D打印设备无法实现多种型砂铺设打印成形的问题，本发明提出了一种自适应砂型3D打印成形方法以及成形装置。

自适应砂型3D打印成形方法是，成形室处于密封负压或常压环境里，打印开始前将没有预混固化剂的原砂和预混了固化剂的原砂分别存放在两个结构相同的铺粉装置中，铺粉装置是由许多开口阀门组成的，铺粉时，计算机根据砂型当前层的二维截面信息在需要成形的地方铺设预混了固化剂的原砂，不需要成形的地方铺设没有预混固化剂的原砂，阵列打印喷头同样在计算机的控制下根据砂型当前层的二维截面信息按需喷射粘结剂，层层铺设，层层打印，完成砂型的制作。

为实现上述目的，本发明的自适应砂型3D打印成形方法按以下步骤进行：

步骤1：将原砂经过真空上料，一部分原砂进入含有混砂装置的料斗中，与固化剂进行搅拌，另一部分原砂进入不含有混砂装置的料斗中；

步骤2：分别将两个料斗中的型砂送入铺粉装置的两个相同的铺粉机构中，将可升降的工作平台下移一段距离后控制铺粉装置铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺粉装置移动回初始位置；

步骤3：将成形室调定到合适的负压或常压环境下；

步骤4:可升降的工作平台下移一个层厚，铺粉装置将在计算机的控制下，根据当前层的砂型截面形状按需铺设两种不同的型砂；

步骤5：型砂铺设完后，铺粉装置移动回初始位置，计算机控制打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射粘结剂，完成当前层砂型的打印；

步骤6：重复步骤4、步骤5，当铺粉装置中的储砂量不多时，铺粉装置回到初始位置进行装砂；

步骤7：重复步骤6，层层打印，直至最终逐层堆叠完成砂型打印；

步骤8：清理掉未粘结的型砂，取出砂型。

自适应砂型3D打印成形方法，铸型所用砂粉为石英石、陶粒砂、铬铁矿砂或橄榄石砂等铸造用耐火型砂，常用粒度为70/140目。

自适应砂型3D打印成形方法，喷射所用的粘结剂为酚醛树脂粘结剂。

采用上述的技术方案，有以下优点：

1、树脂粘结剂用量少，绿色环保。

2、根据砂型层片信息按需铺设型砂，由于原砂流动性好，使得砂型打印完毕后，易于清理剩余原砂。

3、砂型成形处于负压环境中，提高了所铺设型砂的紧实度，有利于提高最终砂型的强度。

附图说明

图1自适应砂型3D打印成形装置示意图；

图2自适应按需铺粉装置示意图。

图3负压成形室示意图。

图中:1、储砂罐；2、真空上料装置；3、料斗；4、固化剂存储罐；5、铺粉装置；6、可升降的工作平台；7、阵列喷头；8、成形室；9、螺旋送粉机构；10、砂砾储存箱；11、平沙板；12、按需铺粉口。

具体实施方式

本发明提出的一种自适应砂型3D打印成形方法，首先将制造砂型用的耐火材料原砂通过真空上料装置送入料斗中，一个料斗是含有混砂装置的，混砂装置连通固化剂料箱在混砂的同时加入一定量的固化剂，搅拌均匀后送入铺粉装置中；另一个料斗不含混砂装置将原砂直接送入铺粉装置中。打印开始后，可升降的工作平台下移一定距离，铺粉装置移动均匀铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完成后，铺粉装置移回初始位置，为下一次铺砂做好准备；启动成形室真空泵，调整成形室压力处于一定的负压状态，将铺设的型砂吸附到可升降的工作平台上；可升降的工作平台根据所打印砂型的需求，在计算机的控制下，下移一个层厚，铺粉装置同样在计算机的控制下移动，均匀铺砂，铺粉装置是由两个结构相同的铺粉机构组成的，一个里面装入预混了固化剂的原砂，另一个里面装入没有预混固化剂的原砂，在计算机的控制下，铺粉装置根据砂型当前层的轮廓信息按需铺砂；铺砂完毕后，铺粉装置移动回初始位置，计算机控制打印系统移动，根据砂型当前层的轮廓信息按需喷射树脂粘结剂，完成当前层砂型打印，打印系统同样在完成当前层打印后，移动回初始位置；铺粉装置检查储砂量，如果储砂量不满足设定阈值，料斗将会往铺粉装置中装填砂砾，直至满足设定阈值；可升降的工作平台继续下移一个层厚，重复铺砂和打印的过程，层层铺砂，层层打印，最终成形所需砂型。砂型打印完成后，打开成形室，清除掉未粘结的原砂，取出砂型。本发明提出的一种自适应砂型3D打印成形铸造砂型的装置，如图1所示。该装置包括:储砂罐1，在打印砂型前存放足够的型砂，储砂罐1与真空上料装置2连接，真空上料装置2将型砂吸入料斗3中，其中含有混砂装置的料斗3还与固化剂储存罐4连接，固化剂储存罐4将液态树脂固化剂送入混砂箱与型砂一起进行搅拌，此过程中使得型砂与固化剂混合均匀。然后同时将预混了固化剂的型砂和没有预混固化剂的型砂送入铺粉装置5的铺粉机构中。当计算机控制可升降的工作平台6下降一个层厚时，铺粉装置5将从左至右水平移动均匀铺砂，铺砂过程中，两个铺粉机构将根据砂型当前层的轮廓信息，在计算机的控制下按需打开各自的阵列铺粉阀门，铺砂完成后再从右至左水平移动回初始位置。然后，计算机控制阵列喷头7沿着X轴导轨和Y轴导轨进行二维平面移动，按砂型截面数据喷射树脂粘结剂，树脂粘结剂遇到预混了固化剂的型砂，与固化剂发生交联反应固化型砂。重复铺砂和喷射树脂粘结剂固化出铸型的各个截面，最终在成形室8中形成完整铸型。采用自适应砂型3D打印成形方法制成的铸型不使用模具，根据铸型的CAD模型，可以快速制造出所需铸型。按需铺粉装置，如图2所示。主要由螺旋送粉机构9，砂砾储存箱10，平沙板11，按需铺粉阀12组成。按需铺粉阀12在计算机的控制下，根据打印砂型截面信息，打开、关闭各个铺粉口实现砂型自适应铺砂。负压成形室，如图3所示。主要由成形室8和可升降的工作平台6组成。可升降的工作平台6上布满了直径小于砂砾的小孔，真空泵使得成形室处于一定的负压状态，当可升降的工作平台6上面铺设好型砂后，负压将型砂吸附在可升降的工作平台6上，在打印过程中增加了型砂的紧实度。所述的小孔也可以位于成形室的侧壁上。

Claims (11)

1.一种自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1：将原砂经过真空上料，一部分原砂进入含有混砂装置的料斗中，与固化剂进行搅拌，另一部分原砂进入不含有混砂装置的料斗中；

步骤2：分别将两个料斗中的型砂送入铺粉装置的两个相同的铺粉机构中，将工作台下移一段距离后控制铺粉装置铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺粉装置移动回初始位置；

步骤3：将成形室调定到合适的负压或常压环境下；

步骤4：工作台下移一个层厚，铺粉装置将在计算机的控制下，根据当前层的砂型截面形状按需铺设两种不同的型砂；

步骤5：型砂铺设完后，铺粉装置移动回初始位置，计算机控制打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射粘结剂，完成当前层砂型的打印；

步骤6：重复步骤4、步骤5，当铺粉装置中的储砂量不多时，铺粉装置回到初始位置进行装砂；

步骤7：重复步骤6，层层打印，直至最终逐层堆叠完成砂型打印；

步骤8：清理掉未粘结的型砂，取出砂型。

2.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：混砂装置是由两个相同的混砂箱组成的。

3.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：成形室的压力状态可以根据工作台上砂层的厚度进行调整，保证整个成形砂型具有一致的紧实度。

4.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：铺粉装置是由两个结构相同的具有一定铺粉分辨率的铺粉机构组成的。

5.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：完成铸型后，清理掉未喷射树脂粘结剂而凝固的剩余型砂。

6.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：喷射的树脂粘结剂为低粘度有机或无机粘结剂。

7.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：铸型所用砂粉为铸造用耐火型砂。

8.根据权利要求1所述的自适应砂型3D打印成形方法，其特征在于：铸型所用砂粉为石英砂、陶粒砂、铬铁矿砂、锆英石砂、石灰石砂、刚玉砂、镁砂、耐火熟料砂、橄榄石砂中的一种或多种。

9.一种自适应砂型3D打印成形装置，其特征在于，包括：

负压成形室，所述负压成形室是用来使得铺粉过程中型砂处于一个负压的环境中，负压环境使型砂的紧实度提高，有利于最终成形铸型的强度；

可升降的工作平台，所述可升降的工作平台设置于成形室内，用于承托型砂；

铺粉装置，所述铺粉装置位于所述负压成形室上方，是由两个相同的阵列铺粉机构组成的，根据模型当前层几何截面轮廓信息在需要成形的部分铺设预混了固化剂的型砂以及在不需要成形的部分铺设没有混合固化剂的型砂；

二维运动系统，所述二维运动系统位于所述负压成形室上方；

阵列喷头，所述阵列喷头位于所述二维运动系统上，用于按需喷树脂粘结剂，凝固砂型，可实现在水平平面内的移动；

供液系统，所述供液系统与阵列喷头连接，用于提供打印砂型所需树脂粘结剂；

混砂装置，所述混砂装置位于成形室上方，用于将固化剂和原砂搅拌均匀，提供打印所需型砂；

储砂罐，所述储砂罐位于成形室旁，用于储存打印所需原砂；

真空上料装置，所述真空上料装置位于成形室上方，与所述混砂装置相连，将原砂从所述储砂罐中送入所述混砂装置中；

控制系统，所述控制系统与所述铺粉装置，二维运动系统，阵列喷头，供液系统，混砂装置，真空上料装置相连接。

10.根据权利要求9所述的一种自适应砂型3D打印成形装置，其特征在于，所述铺粉装置包括：

砂砾储存箱，所述砂砾储存箱是铺粉装置的主体，用于少量储存铺设所需型砂；

螺旋送粉机构，所述螺旋送粉机构位于砂砾储存箱中，用于将打印型砂均匀填充满砂砾储存箱；

按需铺粉阀，所述按需铺粉阀位于砂砾储存箱下方，将在计算机的控制下，打开、关闭阀门按需铺砂；

平砂板，所述平砂板在按需铺粉阀下方，用于将铺粉机构中的型砂均匀铺在工作台上。

11.根据权利要求9所述的一种自适应砂型3D打印成形装置，其特征在于，所述二维运动系统包括：

滑动座，所述滑动座与所述阵列喷头固定连接；

X轴导轨和X轴电机，其中所述X轴电机与所述滑动座相连，控制所述滑动座沿着所述X轴导轨移动；

Y轴导轨和Y轴电机，其中所述Y轴电机与所述滑动座相连，控制所述滑动座沿着所述Y轴导轨移动。