CN107790628A - 一种吹气固化法3d打印铸造砂型的成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吹气固化法3D打印铸造砂型的成形方法及装置。该方法是升降机构控制工作平台每下移一个层厚距离铺设一层原砂，计算机根据当前层砂型的截面信息，控制阵列喷头喷射粘接剂进行层层打印。砂型打印完成后移到密闭环境中，通入压缩空气和催化剂气体以实现砂型的固化，并将剩余催化剂气体及未固化原砂进行处理，最终得到所需砂型。本发明还提出了一种吹气固化法3D打印铸造砂型的成形系统，包括：成形系统、铺粉装置、储砂装置、阵列喷头、吹气装置、供液系统及尾气处理装置。采用本发明所述的方法及装置制造砂型具有成形效率高，固化速度快，砂芯溃散性好，铸件尺寸精度高，表面质量好等优点，可进一步在铸造企业大力推广。

Description

一种吹气固化法3D打印铸造砂型的成形方法及装置

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种无模铸型快速制成形方法，以及一种无模铸型成形系统。

背景技术

目前的快速原型技术（rapid prototype）大多都基于分层制造技术，分层制造技术是将被加工对象分解为多个平行的薄层，加工过程中，通过逐层成形这些薄层并叠加而完成制造。这一过程往往要借助于计算机技术来实现。

用分层制造技术快速制造铸造砂型（包括砂型和砂芯，以下统称铸型）的常用方法主要有以下两种：

一种是用激光对覆膜砂进行选择性烧结。其基本方法是：先在工作台上铺一层覆膜砂，并加热至略低于覆膜砂融点温度，然后用激光束按照截面形状进行扫描，被扫描的部分融化、粘接成形，该层成形后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结，直至最终逐层堆叠固化成铸型。这种方法的主要缺点是制成的铸型需二次固化，并且变形量大，影响砂型和砂芯的装配，铸件尺寸精度受影响。

另一种是对覆有固化剂的型砂进行选择性喷覆树脂，先在工作台上铺一层覆有固化剂的型砂，然后由计算机控制喷头按照切面形状精确地喷射树脂，树脂和砂粒表面的固化剂发生固化反应，一层层固化的型砂堆叠成铸型。这种方法的主要缺点是砂型树脂含量高，加工完铸型后固化速度慢，去砂困难，随后的铸造过程中铸造缺陷发生率高。

发明内容

针对喷射粘结剂粘接砂型所存在的问题，本发明目的在于提出了一种吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，以及提出采用吹气固化法3D打印铸造砂型方法的装置。

吹气固化法3D打印铸造砂型的方法是在砂型打印完成后，将砂型移到一个密闭环境中，并向密闭空间内通入压缩气体及催化剂气体，使喷有粘接剂的砂型固化，并将固化完后的催化剂气体排出。该方法无需混砂，大量节省固化剂，而且固化速度快，去砂容易，剩余干砂可回收利用。

为了实现上述目的，本发明所提供的吹气固化法3D打印铸造砂型方法按以下步骤进行：

步骤1：根据砂型三维CAD模型，进行切片分层，获得各层详细的截面轮廓信息；

步骤2：在工位一区域，工作平台下移一个层厚，用铺粉辊均匀的铺一层原砂；

步骤3：按照当前层砂型的截面形状，在指定区域采用阵列喷头喷射粘结剂，粘结剂遇到原砂将其包覆；

步骤4：重复步骤1、步骤2，层层打印，直至打印完成整个砂型；

步骤5：利用移动小车将打印好的砂型移动至工位二；

步骤6：通过压板将打印好的砂型向下压紧以实现砂型的整体密封；

步骤7：向砂型密闭空间通入干燥的压缩空气及催化剂气体，在一定时间内完成铸型固化；

步骤8：停止吹气，等待砂型固化，并对催化剂气体进行尾气处理；

步骤9：移除压板，工作台板上升，清洗打印喷头，回收未固化的原砂，并将固化好的砂型取出。

进一步地，所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于：铸型所用砂粉为石英砂或陶粒砂、铬铁矿砂、锆英砂和橄榄石砂等铸造用型砂，常用粒度为70/140目。

进一步地，所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于：阵列喷头所喷射的液体粘接剂为酚醛树脂和聚异氰酸酯时，其相应的催化剂气体为三乙胺气体。粘接剂为呋喃系冷硬树脂时，其相应的催化剂气体为SO2。粘接剂为碱性甲阶酚醛树脂时，其相应的催化剂气体为甲酸甲酯。粘接剂为水玻璃时，其相应的催化剂气体为CO2等。

进一步地，所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于干燥的压缩空气压力为0.3Mpa-0.45Mpa。

进一步地，所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于，打印完成后，通入催化剂气体固化时间为30s左右。

进一步地，所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于：停止吹气后，对催化剂气体进行尾气处理，并回收未固化的原砂。

另外，本发明提供了一种吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，包括：

成形系统，所述成形系统一方面用来完成原砂的打印成形，一方面用于吹入循环流动的催化剂气体实现铸型的整体固化；

二维运动系统，所述二维运动系统位于成形系统上方，用于实现阵列喷头在X轴向和Y轴向的往复运动；

铺粉装置，所述铺粉装置位于成形系统上方，与X轴导轨相连接，用于铺设各类型砂；

储砂装置，所述储砂装置位于成形系统上方，与支架相连接，用于提供所需原砂；

阵列喷头，所述阵列喷头安装于成形系统上方的Y轴导轨上，用于按需喷射粘接剂，粘接砂型，并可实现在XY平面内的往复运动；

供液系统，所述供液系统与阵列喷头连接，用于为阵列喷头提供打印所需的液体粘结剂；

吹气装置，所述吹气装置位于成形系统上方，用于打印完成后对铸型进行吹气固化；

尾气处理装置，所述尾气处理装置位于成形系统的一侧，用于吹气固化结束后催化剂气体的处理。

移动小车，所述移动小车位于成形系统底部，用于打印完成后工作区域从工位一移动至工位二。

进一步地，所述成形系统包括：底座、升降机构、带筛网的挡板及托板。所述底座固定于移动小车上；所述升降机构固定于移动小车上，可以带动托板和挡板b上下运动，以实现分层打印；所述带筛网的挡板有a和b两个，可上下移动，内部嵌有若干个可更换的筛网，筛网的目数大于砂子的目数，用于承托型砂和吹气固化阶段催化剂气体在型砂内部的流动，同时挡板设有多个孔，以便于气体的流入与流出；所述工作台板用于承托砂型和隔绝外部空气，并可通过排气管将漏过筛网的催化剂气体引入尾气处理装置。

进一步地，所述二维运动系统包括：X轴导轨和Y轴导轨。所述X轴导轨安装于支架上，所述Y轴导轨通过滑块与X轴连接。

进一步地，所述铺粉装置包括：铺粉辊和铺粉料斗。所述铺粉辊与成形系统上方的Y轴导轨相连，用于铺平漏下的原砂。所述铺粉料斗与成形系统上方的导轨相连，用于漏下原砂。

进一步地，所述漏砂装置包括：储砂罐和振动器。所述储砂罐与成形系统上方的支架相连，开口处为非对称结构，用于原砂的存储和下落；所述振动器位于储砂罐上方，用于原砂的顺利下落。

进一步地，所述供液系统与阵列喷头连接在一起，用于为阵列喷头提供粘接剂。

进一步地，所述吹气装置包括：催化剂气体储气罐和高压气体储气罐。所述催化剂气体储气罐位于压板上方，用于存储催化剂气体；所述高压气体储气罐位于压板上方，用于存储干燥的压缩空气，压力为0.3Mpa-0.45Mpa，以促进催化剂气体的流动和排放。

进一步地，所述尾气处理装置位于成形系统一侧，通过排气管与托板相连，用于隔绝外界空气，处理回收的催化剂气体。

本发明采用以上所述的技术方案，有以下优点：

1、通入气体催化剂进行固化，成形效率高，固化速率快。

2、型砂无需提前预混固化剂，节省原料，而且去砂容易，剩余干砂可以回收再利用。

3、砂芯溃散性好，且所获得的铸件表面质量好，尺寸精度高。

附图说明

图1 砂型打印示意图；

图2 吹气固化示意图；

图3 吹气固化法3D打印铸造砂型的成形系统整体示意图；

图中：1、铺粉辊；2、铺粉料斗；3、X轴导轨；4、振动器；5、储砂罐；6、支架；7、阵列喷头；8、Y轴导轨；9、打印过程铺设的型砂；10、带筛网的挡板a；11、升降机构；12、底座；13、移动小车；14、供墨装置；15、尾气处理装置；16、打印完成的型砂；17、带筛网的挡板b；18、压板；19、压缩气体储气罐；20、催化剂气体储气罐；21、工作台板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参考图3所示，采用本发明提供的吹气固化法3D打印铸造砂型的成形方法及装置打印砂型，步骤如下：

步骤1：根据砂型三维CAD模型，进行切片分层，获得各层详细的截面轮廓信息；

步骤2：在工位一区域，准备粒度为70/140目的石英砂，将该石英砂装入储砂罐5中，作为3D打印铸型所用的原材料；

步骤3：打印砂型之前，首先清理3D打印成形系统的底座12边框及可移动工作台板21上的浮砂，使工作区域干净、无浮砂；然后升降机构11控制可移动工作台板21和带筛网的挡板b沿垂直方向下移5mm；

步骤4：通过振动器4将石英砂漏入铺粉料斗2，铺粉料斗2及铺粉辊1在伺服电机控制下于带筛网的挡板b上均匀铺设一层型砂，该型砂用于将成形砂型与带筛网的挡板b分离；

步骤5：打印砂型时，升降机构11控制工作台板21和带筛网的挡板b沿垂直方向下移2mm；然后伺服电机驱动铺粉料斗2及铺粉辊1沿带筛网的挡板b铺设第1层砂粒，砂粒厚度为2mm；

步骤6：计算机根据砂型的第一层截面数据，控制阵列喷头7及供墨装置14沿X轴3及Y轴8方向向砂型区域喷射粘接剂，获得第1层砂型9；

步骤7：计算机根据砂型的各个分层数据，重复上述步骤5和步骤6，逐层打印出包裹粘结剂的砂型16；

步骤8：包裹粘结剂砂型16打印完成后，将铺粉装置1、2和阵列喷头7分别移至原位；

步骤9：利用移动小车13将打印好的砂型16移动至工位二；

步骤10：通过压板18将打印好的砂型16向下压紧以实现砂型的整体密封；

步骤11：将压缩空气储气罐19中的压缩空气和催化剂气体储气罐20中的催化剂气体吹入铸型的密闭空间，吹气30s后关闭，等待砂型实现整体固化；

步骤12：将剩余的催化剂气体通入尾气处理装置15进行处理；

步骤13：移除压板18，升降机构11控制工作台板21上升；

步骤14：清洗打印喷头7，回收未固化的原砂；

步骤15：并将固化好的砂型取出，得到所需砂型。

综上所述，本发明具有如下优点：型砂无需提前预混固化剂，节省原料，且去砂容易，剩余干砂可以回收再利用。通入气体催化剂进行固化，成形效率高，固化速率快。砂芯溃散性好，且所获得的铸件表面质量好，尺寸精度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种吹气固化法3D打印铸造砂型的成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1：根据砂型三维CAD模型，进行切片分层，获得各层详细的截面轮廓信息；

步骤2：在工位一区域，工作平台下移一个层厚，用铺粉辊均匀的铺一层原砂；

步骤3：按照当前层砂型的截面形状，在指定区域采用阵列喷头喷射粘结剂，粘结剂遇到原砂将其包覆；

步骤4：重复步骤1、步骤2，层层打印，直至打印完成整个砂型；

步骤5：利用移动小车将打印好的砂型移动至工位二；

步骤6：通过压板将打印好的砂型向下压紧以实现砂型的整体密封；

步骤7：向砂型密闭空间通入干燥的压缩空气及催化剂气体，在一定时间内完成铸型固化；

步骤8：停止吹气，等待砂型固化，并对催化剂气体进行尾气处理；

步骤9：移除压板，工作台板上升，清洗打印喷头，回收未固化的原砂，并将固化好的砂型取出。

2.根据权利要求1所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于，铺设的原砂为石英砂或陶粒砂、铬铁矿砂、锆英砂和橄榄石砂等铸造用型砂，常用粒度为70/140目。

3.根据权利要求1所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于，阵列喷头所喷射的液体粘接剂为酚醛树脂和聚异氰酸酯时，其相应的催化剂气体为三乙胺气体；粘接剂为呋喃系冷硬树脂时，其相应的催化剂气体为SO2；粘接剂为碱性甲阶酚醛树脂时，其相应的催化剂气体为甲酸甲酯；粘接剂为水玻璃时，其相应的催化剂气体为CO2等。

4.根据权利要求1所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于干燥的压缩空气压力为0.3Mpa-0.45Mpa。

5.根据权利要求1所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于，打印完成后，通入催化剂气体固化时间为30s左右。

6.根据权利要求1所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的方法，其特征在于：停止吹气后，对催化剂气体进行尾气处理，并回收未固化的原砂。

7.一种吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，包括：

成形系统，所述成形系统一方面用来完成原砂的打印成型，一方面用于吹入循环流动的催化剂气体实现铸型的整体固化；

二维运动系统，所述二维运动系统位于成形系统上方，用于实现阵列喷头在X轴向和Y轴向的往复运动；

铺粉装置，所述铺粉装置位于成形系统上方，与X轴导轨相连接，用于铺设各类型砂；

储砂装置，所述储砂装置位于成形系统上方，与支架相连接，用于提供所需原砂；

阵列喷头，所述阵列喷头安装于成形系统上方的Y轴导轨上，用于按需喷射粘接剂，粘接砂型，并可实现在XY平面内的往复移动；

供液系统，所述供液系统与阵列喷头连接，用于为阵列喷头提供打印所需的液体粘结剂；

吹气装置，所述吹气装置位于成形系统上方，用于打印完成后对铸型进行吹气固化；

尾气处理装置，所述尾气处理装置位于成形系统的一侧，用于吹气固化结束后催化剂气体的处理；

移动小车，所述移动小车位于成形系统底部，用于打印完成后工作区域从工位一移动至工位二。

8.根据权利要求7所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述成形系统包括：

底座，所述底座固定于移动小车上；

升降机构，所述升降机构固定于移动小车上，可以带动工作台板和挡板b上下运动，以实现分层打印；

带筛网的挡板，所述带筛网的挡板有a和b两个，可上下移动，内部嵌有若干个可更换的筛网，筛网的目数大于砂子的目数，用于承托型砂和吹气固化阶段催化剂气体在型砂内部的流动，同时挡板设有多个孔，以便于气体的流入与流出；

工作台板，所述工作台板用于承托砂型和隔绝外部空气，并可通过排气管将漏过筛网的催化剂气体引入尾气处理装置。

9.根据权利要求7所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述二维运动系统包括：

X轴导轨，所述X轴导轨安装于支架上；

Y轴导轨，所述Y轴导轨通过滑块与X轴连接。

10.根据权利要求7所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述铺粉装置包括：

铺粉辊，所述铺粉辊与成形系统上方的导轨相连，用于铺平漏下的原砂；

铺粉料斗，所述铺粉料斗与成形系统上方的导轨相连，用于漏下原砂。

11.根据权利要求7所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述漏砂装置包括：

储砂罐，所述储砂罐与成形系统上方的支架相连，开口处为非对称结构，用于原砂的存储和下落；

振动器，所述振动器位于储砂罐上方，用于原砂的顺利下落。

12.根据权利要求7所述的吹气固化法3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述供液系统与阵列喷头连接在一起，用于为阵列喷头提供粘接剂。

13.根据权利要求8所述的3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述吹气装置包括：

催化剂气体储气罐，所述催化剂气体储气罐位于压板上方，用于存储催化剂气体；

高压气体储气罐，所述高压气体储气罐位于压板上方，用于存储干燥的压缩空气，压力为0.3Mpa-0.45Mpa，以促进催化剂气体的流动和排放。

14.根据权利要求8所述的3D打印铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述尾气处理装置位于成形系统一侧，通过排气管与托板相连，用于隔绝外界空气，处理回收的催化剂气体。