CN107570663B - 一种双喷头异孔径喷嘴的砂型打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置及方法。包括安装在同一底板上的装有两种直径喷嘴的两个喷头，两个喷头同步运动，两个喷头分别装有两种直径规格的喷嘴，每个喷头下装有同种直径规格并且能够分别单独开启和闭合的若干喷嘴；两个喷头中的大喷头打印内外轮廓之间的内部区域，小喷头打印内外轮廓处的边界区域；方法设定每个喷头下包含喷嘴的规格及数目，确定每个喷头下各个喷嘴在当前分层的打印路径，依据所确定的打印路径控制喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印。本发明能提高表面打印精度和提高打印效率，使砂型打印同时兼顾打印精度和打印效率。

Description

一种双喷头异孔径喷嘴的砂型打印方法

技术领域

本发明涉及砂型3D打印技术领域，尤其是涉及了一种双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置及方法。

背景技术

3D砂型打印技术可以利用数字化模型直接叠层制造出所需砂模。该技术将原砂、粘结剂和固化剂根据零件切片形状进行选择性铺敷，并采用叠层制造方法获得整体零件形状。其一般工作原理为首先铺敷一层干砂，然后根据三维零件的切片截面轮廓，用喷头将粘结剂和固化剂选择性喷射到原砂表面，原砂、粘结剂和固化剂发生胶连反应固化，一层打印完成后，成型箱台面下降一个层厚高度，再铺敷一层原砂，并继续将粘结剂打印到下一个截面形状的原砂区域。按照此流程依次循环、逐层堆叠，最终得到所需的砂模零件。砂型打印技术会极大地改善工人的劳动环境，大幅提高生产效率和砂模精度，同时可以打印蜗壳、螺旋等复杂曲面形状，具有广泛应用前景。

对于采用粘结剂/固化剂喷射成型原理的砂型打印机，液体选择性喷射系统是整个砂型打印机的核心部件，其喷头的结构原理决定了打印机的打印精度和砂模质量的高低。目前砂型打印微滴喷射技术中的喷嘴技术主要采用普通打印机的喷墨技术(压电晶体式)，此外还包括阀式以及拍击式喷嘴，不同喷嘴的制作工艺及工作原理会对喷射液滴的形状、体积、速度等产生影响。喷嘴研究是较困难的问题，因为微滴喷射喷嘴多涉及微纳技术，业内通用稳定可靠喷嘴较少，且大多数被国外垄断。另外，需要特别注意的是采用该方案普遍存在粘结剂用量超标及砂模强度不够的缺陷。

对于大型砂模件，打印装置喷头的排列以及工作方式对成型效率及表面质量有非常大的影响。为了提高成型效率，一般情况下，砂型3D机喷头下会安装多个喷嘴，实现多个喷嘴同时并行打印，增加单位时间内打印机的扫描面积。多喷嘴成型方式显然要比单个喷嘴效率提高，但是多喷嘴的缺陷显而易见：没有单喷嘴灵活，尤其是在轮廓边界曲线复杂或者多个轮廓环相互嵌套的情况下，由于多个喷嘴需要同时跟进打印，需要控制多个喷嘴的运行轨迹；相邻喷嘴在喷印区域分界线处，可能会存在粘结剂喷射区域缺失或者干涉情况；成型精度和效率受到喷嘴孔径影响，如果采用大孔径喷嘴进行扫描，单位时间内，喷头扫过面积会增大，显著提高成型效率，但是对于轮廓边界处的误差受到喷嘴直径的影响，若要得到高精度表面的成型件，需要对边界采用小孔径喷嘴进行扫描打印，但是该方法会制约成型效率。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置及方法。

为实现上述目的，如图1所示，本发明的技术方案是：

一、一种双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置：

包括安装在同一底板上的装有两种直径喷嘴的两个喷头，两个喷头同步运动，两个喷头分别装有两种直径规格的喷嘴，每个喷头下装有同种直径规格并且能够分别单独开启和闭合的若干喷嘴。

每个喷头下同种直径规格的喷嘴相互紧密排列成一排，同种直径规格的喷嘴所喷射液滴的直径等于相邻喷嘴之间的距离。

所述喷头安装在分别沿两个相垂直方向布置的两个导轨滑块组件的底座上，喷头由导轨滑块组件带动下在同一打印分层下沿两个相垂直方向移动。

具体实施中建立坐标系，Z轴为分层打印方向，X和Y轴分别为同一打印分层下沿两个相垂直方向。即使得喷头设置有分别沿X和Y方向相垂直方向的两个导轨滑块组件，喷头由导轨滑块组件带动沿X和Y方向移动。X和Y方向中的，X方向为打印移动方向，Y方向为空程移动方向。

两个喷头中的大喷头打印轮廓之间的内部区域，小喷头打印轮廓处的边界区域。

具体实施中，包括两个大喷头和小喷头，大喷头和小喷头均安装在底座上，底座连接导轨滑块组件，导轨滑块组件主要包括两根导轨和两个导轨块。

大小喷头上分别均匀排列有孔径不同、个数不等的喷嘴。两个喷头中的大喷头装有较大孔径的喷嘴，两个喷头中的小喷头装有较小孔径的喷嘴。

所述的喷嘴与高频通断电磁阀连接，开启状态由高频通断电磁阀控制。当喷嘴进入喷印区域后，控制该喷嘴的电磁阀开启，当离开喷印区域后，该电磁阀关闭，满足在不同区域下，喷头上各个喷嘴相互独立地对打印区域选择性打印。

二、一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，包括以下步骤：

1)对所需打印的CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据；

2)确定每个分层所有的轮廓以及各个轮廓的相互包含关系，即确定内外轮廓；

3)设定每个喷头下包含喷嘴的规格及数目；

4)确定每个喷头下各个喷嘴在当前分层的打印路径；

5)依据所确定的打印路径控制喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印；

6)重复步骤2)-5)根据各分层的轮廓数据进行各个分层的打印，依次更新下一分层轮廓数据并打印下一分层。

所述步骤3)中具体是设定大小喷头中各自喷嘴的数量和直径使得大喷头中喷嘴直径总和与小喷头中喷嘴直径总和相同。

具体实施中，设小喷嘴的直径为d₁，大喷嘴的直径为d₂，d₂＝2d₁，在小喷头下安装10个直径为d₁的喷嘴，在大喷头下安装5个直径为d₂的喷嘴。

所述步骤4)中具体步骤为：

(4.1)建立当前分层下最大轮廓的最小包围矩形，最小包围矩形的两条边分别平行于打印移动方向和空程移动方向，最小包围矩形沿空程移动方向的边长为b；喷头在沿打印移动方向移动时，设定扫描的宽度为nd₁，d₁为小喷头的喷嘴直径，扫描打印所有轮廓的所需扫描次数为：

n＝[b/nd₁]+1

其中，[b/nd₁]表示不大于b/nd₁的最大整数，n表示小喷头中喷嘴的数量；

(4.2)对于喷头下的若干喷嘴，过每个喷嘴作平行于打印移动方向的直线，各条直线与各个轮廓相交，并记录交点；

(4.3)计算每条直线与轮廓的交点，该交点即为喷嘴在沿打印路径中开启和闭合的判断标记点；确定喷嘴的开闭起止标记点，定义沿X方向第奇数个交点为外轮廓点，并作为开启坐标点，定义第偶数个交点为内轮廓点，并作为关闭坐标点：

对于小喷头，喷嘴在开启坐标点以及关闭坐标点前2d₁处开启，在开启坐标点后2d₁以及关闭坐标点处关闭；

对于大喷头，喷嘴在开启坐标点后2d₁处开启，在关闭坐标点前2d₁处关闭。

本发明方法在采用多喷嘴的基础上，通过引入两个装有不同孔径喷嘴的喷头，通过计算机预先处理的分层信息，对每层的边界处(包括外边界以及内部含有的边界区域)采用小孔径喷嘴的喷头进行打印，其他区域采用大孔径喷嘴的喷头快速扫描，由于成型件大部分是非边界的内部实心区域，采用大孔径喷嘴扫描可以显著提高打印效率，因此该装置可以在保证成型件表面精度的同时提高成型效率。

本发明具有的有益效果是：

本发明提供的双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置，该打印装置对两个喷头安装不同直径的多个喷嘴，可以在提高砂模边界打印精度的同时对内部区域快速扫描，显著提高砂模的成型效率。

本发明用双喷头的大直径喷嘴对充满大部分区域的轮廓内部进行扫描打印，小直径喷嘴仅对轮廓的边界区域进行扫描，其中在扫描完边界区域的时候，内部区域是不需要小直径喷嘴扫描的，可以通过大直径喷嘴的快速进行打印，提高效率，而边界区域则可以小直径的喷嘴提高精度。

附图说明

图1是本发明的双喷头异孔径喷嘴的砂型打印方法流程图；

图2是本发明的双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置图；

图3是双喷头下变喷嘴组合结构图；

图4是不同喷嘴扫描打印路径确定示意图；

图5是喷嘴单独控制开启状态图；

图6是双喷头扫描示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例及其实施过程如下：

1)对所需打印的CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据；

2)确定每个分层所有的轮廓以及各个轮廓的相互包含关系；

3)设定每个喷头下包含喷嘴的规格及数目；

如图2所示，小喷头7上安装有小孔径喷嘴9，大喷头5上安装有大孔径喷嘴6，小喷头7和大喷头5共同通过第一连接杆8固定安装在第二导轨滑块10 的底面，导轨滑块组件包括沿X方向的第一导轨1、第一导轨滑块2、沿Y方向的第二导轨4、第二导轨滑块10和第二连接杆3，小喷头7顶端经第一连接杆8和第二导轨滑块10固定连接，第一导轨滑块2套装在第一导轨1上，沿第一导轨1移动，第一导轨滑块2底端经第二连接杆3和第二导轨滑块10固定连接，第二导轨滑块10套装在第二导轨4上，沿第二导轨4移动，第一导轨1和第二导轨4相垂直。

第一导轨1和第二导轨4相垂直。装有小孔径喷嘴的小喷头7通过第一连接杆8与第一导轨滑块2相连。小喷头7下安装10个直径为d₁的小孔径喷嘴9，大喷头5下安装5个直径为d₂的大孔径喷嘴6，小喷头7、大喷头5沿X方向打印砂模，小喷头7排列在大喷头5前方，在一个行程结束后，沿Y方向移动一个喷头距离继续打印。

具体实施中建立坐标系，Z轴为分层打印方向，X方向为打印移动方向，Y 方向为空程移动方向。

小喷头7下10个小孔径喷嘴9的直径为d₁，大喷头5下5个大孔径喷嘴6 的直径为d₂，如图3所示，其中两种喷嘴的孔径关系为：

d₂＝2d₁

按照扫描面积计算可知，大喷头5的单位时间内的扫描面积是小喷头7的2 倍，因此可以显著提高打印效率。在本发明中，d₂＝2d₁，如果适当将d₂取大，那么打印效率会进一步提高。

4)确定每个喷头下各个喷嘴在当前分层的打印路径；

每个喷头下的不同孔径喷嘴在各自打印方向上都有特定的移动轨迹，需要单独计算每个喷嘴的打印路径。孔径大小不同的喷嘴实际上是互补型打印，即在边界区域是小喷头7打印，非边界区域采用大喷头5打印，对轮廓边界区域打印两个小喷嘴直径的距离。如图4所示，X方向为喷头的打印方向，Y方向为喷头更换扫描方向时的移动方向，设小喷头7中一个喷嘴该喷嘴经过坐标为 (x₀,y₁)，设l₁为过y₁且垂直于Y方向的直线，对于所有轮廓，计算l₁与最大轮廓的两个交点a,b，即为喷嘴在X方向上的扫描路径起始范围，根据喷头下喷嘴的直径，确定不同喷嘴的开启和闭合的坐标点。

在每个喷嘴的扫描路径下，需要根据扫描路径与不同轮廓的相交情况确定开启和闭合状态。如图5所示，在所有的轮廓下，扫描路径l₁必然穿过各个轮廓，依次穿过轮廓的交点为(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₃,y₁)、(x₄,y₁)，图中a,b,c,d点分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₁)、(x₃,y₁)、(x₄,y₁)，喷嘴直径为d₁。

当喷嘴经过这四个点时开启或关闭。对于内外轮廓边界点，喷嘴的开启和关闭时间不同，沿X方向的奇数个交点定义为外轮廓点，喷嘴到达该交点后开启，移动两个喷嘴直径距离(2d₁)后关闭；沿X方向的偶数个交点定义为内轮廓点，喷头在到达交点前2d₁的距离开启，到达交点后关闭。

为便于理解，图5中画出了两个小喷头在打印过程中不同位置的示意图，用以表示距离2d₁。

按照上述外轮廓点、内轮廓点的定义，对于四个交点，(x₁,y₁)和(x₃,y₁)为外轮廓点，(x₂,y₁)和(x₄,y₁)为内轮廓点，所以当小喷头下的喷嘴在移动到(x₁,y₁)、 (x₃,y₁)时开启，移动至(x₁+2d₁,y₁)、(x₃+2d₁,y₁)关闭；喷嘴移动到 (x₂-2d₁,y₁)、(x₄-2d₁,y₁)前的2d₁处开启，到达(x₂,y₁)、(x₄,y₁)后关闭。对于大喷头下的喷嘴，则当喷嘴移动至(x₁+2d₁,y₁)、(x₃+2d₁,y₁)开启，移动至 (x₂-2d₁,y₁)，(x₄-2d₁,y₁)关闭。

因此，小喷头下喷嘴分别在(x₁,y₁)和(x₁+2d₁,y₁)、(x₂-2d₁,y₁)和(x₂,y₁)、 (x₃,y₁)和(x₃+2d₁,y₁)、(x₄-2d₁,y₁)和(x₄,y₁)之间打印；大喷头下的喷嘴分别在(x₁+2d₁,y₁)和(x₂-2d₁,y₁)、(x₃+2d₁,y₁)和(x₄-2d₁,y₁)之间打印。

5)依据所确定的打印路径控制喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印；

当两个喷头沿X方向移动时，小喷头打印边界区域，大喷头在小喷头后打印砂模的内部非边界区域，如果当前打印区域无边界则提高大喷头的移动速度。当大喷头移动至打印方向尾部时候，将两个喷头沿Y方向移动一个喷头(10d₁) 的距离，更换打印方向，进行下一轮的扫描打印，如图6所示。

6)重复步骤2)-5)根据各分层的轮廓数据进行各个分层的打印，依次更新下一分层轮廓数据并打印下一分层。

具体实施最后判断是否打印完所有层的轮廓，如果是，结束，否则继续执行步骤6)直至满足打印结束条件。

根据上述分析，本发明提供的双喷头异孔径喷嘴的砂型打印装置及其方法，大小两个喷头同时在打印区域中扫描，根据扫描区域的不同，小喷头下的喷嘴扫描打印边界区域，大喷头下的喷嘴扫描打印内部非边界区域，通过小喷头扫描打印方法可以提高砂模表面成型精度，通过大喷头的扫描打印方法可以提高砂模打印效率，因此本发明可以兼顾砂模打印效率以及打印精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，所述方法采用砂型打印装置，砂型打印装置包括安装在同一底板上的装有两种直径喷嘴的两个喷头，两个喷头同步运动，两个喷头分别装有两种直径规格的喷嘴，每个喷头下装有同种直径规格并且能够分别单独开启和闭合的若干喷嘴，其特征在于方法包括以下步骤：

1)对所需打印的CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据；

2)确定每个分层所有的轮廓以及各个轮廓的相互包含关系，即确定内外轮廓；

3)设定每个喷头下包含喷嘴的规格及数目；

4)确定每个喷头下各个喷嘴在当前分层的打印路径；

5)依据所确定的打印路径控制喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印；

6)重复步骤2)-5)根据各分层的轮廓数据进行各个分层的打印；

所述步骤4)中具体步骤为：

(4.1)建立当前分层下最大轮廓的最小包围矩形，最小包围矩形的两条边分别平行于打印移动方向和空程移动方向，最小包围矩形沿空程移动方向的边长为b；喷头在沿打印移动方向移动时，设定扫描的宽度为nd₁，d₁为小喷头的喷嘴直径，扫描打印所有轮廓的所需扫描次数为：

n＝[b/nd₁]+1

其中，[b/nd₁]表示不大于b/nd₁的最大整数，n表示小喷头中喷嘴的数量；

(4.2)对于喷头下的若干喷嘴，过每个喷嘴作平行于打印移动方向的直线，各条直线与各个轮廓相交，并记录交点；

(4.3)计算每条直线与轮廓的交点，定义沿X方向第奇数个交点为外轮廓点，并作为开启坐标点，定义第偶数个交点为内轮廓点，并作为关闭坐标点：

对于小喷头，喷嘴在开启坐标点以及关闭坐标点前2d₁处开启，在开启坐标点后2d₁以及关闭坐标点处关闭；

对于大喷头，喷嘴在开启坐标点后2d₁处开启，在关闭坐标点前2d₁处关闭。

2.根据权利要求1的一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，其特征在于：所述步骤3)中具体是设定大小喷头中各自喷嘴的数量和直径使得大喷头中喷嘴直径总和与小喷头中喷嘴直径总和相同。