CN106001416B - 一次性完成高精度砂型制作的激光3d打印机 - Google Patents

Abstract

一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，包括打印装置、上料装置、布料装置以及烘干装置，打印装置包括底座，底座上设有升降装置控制升降平台升降，升降平台上设有铺砂平台，铺砂平台的上方设有激光打印头，上料装置包括砂箱及上料管道，布料装置包括料斗和推砂板，料斗位于上料管道的末端，用于将上料装置提供的砂布置于铺砂平台，推砂板用于将砂均匀推平，激光打印头用于在砂面上打印图案，烘干装置用于烘干打印完成的砂型。本发明激光3D打印机可有效提高成型速度和效率，且打印尺寸可严格控制，使成型件尺寸精度高，采用本发明的打印机可以打印各种尺寸以及复杂曲面的砂型，适用范围广。

Description

一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机。

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(Stereo Lithography)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装置，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种有效提高成型速度及效率，尺寸精度高的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，包括打印装置、上料装置、布料装置以及烘干装置，所述打印装置包括底座，所述底座上设有升降装置控制升降平台升降，所述升降平台上设有铺砂平台，所述铺砂平台的上方设有激光打印头，所述上料装置包括砂箱及上料管道，所述布料装置包括料斗和推砂板，所述料斗位于所述上料管道的末端，用于将所述上料装置提供的砂布置于所述铺砂平台，所述推砂板用于将砂均匀推平，所述激光打印头用于在砂面上打印图案，所述烘干装置用于烘干打印完成的砂型。

进一步，所述升降装置包括螺旋升降器和伺服电机，所述螺旋升降器连接于所述升降平台，所述伺服电机驱动所述螺旋升降器以控制所述升降平台的升降位移量。

进一步，所述底座上设有光轴，所述升降平台套设于所述光轴，沿所述光轴上下移动。

进一步，所述底座的周围设有立柱，所述立柱的顶部设有框架，所述框架的底部设有箱体，所述箱体围设于所述铺砂平台的四周。

进一步，所述箱体由多块钢板组合形成，所述钢板的顶部通过螺栓可拆卸的固定于所述框架。

进一步，所述铺砂平台的四周设有毛毡，用于密封所述铺砂平台与所述箱体之间的间隙。

进一步，所述升降平台上设有砂型移位车，所述砂型移位车上固定有支架，所述铺砂平台固定于所述支架的顶部，打印完成的砂型与所述铺砂平台、所述支架及所述砂型移位车共同移出所述打印装置。

进一步，所述打印装置与所述烘干装置之间设有连接轨道，打印完成的砂型于所述连接轨道上被送入所述烘干装置。

进一步，所述料斗与所述推砂板在所述铺砂平台所在的平面内沿相互垂直的方向运动。

进一步，所述砂箱内设有加热装置，为其中的砂提供一定的温度。

本发明的有益效果：

本发明采用上料装置将砂提供到铺砂平台，推砂板则将砂均匀推平，打印装置对铺砂平台的每层砂面进行打印，采用升降装置控制升降平台升降，从而使得铺砂平台在打印一层后下降一个砂层厚度，继续打印下一个层面，实现分层打印，可有效提高成型速度和效率，且打印尺寸可严格控制，使成型件尺寸精度高，采用本发明的打印机可以打印各种尺寸以及复杂曲面的砂型，适用范围广。

附图说明

图1为本发明一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图中，1-底座、2-螺旋升降器、3-伺服电机、4-光轴、5-升降平台、6-砂型移位车、7-支架、8-铺砂平台、9-立柱、10-框架、11-箱体、12-激光打印头、13-料斗、14-推砂板、15-砂箱、16-上料管道、17-上料筒、18-连接轨道、19-烘干箱、20-第一横向轨道、21-第一纵向轨道、22-第二横向轨道、23-第二纵向轨道、24-加热管。

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，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。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。

如图1及图2，本发明提供一种一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，包括打印装置、上料装置、布料装置以及烘干装置，上料装置将砂提供到上料筒17内，本发明所指的砂是具有树脂材料的覆膜砂，通过布料装置将砂铺设于铺砂平台8上，并均匀推平，然后通过打印装置在砂面上打印图案，最后将打印完成的砂型运送至烘干装置内烘干，得到所需的砂型。本发明3D打印机可打印各种尺寸的砂型，打印成型的砂型尺寸精度高，满足更精密的使用要求。

打印装置包括底座1，底座1上设有升降装置，升降装置顶部设有升降平台5，升降平台5上设有砂型移位车6，砂型移位车6上固定有支架7，支架7的顶部固定有铺砂平台8，打印完成的砂型与铺砂平台8、支架7及砂型移位车6共同移出打印装置。升降装置包括螺旋升降器2和伺服电机3，螺旋升降器2连接于升降平台5，伺服电机3驱动螺旋升降器2以控制升降平台5的升降位移量，在打印一层砂面后，升降装置控制升降平台5下降一个砂层的厚度，然后继续打印，通过升降装置来控制升降位移，实现精确控制。底座1上设有光轴4，升降平台5通过轴套套设于光轴4，沿光轴4上下移动。

底座1的周围设有立柱9，立柱9的顶部设有框架10，框架10的底部设有箱体11，箱体11围设于所述铺砂平台8的四周，挡止于铺砂平台8的四周，可防止铺砂平台8边缘的砂直接漏下去。在本实施例中，箱体11由多块钢板组合形成，钢板的顶部通过螺栓可拆卸的固定于框架10，在打印完成之前，铺砂平台8在箱体11内由上向下移动，从箱体11的顶部移动至底部，打印完成后，先将箱体11从框架10上拆除，然后再移出砂型。铺砂平台8的四周设有毛毡，用于密封铺砂平台8与箱体11之间的间隙，防止漏沙。

如图2，框架10的其中一侧设有激光打印头12，激光打印头12位于铺砂平台8的上方，用于在砂面上打印图案。框架10的顶部外侧设有互相垂直的第一横向轨道20和第一纵向轨道21，第一横向轨道20和第一纵向轨道21位于与铺砂平台8相平行的平面内，第一横向轨道20设有两条，分别位于第一纵向轨道21的两端，激光打印头12设于第一纵向轨道21上可沿第一纵向轨道21移动，且第一纵向轨道21可沿第一横向轨道20移动，使得激光打印头12可以在铺砂平台8的任意位置打印。框架10顶部还设有互相垂直的第二横向轨道22和第二纵向轨道23，第二横向轨道22也设有两条，分别位于第一横向轨道20的内侧，且与第一横向轨道20相平行，第二纵向轨道23与第一纵向轨道21相对设置，分别设置于框架10相对的两边缘。

上料装置包括砂箱15、上料管道16及上料筒17，砂箱15内填装有砂，为了使砂具有更好的结合性能，砂箱15内设有加热装置，为其中的砂提供一定的温度。上料管道16优选的为气动上料系统控制的管道，上料筒17设置于上料管道16的末端，通过气动控制系统将砂箱15内的砂通过上料管道16提升到上料筒17内，并同时控制每次上料筒17漏出的砂的量。

布料装置包括料斗13和推砂板14，料斗13位于上料筒17的下方，推砂板14则位于料斗13的下方，且位于料斗13远离铺砂平台8的一侧。料斗13设于第二纵向轨道23上，可沿第二纵向轨道23移动，推砂板14设于第二横向轨道22上，可沿第二横向轨道22移动，由于第二横向轨道22与第二纵向轨道23互相垂直，则料斗13和推砂板14在铺砂平台8所在的平面内沿相互垂直的方向运动。料斗13用于接上料筒17内下漏的料，并沿纵向移动，将砂沿纵向铺设成一条，然后推砂板14沿横向推砂，将砂均匀铺平。推砂板14上设有加热管24，在铺砂的同时对砂进行加热，使得砂先略微固化，防止散乱。

布料完成后，控制激光打印头12在砂面上进行打印，激光打印头12在控制系统的控制下，沿设定轨迹进行扫描，先扫描稍一个轮廓带形成砂型硬化区，然后再扫描轮廓线即切割，扫描砂型硬化区的温度接近砂子的固化温度，而扫描切割线的温度远大于砂子的固化温度，使分割线处的砂子失效，形成与轮廓线相一致的失效分割线，通过激光打印头12打印的轮廓线处的砂则由固化状态变成散砂，而中间砂型硬化区则是固化砂，单层打印完毕后，料斗13、推砂板14及激光打印头12均回到原位，然后升降装置控制升降平台5下移一个砂层的厚度，然后重复下一次布料、推砂及打印的过程，直至砂型打印完成。

打印装置与烘干装置之间设有连接轨道18，打印完成的砂型于连接轨道18上被送入所述烘干装置，砂型移位车6位于连接轨道18上，通过砂型移位车18将支架7、铺砂平台8、箱体11及砂型共同运动至烘干装置中。烘干装置为烘干箱19，烘干箱19内烘干温度为170℃～200℃左右，在高温加热下砂型固化，砂型以失去固结性能的三维轮廓为界分离，得到最终所需的砂型。

本发明通过分层打印的方式，采用上述3D打印机可以打印各种尺寸以及复杂曲面的砂型，适用范围广。且采用上述装打印置每层砂面时，激光打印头12行走轨迹为砂型轮廓线，行走路径短，加工面积小，可有效提高成型速度和效率，且打印尺寸可严格控制，使成型件尺寸精度高。且砂型铸造用途完成后，进行高温加热就可以将砂型还原成散沙，回收利用，可节省成本。

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 (9)

1.一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于，包括：打印装置、上料装置、布料装置以及烘干装置，所述打印装置包括底座，所述底座上设有升降装置控制升降平台升降，所述升降平台上设有铺砂平台，所述铺砂平台的上方设有激光打印头，所述升降平台上设有砂型移位车，所述砂型移位车上固定有支架，所述铺砂平台固定于所述支架的顶部，打印完成的砂型与所述铺砂平台、所述支架及所述砂型移位车共同移出所述打印装置，所述上料装置包括砂箱及上料管道，所述布料装置包括料斗和推砂板，所述料斗位于所述上料管道的末端，用于将所述上料装置提供的砂布置于所述铺砂平台，所述推砂板用于将砂均匀推平，所述激光打印头用于在砂面上打印图案，所述烘干装置用于烘干打印完成的砂型。

2.根据权利要求1所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述升降装置包括螺旋升降器和伺服电机，所述螺旋升降器连接于所述升降平台，所述伺服电机驱动所述螺旋升降器以控制所述升降平台的升降位移量。

3.根据权利要求2所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述底座上设有光轴，所述升降平台套设于所述光轴，沿所述光轴上下移动。

4.根据权利要求1所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述底座的周围设有立柱，所述立柱的顶部设有框架，所述框架的底部设有箱体，所述箱体围设于所述铺砂平台的四周。

5.根据权利要求4所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述箱体由多块钢板组合形成，所述钢板的顶部通过螺栓可拆卸的固定于所述框架。

6.根据权利要求4所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述铺砂平台的四周设有毛毡，用于密封所述铺砂平台与所述箱体之间的间隙。

7.根据权利要求1所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述打印装置与所述烘干装置之间设有连接轨道，打印完成的砂型于所述连接轨道上被送入所述烘干装置。

8.根据权利要求1所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述料斗与所述推砂板在所述铺砂平台所在的平面内沿相互垂直的方向运动。

9.根据权利要求1所述的一次性完成高精度砂型制作的激光3D打印机，其特征在于：所述砂箱内设有加热装置，为其中的砂提供一定的温度。