CN108213341A - 一种磁控震动去除3d打印砂型多余砂料的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印砂型型腔部位多余砂料的清理技术，特别涉及一种磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置及其方法，其中磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，包括箱体，所述箱体内设有用于放置3D打印砂型的支撑架，所述支撑架下侧设有砂料收集装置，所述箱体顶部和至少一侧的侧部分别设有用于产生交变磁场的绕组线圈，箱体内设有若干磁性材料制成的清砂颗粒，所述清砂颗粒在交变磁场的作用下对3D打印砂型的多余砂料从砂型表层开始逐渐震动击落形成砂型的型腔，所述多余砂料通过砂料收集装置收集。本发明的装置通过绕组线圈产生交变磁场控制磁性材料的清砂介质颗粒高频震动逐层击落型腔内的多余砂料，大大提高清砂效率和清砂自动化水平。
Description
技术领域
本发明涉及砂型3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印砂型的型腔多余砂料的清理技术，适合于使用粉/砂3D打印砂型或砂芯的多余材料清理中。
背景技术
3D打印增材制造技术近年得到快速发展，被誉为将打开并引领第四次工业革命的关键技术。3D打印增材制造技术的实现方法有很多，其中一种普遍的实现原理为逐层选择性硬化法，即：在整个层厚方向铺设材料，并使即将成为零部件的区域通过激光烧结或喷射粘接剂等方法进行固化，再铺设一层材料继续打印。当打印完成后，未硬化部分的多余材料需要去除，表面需要打磨。
对于类似液态树脂光敏成型的方法，由于液态树脂具有很好的流动性，可以通过倾倒去除多余材料。但是使用颗粒/粉体材料进行3D打印的零部件则难以通过倾倒的方法去除多余材料，因为颗粒/粉体材料间摩擦力大，流动性差，同时在3D打印时往往有压实动作，增大了颗粒/粉体材料间的紧实度，使颗粒/粉体材料基本没有流动性。
当3D打印制造的零部件结构比较简单时，其表面及内部结构腔面采用目视或简易工具及时通过手动方法去除多余材料。但当零部件具有复杂空间结构或互咬/嵌套内腔结构时，多余材料将难以去除。对于此问题，目前并无可以参考使用的方法。
发明内容
本发明针对现有技术中内腔结构复杂的砂型通过颗粒/粉体3D打印成型后，型腔内多余砂料清除不方便的问题，提供一种磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，以便于通过多组绕组线圈产生交变磁场控制磁性材料的清砂介质颗粒高频震动逐层击落型腔内的多余砂料，大大提高清砂效率和清砂自动化水平。
本发明的目的是这样实现的，一种磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，包括箱体，所述箱体内设有用于放置3D打印砂型的支撑架，所述支撑架下侧设有砂料收集装置，所述箱体顶部和至少一侧的侧部分别设有用于产生交变磁场的绕组线圈，所述箱体内设有若干磁性材料制成的清砂颗粒，所述清砂颗粒在交变磁场的作用下对3D打印砂型的多余砂料从砂型表层开始逐渐震动击落形成砂型的型腔，所述多余砂料通过砂料收集装置收集。
本发明中的3D打印砂型用料一般为SiO2颗粒砂，是一种典型的非磁性物料，基本不会对磁场产生影响，在砂型周围的不同方位设置绕组线圈，对至少两个方位的绕组线圈按一定的频率交互通电以便于在砂型内产生交变磁场，在磁场内设置的磁性材料制成的清砂颗粒在交变磁场的作用下被磁化产生交变磁力与砂型接触部位发生类似敲击和冲击作用，3D打印砂型有黏接硬化的部分强度较高，可以抵抗清砂颗粒的撞击作用而不发生破坏，而未黏接硬化的多余材料部分在高频撞击力的作用下逐渐散落，重新获得自然堆积时的流动性，落入砂料收集装置，被击落多余砂料的部位形成型砂的型腔腔道。因此通过本发明的装置，可以方便的实现复杂型腔砂型结构腔型内多余砂料的清理，大大提高清砂效率和自动化程度。
为便于各绕组线圈产生交变磁场，各所述绕组线圈通过控制部件控制产生交变磁场，所述控制部件包括电源控制模块和频率控制模块，所述电源控制模块用于控制各绕组线圈的通断和线圈通电的电流强度，所述频率控制模块用于控制各绕组线圈的高频通断电的频率以产生交变磁场。
为便于多余砂料散落后的收集，所述支撑架为格栅状支撑架，所述砂料收集装置包括支撑架下侧的筛网和集料斗，所述筛网的筛孔直径大于砂料的粒径同时小于清砂颗粒的粒径。
为保证各绕组线圈产生近似的等梯度磁场，所述绕组线圈采用近等梯度磁场绕法，例如，可以采用标准的亥姆霍茲线圈绕法或麦克斯韦尔线圈绕法绕制。
所述绕组线圈采用标准的亥姆霍茲线圈绕法或麦克斯韦尔线圈绕法绕制。
为便于选择合适合粒径的清砂颗粒，所述清砂颗粒为球形铸铁颗粒，所述清砂颗粒的粒径小于3D打印砂型清砂后最狭小型腔腔道的最小通径的1/3。
为方便砂型的进出，所述箱体一侧设有可开关的门以便于装放砂型，所述箱体底部四角分别高有支腿。
本发明还提供一种采用上述的装置去除3D打印砂型多余砂料的方法，包括如下步骤：A) 根据砂型要去除多余砂料后型腔最狭小部位的最小通径选择合适数量和粒径的清砂颗粒；B)将3D打印砂型平置在箱体内的支撑架上，并使砂型多余砂料对应的型腔开口的表面向下设置，并手动清除掉表面部分的多余砂料以便于形成初始放置步骤A)中的清砂颗粒的初始空间； C)根据多余砂料的分布预设电源控制模块控制各绕组线圈的通电电流及预设频率控制模块中各绕组线圈的通断频率；D)将清砂颗粒置于步骤B）中手动清砂后的初始空间部位，开启控制部件，各绕组线圈交替高频通电产生交变磁场，清砂颗粒在交变磁场的交变磁力作用下震动并逐渐击落型腔通道上的多余砂料，被击落的散砂沿已经清理的型腔腔道落入砂料收集装置；E）对于有多个互不相通型腔的砂型，清理完一侧型腔内的多余砂料后需翻转砂型重复进行步骤A)—D）的震动清砂过程。
为便于控制清砂进度，所述清砂颗粒的数量至少为三颗，并且清砂过程中根据清砂后型腔内通径大小变化，清砂颗粒的数量可适时增减。
为提高清砂效率，所述步骤A)—D)中，可以同时进行多个多余砂料部位清砂过程。
本发明的上述装置及3D 打印砂型型腔部位多余砂料的清砂方法采用交变磁场控制磁性介质的空间运动实现对复杂空间结构的清理，具有以下有益效果：
（1）清理介质颗粒可实现空间三维任意方向的运动，实现了目视或工具不可及的复杂内部结构的清砂处理；
（2）实现了设备自动化清理，相比于手工清理方法，更容易实现流水线式作业和高效批量生产作业；
（3）设备的控制参数均是可编程参数，包括交变频率、电流强度等，易于实现程序化控制，工艺标准化和柔性化生产；
（4）除电能外，设备不消耗其他能源，不产生污染物，绿色环保。
附图说明
图1为本发明的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置的结构示意图。
图2为本发明的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本发明的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，包括箱体1，箱体1内设有用于放置3D打印砂型2的支撑架3，支撑架3下侧设有砂料收集装置，箱体1顶部设有绕组线圈7和至少一侧的侧部设有绕组线圈8，上述绕组线圈以设定的频率交互的通一定电流的电可以产生交变的磁场，箱体1内设有若干磁性材料制成的清砂颗粒9，该清砂颗粒9在上述交变磁场的作用下可以在一定空间内高频震动，对3D打印砂型的型腔部位多余砂料2B从砂型表层开始逐渐震动击落形成砂型的型腔2A，并且多余砂料散落后通过砂料收集装置收集。
为便于各绕组线圈产生交变磁场，各绕组线圈通过控制部件控制产生交变磁场，控制部件包括电源控制模块6和频率控制模块10，其中，电源控制模块6用于控制各绕组线圈的通断和线圈通电的电流强度，频率控制模块10用于控制各绕组线圈的高频通断电的频率以产生交变磁场。
为便于多余砂料散落后的收集，支撑架3为一般采用格栅状支撑架，以方便散数的砂料从格栅下落入砂料收集装置，所述，砂料收集装置包括支撑架3下侧的筛网4和集料斗5，筛网4的筛孔直径大于砂料的粒径同时小于清砂颗粒的粒径，可以保证粒散落的砂料顺利下落，同时还可以阻挡住清砂颗粒不落入下侧的集料斗。
为保证各绕组线圈产生等梯度磁场，本实施例的各绕组线圈采用近等梯度磁场绕法，例如，可以采用标准的亥姆霍茲线圈绕法或麦克斯韦尔线圈绕法绕制。
为便于选择合适合粒径的清砂颗粒9，清砂颗粒9一般选用为球形铸铁颗粒，清砂颗粒9的粒径小于3D打印砂型清砂后最狭小型腔腔道的最小通径的1/3。
为方便砂型的进出，箱体1一侧设有可开关的门以便于装放砂型，箱体1底部四角分别高有支腿11。
本发明的装置是基于以下原理实现的：在电磁线圈周围和内部存在较强的磁场，位于此磁场内部的物体，根据被磁化的程度不同，将受到磁场的磁力作用。一般铁磁性物质受到的磁力较大。根据电磁学原理，物体受到的磁力与磁场有如下关系：
F=▽（m·B） （1）
其中m为磁矩，对于不可变绕组线圈和永磁体可以认为是定值；B为磁场强度。因此对于不可变绕组线圈，公式（1）可简化为：
F=m·▽B （2）
公式（2）表示物体在磁场中的受力大小与磁场梯度成正比。对于特定物体，当其所处的位置磁场梯度大时，受力较大，当其所处的位置磁场梯度小时，受力较小。对于磁场梯度的理解可以参考磁力线的表现形式。磁力线是一条封闭的环形曲线，所有磁力线的组合占据的空间为磁场，磁力线的密度可代表磁场强度大小，而磁力线密度的变化即是磁场梯度。可以形象的利用磁体同极相斥异极相吸的原理理解电磁力。处在磁场中的物体在靠近磁源端被磁化为异极，受到吸力，而远端为同极，受到斥力。当在梯度变化的磁场里，近端的磁场强度大于远端的磁场强度，从而吸力大于斥力，物体整体受到磁场的吸力，而且这种力是可以长距离作用的非接触性受力。即当没有任何阻碍时，磁场中的物体受到磁力作用，将向磁源运动，并与磁源碰撞。当受磁力的物体受到磁场中固定的非磁性物体阻碍时，物体受到的磁力将作用在非磁性物体表面。按此原理可以控制磁场的强度，以控制磁性物体对非磁性物体的相互作用力。
如图2所示的磁力作用系统用于砂型清砂的原理图，包括球形磁性颗粒a，砂型b和通电绕组线圈c,绕组结构通电后形成磁场A，砂型b位于磁性颗粒a和绕组线圈c之间。而铸造用3D打印所用砂料为SiO2颗粒砂，是一种典型的非磁性物质，其基本不会对磁场造成影响。被磁场磁化的形磁性颗粒a受磁场A作用产生磁力，因为受砂型b的阻碍而将作用力传递给砂型，给砂型表面形成压力。当绕组线圈断电，磁场消失，磁性颗粒a与砂型b的相互作用力也将消失。规律性的控制绕组线圈a的通断电，将形成磁性颗粒a对砂型产生零压和正压交变的作用，类似敲击作用。若在砂型b的另一方位也加一个交变磁场，命名为磁场B，磁场A和磁场B的交互通/断电将使磁性颗粒a形成往复震动，对砂型表面产生一定的震动冲击作用。
本发明中的装置中，在砂型2周围的不同方位设置绕组线圈，对至少两个方位的绕组线圈通过控制模块控制按一定的频率交互通电以便于在砂型内产生交变磁场，在磁场内设置的磁性材料制成的清砂颗粒9在交变磁场的作用下被磁化产生交变磁力与砂型接触部位发生类似敲击和冲击作用，3D打印砂型有黏接硬化的部分强度较高，可以抵抗清砂颗粒的撞击作用而不发生破坏，而未黏接硬化的型腔部位的多余砂料2B在高频撞击力的作用下逐渐散落，重新获得自然堆积时的流动性，落入砂料收集装置，被击落多余砂料的部位形成型砂的型腔2A。因此通过本发明的装置，可以方便的实现复杂型腔砂型结构腔型内多余砂料的清理，大大提高清砂效率和自动化程度。
实施例2
本实施例具体说明采用上述装置去除3D打印砂型多余砂料的方法，具体包括如下步骤：A) 根据砂型要去除多余砂料后型腔最狭小部位的最小通径选择合适数量和粒径的清砂颗粒；清砂颗粒的数量不少于三个，清砂过程中可以根据正在清理的型腔通道的尺寸大小，适时增减清砂颗粒的数量，各清砂颗粒粒径应小于3D打印砂型清砂后最狭小型腔腔道的最小通径的1/3；然后进行B)步，将3D打印砂型2平置在箱体1内的支撑架3上，并使砂型多余砂料对应的型腔开口的表面向下设置，再手动清除掉表面部分的多余砂料以便于形成初始放置步骤A)中的清砂颗粒的初始空间，该初始空间也就是型腔朝下的开口部位； C)根据多余砂料的分布预设电源控制模块6控制各绕组线圈的通电电流及预设频率控制模块10中各绕组线圈的通断频率；D)将清砂颗粒置9于步骤B）中手动清砂后的初始空间部位，开启控制部件，各绕组线圈交替高频通电产生交变磁场，清砂颗粒9在交变磁场的交变磁力作用下震动并逐渐击落型腔通道上的多余砂料2B，被击落的散砂沿已经清理的型腔腔道向下经筛网4落入集料斗5中；E）对于有多个互不相通型腔的砂型，清理完一侧型腔内的多余砂料后需翻转砂型重复进行步骤A)—D）的震动清砂过程，直至完成全部腔型内多余砂料的清除工作。本实施中，当砂型内有多个相互独立的型腔时，可以同时进行多个多余砂料部位清砂过程，每个腔型的初始空间分别放置一定数量的清砂颗粒，同时进行磁控震动清砂操作。
本发明的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置及其方法并不仅局限于上述实施例的方法，箱体的各个侧向的不同方位，可以根据不同砂型的清砂要求，分别设置多个绕组线圈，实际使用中，根据需要预设部分的绕组线圈交互高频通电，以适应不同型腔结构内的清砂操作。
Claims (9)
1.一种磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，其特征在于，包括箱体，所述箱体内设有用于放置3D打印砂型的支撑架，所述支撑架下侧设有砂料收集装置，所述箱体顶部和至少一侧的侧部分别设有用于产生交变磁场的绕组线圈，所述箱体内设有若干磁性材料制成的清砂颗粒，所述清砂颗粒在交变磁场的作用下对3D打印砂型的多余砂料从砂型表层开始逐渐震动击落形成砂型的型腔，所述多余砂料通过砂料收集装置收集。
2.根据权利要求1所述的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，其特征在于，各所述绕组线圈通过控制部件控制产生交变磁场，所述控制部件包括电源控制模块和频率控制模块，所述电源控制模块用于控制各绕组线圈的通断和线圈通电的电流强度，所述频率控制模块用于控制各绕组线圈的高频通断电的频率以产生交变磁场。
3.根据权利要求1所述的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，其特征在于，所述支撑架为格栅状支撑架，所述砂料收集装置包括支撑架下侧的筛网和集料斗，所述筛网的筛孔直径大于砂料的粒径同时小于清砂颗粒的粒径。
4.根据权利要求1所述的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，其特征在于，所述绕组线圈采用近等梯度磁场绕法。
5.根据权利要求1所述的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，其特征在于，所述清砂颗粒为球形铸铁颗粒，所述清砂颗粒的粒径小于3D打印砂型清砂后最狭小型腔腔道的最小通径的1/3。
6.根据权利要求1所述的磁控震动去除3D打印砂型多余砂料的装置，其特征在于，所述箱体一侧设有可开关的门以便于装放砂型，所述箱体底部四角分别高有支腿。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的装置去除3D打印砂型多余砂料的方法，包括如下步骤：A) 根据砂型要去除多余砂料后型腔最狭小部位的最小通径选择合适数量和粒径的清砂颗粒；B)将3D打印砂型平置在箱体内的支撑架上，并使砂型多余砂料对应的型腔开口的表面向下设置，并手动清除掉表面部分的多余砂料以便于形成初始放置步骤A)中的清砂颗粒的初始空间； C)根据多余砂料的分布预设电源控制模块控制各绕组线圈的通电电流及预设频率控制模块中各绕组线圈的通断频率；D)将清砂颗粒置于步骤B）中手动清砂后的初始空间部位，开启控制部件，各绕组线圈交替高频通电产生交变磁场，清砂颗粒在交变磁场的交变磁力作用下震动并逐渐击落型腔通道上的多余砂料，被击落的散砂沿已经清理的型腔腔道落入砂料收集装置；E）对于有多个互不相通型腔的砂型，清理完一侧型腔内的多余砂料后需翻转砂型重复进行步骤A)—D）的震动清砂过程。
8.根据权利要求7所述的去除3D打印砂型多余砂料的方法，其特征在于，所述清砂颗粒的数量至少为三颗，并且清砂过程中根据清砂后型腔内通径大小变化，清砂颗粒的数量可适时增减。
9.根据权利要求7所述的去除3D打印砂型多余砂料的方法，其特征在于，所述步骤A)—D)中，可以同时进行多个多余砂料部位清砂过程。
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