CN106001415A - 基于分层实体制造的激光3d打印砂型的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，包括将覆膜砂由砂箱上到上料机；上料机放砂，料斗接砂；料斗沿横向运动，同时将砂布置于铺砂平台上；推砂板沿纵向运动，同时将砂均匀推到整个铺砂工作面；激光打印器按设定程序工作，在砂面上沿预定轨迹移动，形成砂型硬化面及分割线；铺砂平台下移一个砂层厚度的距离，重复上述步骤一至步骤五，多层打印直至所有层面均打印完成；将砂型移出打印机，并送入烘干箱内烘干，烘干后砂型区覆膜砂固结于一体，分割线处覆膜砂散开，砂型于分割线分离；沿分割线将周围余砂去除，得到最终的砂型，上述打印方法提高了成型速度和效率，可打印出大尺寸、复杂曲面的砂型，尺寸精度高。

Description

基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法。

背景技术

激光快速成型技术能很快地将产品零件的计算机辅助设计模型(CAD模型)转换为物理模型、零件原型或零件。激光快速成型由CAD模型直接驱动，只需改变CAD模型，就可获得相应的物理实体，大大缩短了从概念模型设计到生产出产品或样品的生产周期。

目前的激光快速成型方法主要有：薄型材料选择性切割LOM(Laminating ObjectManufacturing)、选择性激光烧结SLS(Selected Laser Sintering)及光固化成型SL(StereoLithography)等。

薄型材料选择性切割LOM(Laminating Object Manufacturing)，主要以薄膜为材料，激光沿着所需二维轮廓进行切割，将切割后所得薄膜层叠起来，即得到成型件。这种方法除加工轮廓信息外，还需要对轮廓外的肥料部分进行激光网格划分以便于去除，材料浪费较大，一般只能采用纸张等连续的薄型材料，且厚度不可调整，所制作的成型件尺寸有限。

选择性激光烧结SLS(Selected Laser Sintering)，又称激光选区烧结。该方法采用具有烧结性能的粉末材料，由计算机对三维CAD模型进行分层，得到一系列截面信息，激光光束根据每一层的界面信息对该层粉末材料进行选择性区域扫描，烧结出二维截面，相邻的两层截面之间烧结相连，如此循环，即可得到与CAD模型形状一直的三维实体。这种方法需要对每一个层面的面域进行激光扫描，使得成型时间较长，而且激光烧结件普遍存在致密度低、强度低、尺寸精度差等不足。

光固化成型SL(Stereo Lithography)方法，又称立体光刻、光成型等，SL技术是基于液态光敏树脂的光聚合远离工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。但这种方法成型工艺复杂，成型时间长，而且材料选择面窄。

因此，有必要设计一种更好的三维模型成型方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高成型速度和效率，打印精度高，打印尺寸大的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，包括：

步骤一：通过上料管道将覆膜砂由砂箱上到上料机；

步骤二：按设定指令使料斗运动到接砂初始坐标点，此时料斗正对所述上料机，所述上料机放砂，所述料斗接砂；

步骤三：所述料斗沿铺砂平台的侧边横向运动，同时控制所述料斗开启将覆膜砂布置于所述铺砂平台上，铺砂完成后所述料斗回到接砂初始坐标点；

步骤四：推砂板自所述铺砂平台的侧边沿垂直于横向的纵向方向在所述铺砂平台所在平面内运动，同时将覆膜砂均匀推到整个铺砂工作面，到达终点时返回到初始位置；

步骤五：激光打印器按设定程序工作，在砂面上沿预定轨迹移动，形成砂型硬化面及分割线，打印该层砂面完成后所述激光打印器回到原点；

步骤六：铺砂平台下移一个砂层厚度的距离，重复上述步骤一至步骤五，多层打印直至所有层面均打印完成；

步骤七：将砂型移出打印机，并送入烘干箱内烘干，烘干后砂型区覆膜砂固结于一体，所述分割线处覆膜砂散开，砂型于所述分割线分离；

步骤八：沿所述分割线将周围余砂去除，得到最终的砂型。

进一步，步骤一之前，先将所述砂箱内的覆膜砂进行加热，加热至25℃～40℃。

进一步，所述料斗内设置传感器，步骤二中当所述料斗内覆膜砂位面到达所述传感器的位置时，所述上料机停止放砂。

进一步，所述推砂板远离所述铺砂平台的一侧设有加热管，在步骤四中推砂板推砂的同时，其后端的加热管跟随所述推砂板运动，同时给砂面加热，以初步定型砂面。

进一步，所述加热管对砂面的加热温度小于覆膜砂的固化温度，加热温度为90℃～120℃。

进一步，步骤五中，所述激光打印器扫描所述砂型硬化面的温度接近覆膜砂的固化温度，扫描所述分割线的温度大于覆膜砂的失效温度，使所述分割线处的覆膜砂失效。

进一步，打印完成后将砂型随着所述铺砂平台移出，所述铺砂平台下方设有砂型移位车，通过所述砂型移位车将所述砂型运输至所述烘干箱。

进一步，步骤六完成后，模型区的覆膜砂已固化，将其余覆膜砂放出，并在铺砂区域内的空隙中用原砂填满。

进一步，所述烘干箱内的加热温度与覆膜砂的固化温度相等，加热后砂型区覆膜砂固结于一体，所述分割线处覆膜砂散开。

进一步，砂型利用完毕后，高温加热所述砂型使其还原成散沙回收。

本发明的有益效果：

本发明通过料斗和推砂板将砂铺平在铺砂平台上，再用激光打印器根据设定轨迹打印图案，在砂面上形成硬化面和分割线，其中分割线处的覆膜砂因激光扫描而失效，失去固结功能，然后将铺砂平台下降一个砂层厚度的距离，重复铺砂打印的过程，实现分层实体打印，全部打印完成后将砂型送入烘干箱内加热，加热后砂型区覆膜砂固结于一体，分割线处覆膜砂散开，砂型于分割线分离，然后将余砂去除，即可得到砂模。本发明采用分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，能够打印出大尺寸、复杂曲面的砂型，打印出的砂型尺寸精度高，成型速度和效率都大大提高，且砂型利用完毕后，可加热还原成散砂重复利用，节省成本。

附图说明

图1为本发明基于分层实体制造的激光3D打印砂型的打印系统的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法的流程图；

图中，1—砂箱、2—上料管道、3—上料机、4—料斗、5—推砂板、6—加热管、7—激光打印器、8—铺砂平台、9—升降装置、10—砂型移位车、11—连接轨道、12—烘干箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，用于打印大尺寸、复杂曲面的砂型，采用分层实体制造方法可以提高砂型成型速度和效率，打印出的砂型尺寸精度高。

如图1及图2，本发明基于分层实体制造的激光3D打印砂型的打印系统包括上料装置、布料装置、打印装置及烘干装置。上料装置包括砂箱1、上料管道2及上料机3，上料机3和砂箱1分别设置于上料管道2的两端。布料装置包括料斗4和推砂板5，料斗4和推砂板5可在铺砂平台8所在的平面内沿相互垂直的方向移动，料斗4用于接上料机3放的覆膜砂，并将覆膜砂落在铺砂平台8上，而推砂板5则将覆膜砂均匀推平，本实施例中所用覆膜砂为市购。打印装置包括激光打印器7和升降装置9，激光打印器7设置于铺砂平台8的上方，用于在铺设的砂面上根据设定轨迹打印图案，升降装置9则用于控制铺砂平台8的升降，在一层砂面打印完成后，通过升降装置9控制铺砂平台8下移一个砂层的厚度，然后继续打印，就可以实现分层打印，最终形成砂模。烘干装置则是与打印装置通过连接轨道11连接的烘干箱12，砂型打印完成后通过砂型移位车10将砂型通过连接轨道11运送至烘干箱12内加热。

如图3，基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，采用计算机控制系统控制，预先在计算机控制系统内设定指令，开动打印系统后，系统自动运行，方法包括：

步骤一：先在砂箱1内装满覆膜砂，环境温度低时，需对砂箱1加热，来提高覆膜砂的初始温度，一般将砂箱1内覆膜砂温度加热至25℃～40℃，提高覆膜砂的固结性能。然后按控制系统指令，控制上料机3工作将覆膜砂通过上料管道2吸到上料机3。

步骤二：按设定指令使料斗4运动到接砂初始坐标点，此时料斗4正对上料机3，上料机3放砂，料斗4接砂，料斗4内设置传感器，当料斗4内覆膜砂位面到达传感器的位置时，上料机3停止放砂，此时料斗4内的覆膜砂则是一层砂模打印所需的砂量。

步骤三：料斗4沿铺砂平台8的侧边横向运动，同时控制料斗4开启，双杠气缸工作打开料斗4口，在料斗4横向移动的同时将覆膜砂布置于铺砂平台8上，铺砂完成后料斗4回到接砂初始坐标点。

步骤四：推砂板5自铺砂平台8的侧边沿垂直于横向的纵向方向在铺砂平台8所在平面内运动，同时将砂均匀推到整个铺砂工作面。推砂板5远离铺砂平台8的一侧设有加热管6，在推砂板5推砂的同时，其后端的加热管6跟随推砂板5运动，同时给砂层表面加热，以初步定型砂面，加热管6对砂面的加热温度小于覆膜砂的固化温度(覆膜砂固化温度为170℃～200℃)，加热温度为90℃～120℃。推砂后的余料进入集料箱回收，推砂完成后推砂板5返回到初始位置。与此同时，上料装置可重复步骤一至步骤二，等待下一个循环，节省下一个循环时的上料时间。

步骤五：激光打印器7按设定程序工作，在砂面上沿预定轨迹移动，形成砂型硬化面及分割线，打印该层砂面完成后激光打印器7回到原点。覆膜砂的固化温度为170℃～200℃，调整激光打印器7的功率，使激光打印器7扫描砂型硬化面的温度接近覆膜砂的固化温度，扫描分割线的温度大于覆膜砂的失效温度，使分割线处的覆膜砂失效。

步骤六：一层砂面的图案打印完成后，通过升降装置9将铺砂平台8下移一个砂层厚度的距离，然后重复上述步骤一至步骤五，多层打印直至所有层面均打印完成，此时控制系统内会判断所有层面是否全部打印完成，若是，则进行下一步，若否，则回到第一步重新打印下一层的砂面。若此时上料已完成，则重复步骤二至步骤五。

步骤七：将打印完成的砂型移出打印机，并通过砂型移位车10在连接轨道11上移动，从而将砂型及砂型移位车10送入烘干箱12内烘干，烘干箱12内的加热温度与覆膜砂的固化温度相等，为170℃～200℃，加热后砂型区覆膜砂固结于一体，分割线处覆膜砂散开，砂型于分割线分离。在烘干过程中，打印装置可继续进行下一工件的打印工作，并不会受到影响，提高了砂型成型速度和效率。

步骤八：利用工具沿分割线将周围余砂去除，得到最终的砂型。砂型利用完毕后，可高温加热使其还原成散沙回收再利用，节省成本。

优选的，打印某些工件时，砂型打印完成后，模型区的覆膜砂已固化，将其余覆膜砂放出，并在铺砂区域内的空隙中用原砂填满，原砂加温不会固化，减小模型在烘干箱12内的变形量。

本发明通过激光打印器7根据设定轨迹打印图案，在砂面上形成硬化面和分割线，其中分割线处的覆膜砂因激光扫描而失效，失去固结功能，然后将铺砂平台下降一个砂层厚度的距离，重复铺砂打印的过程，实现分层实体打印，全部打印完成后将砂型送入烘干箱12内加热，加热后分割线处的覆膜砂散开，然后将散掉的覆膜砂去除，即可得到砂模。本发明采用分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，能够打印出大尺寸、复杂曲面的砂型，打印出的砂型尺寸精度高，成型速度和效率都大大提高，且砂型利用完毕后，可加热还原成覆膜砂重复利用，节省成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法，其特征在于，包括：

步骤一：通过上料管道将覆膜砂由砂箱上到上料机；

步骤二：按设定指令使料斗运动到接砂初始坐标点，此时料斗正对所述上料机，所述上料机放砂，所述料斗接砂；

步骤三：所述料斗沿铺砂平台的侧边横向运动，同时控制所述料斗开启将覆膜砂布置于所述铺砂平台上，铺砂完成后所述料斗回到接砂初始坐标点；

步骤四：推砂板自所述铺砂平台的侧边沿垂直于横向的纵向方向在所述铺砂平台所在平面内运动，同时将覆膜砂均匀推到整个铺砂工作面，到达终点时返回到初始位置；

步骤五：激光打印器按设定程序工作，在砂面上沿预定轨迹移动，形成砂型硬化面及分割线，打印该层砂面完成后所述激光打印器回到原点；

步骤六：铺砂平台下移一个砂层厚度的距离，重复上述步骤一至步骤五，多层打印直至所有层面均打印完成；

步骤七：将砂型移出打印机，并送入烘干箱内烘干，烘干后砂型区覆膜砂固结于一体，所述分割线处覆膜砂散开，砂型于所述分割线分离；

步骤八：沿所述分割线将周围余砂去除，得到最终的砂型。

2.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：步骤一之前，先将所述砂箱内的覆膜砂进行加热，加热至25℃～40℃。

3.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：所述料斗内设置传感器，步骤二中当所述料斗内覆膜砂位面到达所述传感器的位置时，所述上料机停止放砂。

4.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：所述推砂板远离所述铺砂平台的一侧设有加热管，在步骤四中推砂板推砂的同时，其后端的加热管跟随所述推砂板运动，同时给砂面加热，以初步定型砂面。

5.根据权利要求4所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：所述加热管对砂面的加热温度小于覆膜砂的固化温度，加热温度为90℃～120℃。

6.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：步骤五中，所述激光打印器扫描所述砂型硬化面的温度接近覆膜砂的固化温度，扫描所述分割线的温度大于覆膜砂的失效温度，使所述分割线处的覆膜砂失效。

7.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：打印完成后将砂型随着所述铺砂平台移出，所述铺砂平台下方设有砂型移位车，通过所述砂型移位车将所述砂型运输至所述烘干箱。

8.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：步骤六完成后，模型区的覆膜砂已固化，将其余覆膜砂放出，并在铺砂区域内的空隙中用原砂填满。

9.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：所述烘干箱内的加热温度与覆膜砂的固化温度相等，加热后砂型区覆膜砂固结于一体，所述分割线处覆膜砂散开。

10.根据权利要求1所述的基于分层实体制造的激光3D打印砂型的方法,其特征在于：砂型利用完毕后，高温加热所述砂型使其还原成散砂回收。