CN109622886B - 可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于砂型三维打印机领域，特别是一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，包括供料装置、铺砂装置、扫描装置、工作台和中央控制器，扫描装置包括第一喷头和第一墨盒，第一墨盒通过第一送墨管道与第一储墨罐连接，扫描装置还包括第二喷头和第二墨盒，第二喷头与第二墨盒连接，第二墨盒通过第二送墨管道与第二储墨罐连接，第二喷头、第二墨盒分别与第一喷头、第一墨盒并排固定在支架上，支架与导轨连接。本发明在3D打印过程中实现了芯骨功能，大幅度提高了砂型强度，并且能够打印更大尺寸的砂型，拓宽了砂型3D打印机的适用范围，便于3D打印技术的推广和应用。
Description
技术领域
本发明属于砂型三维打印机领域，特别是一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法。
背景技术
目前，砂型3D打印设备大都是基于微滴喷射原理来制备砂型的，成形过程中主要是通过喷头喷射粘结剂(树脂、水玻璃等)到预混了固化剂的型砂表面，然后使砂粒粘结固化成所需的砂型，而这种利用3D打印技术制备的砂型在强度方面低于传统手工制造的砂型，其主要原因是，3D打印过程中无法实现添加芯骨，因此导致砂型强度不足。
芯骨俗称“泥芯骨”、“芯铁”，是一种金属制骨架，铸造中用以安置在型芯内以提高型芯的强度和刚度；传统砂型铸造所用的芯骨，是人工制作的，芯骨做好后，再填混合了树脂和固化剂的型砂，待型砂中的树脂和固化剂反应后，型砂硬化成型，由于中间芯骨的支撑作用，所得砂型的强度非常好，一般大型砂型都需要制作芯骨，否则砂型非常容易断裂。
由于砂型3D打印时不可能把预先做好的芯骨放进来，因此一旦打印尺寸大的砂型时，该砂型在搬运过程中容易开裂，不但造成了浪费，而且要重新做一个既费时又费料。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，在3D打印过程中实现了芯骨功能，使砂型强度大幅度提高，并且能够打印更大尺寸砂型，拓宽了砂型3D打印机的适用范围。本发明是通过如下技术方案实现的：
一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备，包括供料装置、铺砂装置、扫描装置、工作台和中央控制器，扫描装置包括第一喷头和第一墨盒，第一墨盒通过第一送墨管道与第一储墨罐连接，扫描装置还包括第二喷头和第二墨盒，第二喷头与所述第二墨盒连接，第二墨盒通过第二送墨管道与第二储墨罐连接，第二喷头、第二墨盒分别与第一喷头、第一墨盒并排固定在支架上，支架与导轨连接。
一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，包括如下步骤：
步骤一、利用常规建模软件建立所要打印的砂型的三维模型A，然后使用三维图形切片算法将模型A切片成N个二维图形，标记为Li(1≤i≤N)；设模型A的高度为H，打印层厚为h，那么N＝H/h，如果除不尽时向下取整；
步骤二、使用平面多边形缩放算法将二维图形Li(1≤i≤N)按比例x(x<1)缩小，得到缩小的二维图形，即为芯部li(1≤i≤N)，二维图形Li(1≤i≤N)除去芯部li(1≤i≤N)的部分即为外壳wi(1≤i≤N)；分别对N个二维图形进行上述处理，即可得出整个砂型的三维模型A的芯部和外壳；
步骤三、将铸造用原砂与固化剂按比例混匀后倒入储砂箱中，在第一储墨罐放置第一粘结剂，在第二储墨罐放置第二粘结剂；
步骤四、输入打印层厚和模型位置，然后开始打印；
步骤五、铺砂装置进行铺砂打底；
步骤六、扫描装置进行扫描打印，控制系统控制支架移动，在此过程中，第一喷头喷射第一粘结剂，第二喷头喷射第二粘结剂，完成一层打印后，支架回到起点；
步骤七、控制系统控制工作台下降一个层厚，铺砂装置进行铺砂；
步骤八、重复步骤六和步骤七，直至完成整个砂型的打印。
进一步地，步骤一中的三维图形切片算法，包括如下步骤：
步骤1.1、根据打印层厚和当前层数计算切片高度Mi(1≤i≤N)；
步骤1.2、获得所有组成模型A的三角形面片与切片平面的所有交点；
步骤1.3、将所有交点按顺序连接，即得到二维图形Li(1≤i≤N)。
进一步地，步骤二中的平面多边形缩放算法，包括如下步骤：
步骤2.1、获取平面多边形的中心；
步骤2.2、将平面多边形的中心平移至坐标原点；
步骤2.3、获取平移后的平面多边形的每个顶点坐标，并将每个顶点坐标分别乘以缩放比例x，得出缩小的平面多边形；
步骤2.4、将缩小的平面多边形平移至原来的平面多边形的中心。
具体地，步骤六中第一粘结剂为高粘度的粘结剂，第二粘结剂为低粘度的粘结剂，所述第一喷头将高粘度的粘结剂喷射在芯部所在的位置上，所述第二喷头将低粘度的粘结剂喷射在芯部以外的其余位置，即外壳所在的位置上。
具体地，步骤六中第二粘结剂为高粘度的粘结剂，第一粘结剂为低粘度的粘结剂，所述第二喷头将高粘度的粘结剂喷射在芯部所在的位置上，所述第一喷头将低粘度的粘结剂喷射在芯部以外的其余位置，即外壳所在的位置上。
本发明在3D打印过程中实现了芯骨功能，大幅度提高了砂型强度，解决了3D打印砂型的强度低于传统手工制作的砂型强度的问题，并且能够打印更大尺寸的砂型，解决了传统砂型3D打印设备制备的砂型尺寸偏小的问题，拓宽了砂型3D打印机的适用范围，便于3D打印技术的推广和应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为立体模型A的示意图；
图3为图2的展开图；
图4为二维图形Li的示意图；
图5为二维图形Li中芯部和外壳的示意图；
图6为平面多边形平移的示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图。如图1所示，一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备，包括供料装置、铺砂装置、扫描装置、工作台16和控制系统，供料装置包括储砂箱1、输送管道2和驱动电机3，驱动电机3位于储砂箱1下方，输送管道2一端与储砂箱1连接，另一端与铺砂装置连接，将铸造用原砂从储砂箱1送入到铺砂装置中；铺砂装置包括漏斗4和载砂仓5；扫描装置包括第一喷头6和第一墨盒7，第一喷头6与第一墨盒7连接，第一墨盒7通过第一送墨管道9与第一储墨罐8连接，扫描装置还包括第二喷头10和第二墨盒11，第二喷头10与第二墨盒11连接，第二墨盒11通过第二送墨管道13与第二储墨罐12连接，第二喷头10、第二墨盒11分别与第一喷头6、第一墨盒7并排固定在支架14上，支架14与导轨15连接，供料装置、铺砂装置、扫描装置、工作台16分别与控制系统连接。
本发明一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，包括如下步骤：
步骤一、利用常规建模软件建立所要打印的砂型的三维模型A，然后使用三维图形切片算法将模型A切片成N个二维图形，标记为Li(1≤i≤N)；设模型A的高度为H，打印层厚为h，即3D打印过程中每层的厚度，那么N＝H/h，如果除不尽时向下取整。
步骤二、使用平面多边形缩放算法将二维图形Li(1≤i≤N)按比例x(x<1)缩小，得到缩小的二维图形，即为芯部li(1≤i≤N)，二维图形Li(1≤i≤N)除去芯部li(1≤i≤N)的部分即为外壳wi(1≤i≤N)；分别对N个二维图形进行上述处理，即可得出整个砂型的三维模型A的芯部和外壳。
步骤三、将铸造用原砂与固化剂按比例混匀后倒入储砂箱1中，在第一储墨罐8放置第一粘结剂，在第二储墨罐12放置第二粘结剂。
步骤四、输入打印层厚和模型位置，然后开始打印。
步骤五、铺砂装置进行铺砂打底。
步骤六、扫描装置进行扫描打印，控制系统控制支架14移动，在此过程中，第一喷头6喷射第一粘结剂，第二喷头10喷射第二粘结剂，完成一层打印后，支架14回到起点。
步骤七、控制系统控制工作台16下降一个层厚，然后铺砂装置进行铺砂。
步骤八、重复步骤六和步骤七，直至完成整个砂型的打印。
其中步骤一中的三维图形切片算法，包括如下步骤：
步骤1.1、根据打印层厚和当前层数计算切片高度Mi(1≤i≤N)。例如，若打印层厚为0.5mm，则第一层的切片高度M1为0.5mm，第二层的切片高度M2为1mm，第三层的切片高度M3为1.5mm，表示分别在0.5mm、1mm、1.5mm处进行切片；因为随着打印的持续进行，打印高度在不断变化，每层高度会增加一个层厚，因此需要根据打印层厚来计算切片高度Mi(1≤i≤N)。
步骤1.2、使用空间平面与空间平面交线的求解方法，获得所有组成砂型图形A的三角形面片与切片平面的所有交点。本发明利用常规建模软件建立所要打印的砂型的三维模型A，模型A的表面由几百万个三角形组合而成的，图2中只是示意表示三角形面片，实际是的三角形面片是很小的，切片平面是在切片高度Mi(1≤i≤N)处切割所述模型A的平面，参见图2中的切片平面si(1≤i≤N)。
步骤1.3、将所有交点按顺序连接，即得到二维图形Li(1≤i≤N)。
其中步骤二中的平面多边形缩放算法，包括如下步骤：
步骤2.1、获取平面多边形的中心，即获取二维图形Li(1≤i≤N)的中心。
步骤2.2、将二维图形Li(1≤i≤N)平移至坐标原点。
步骤2.3、获取平移后的二维图形Li(1≤i≤N)的每个顶点坐标，并将每个顶点坐标分别乘以缩放比例x，得出缩小的二维图形。
步骤2.4、将缩小的二维图形平移至原来的二维图形Li(1≤i≤N)的中心。
高粘度的粘结剂有很多种实现方式，本实施例采用高粘度的水玻璃来实现高粘度的粘结剂，本实施例的步骤六中第一粘结剂为高粘度的水玻璃，第二粘结剂为低粘度的水玻璃，第一喷头6将高粘度的水玻璃喷射在芯部所在的位置上，第二喷头10将低粘度的水玻璃喷射在芯部以外的其余位置，即外壳所在的位置上；分别对第一墨盒7、第一储墨罐8、第一送墨管道9进行加热保温处理。
当然，本实施例的步骤六中也可以是第二粘结剂为高粘度的水玻璃，第一粘结剂为低粘度的水玻璃，第二喷头10将高粘度的水玻璃喷射在芯部所在的位置上，第一喷头6将低粘度的水玻璃喷射在芯部以外的其余位置，即外壳所在的位置上；分别对第二墨盒11、第二储墨罐12、第二送墨管道13进行加热保温处理。
本发明的第一喷头6和第二喷头10可以是单个喷头，也可以是包括多个喷头的喷头组。
下面结合本发明的一个实际例子来说明。
图2为三维模型A的示意图；图3为图2的展开图；图4为二维图形Li的示意图；图5为二维图形Li中芯部和外壳的示意图，图6为平面多边形平移的示意图。结合图2至6所示，以打印一个圆台的砂型为例，步骤如下：
第一步，利用常规建模软件建立三维的圆台模型A，其中圆台模型A的表面是以很多个三角形面片组合而成，然后使用三维图形切片算法将模型A切片成N个二维图形，标记为Li(1≤i≤N)；si(1≤i≤N)为切片平面，圆台模型A的高度为100mm，打印层厚为0.5mm，那么N＝H/h＝100/0.5＝200，即切片成200个二维图形；根据求解空间平面与空间三角形的交线的方法，可获得切片平面si(1≤i≤N)与所有三角形面片的交点a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、h1、i1、j1，其中j1和a1重合，参见图3所示，这些交点顺序连接即为该层的二维图形Li(1≤i≤N)，参见图4所示。
第二步，使用平面多边形缩放算法将二维图形Li(1≤i≤N)按比例0.7缩小，得到缩小的二维图形，即为芯部li(1≤i≤N)，二维图形除去芯部li(1≤i≤N)即为外壳wi(1≤i≤N)，参见图5所示。
具体的平面多边形缩放算法以图6为例说明。如图6所示，以三角形为例，要将三角形m1n1l1按比例k缩小，先用几何平均法求得其中心O1，然后将m1、n1、l1的坐标减去中心点O1的坐标，从而将三角形m1n1l1平移至坐标原点O2，得到三角形m2n2l2；然后对三角形m2n2l2的坐标m2、n2、l2分别乘以比例系数k，得到缩小后的三角形m3n3l3，再将O1的坐标加到m3、n3、l3的坐标上，从而将缩小后的三角形m3n3l3平移至原位置，得到三角形m4n4l4，三角形m4n4l4即为最终所要求取的经比例系数k缩小的三角形。
第三步，分别对200个二维图形Li(1≤i≤N)进行相同处理，即可将整个圆台模型A分割为芯部和外壳。
第四步，将铸造用原砂与固化剂按比例混匀后倒入储砂箱1中，在第一储墨罐8放置高粘度的水玻璃，在第二储墨罐12放置低粘度的水玻璃。
第五步，输入打印层厚和模型位置，然后开始打印。
第六步，铺砂机构进行铺砂打底，控制系统控制驱动电机3将储砂箱1的砂通过输送管道2运送至载砂仓5中，载砂仓5中的砂通过送砂螺旋送至漏斗4中，控制系统控制铺砂装置向工作台16上铺一层砂，然后回到起始位置；第一送墨管道9和第二送墨管道13将两种不同粘度的水玻璃分别从第一储墨罐8和第二储墨罐12运送到第一墨盒7和第二墨盒11中。
第七步，扫描装置进行扫描打印，控制系统控制支架14移动，在此过程中，第一喷头6喷射高粘度的水玻璃，第二喷头10喷射低粘度的水玻璃，为保证高粘度水玻璃的流动性和喷墨的顺畅，在第一送墨管道9外包覆加热带，并对第一墨盒7和第一储墨罐8进行加热，使高粘度的水玻璃粘度降低，使之顺利输送至第一墨盒7中，并能通过第一喷头6中顺利喷出，避免堵塞喷头，完成一层打印后，支架14回到起点；
第八步，控制系统控制工作台16下降一个层厚，铺砂装置进行铺砂。
第九步，重复第七和第八步，逐层打印，直至完成整个圆台的打印。
第十步，静置一段时间后，清除掉未粘结的原砂，即未喷到粘接剂的散砂，最后取出砂型。
总之，本发明在3D打印过程中实现了芯骨功能，大幅度提高了砂型强度，解决了3D打印砂型的强度低于传统手工制作的砂型强度的问题，并且能够打印更大尺寸的砂型，解决了传统砂型3D打印设备制备的砂型尺寸偏小的问题，拓宽了砂型3D打印机的适用范围，便于3D打印技术的推广和应用。
Claims (5)
1.一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，所述可实现芯骨功能的砂型三维打印设备，包括供料装置、铺砂装置、扫描装置、工作台和中央控制器，所述扫描装置包括第一喷头和第一墨盒，所述第一墨盒通过第一送墨管道与第一储墨罐连接，所述扫描装置还包括第二喷头和第二墨盒，所述第二喷头与所述第二墨盒连接，所述第二墨盒通过第二送墨管道与第二储墨罐连接，所述第二喷头、第二墨盒分别与第一喷头、第一墨盒并排固定在支架上，所述支架与导轨连接；所述工作方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一、利用常规建模软件建立所要打印的砂型的三维模型A，然后使用三维图形切片算法将模型A切片成N个二维图形，标记为Li(1≤i≤N)；设模型A的高度为H，打印层厚为h，那么N＝H/h，如果除不尽时向下取整；
步骤二、使用平面多边形缩放算法将二维图形Li(1≤i≤N)按比例x(x<1)缩小，得到缩小的二维图形，即为芯部li(1≤i≤N)，二维图形Li(1≤i≤N)除去芯部li(1≤i≤N)的部分即为外壳wi(1≤i≤N)；分别对N个二维图形进行上述处理，即可得出整个砂型的三维模型A的芯部和外壳；
步骤三、将铸造用原砂与固化剂按比例混匀后倒入储砂箱中，在第一储墨罐放置第一粘结剂，在第二储墨罐放置第二粘结剂；
步骤四、输入打印层厚和模型位置，然后开始打印；
步骤五、铺砂装置进行铺砂打底；
步骤六、扫描装置进行扫描打印，控制系统控制支架移动，在此过程中，第一喷头喷射第一粘结剂，第二喷头喷射第二粘结剂，完成一层打印后，支架回到起点；
步骤七、控制系统控制工作台下降一个层厚，铺砂装置进行铺砂；
步骤八、重复步骤六和步骤七，直至完成整个砂型的打印。
2.根据权利要求1所述的一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，其特征是，所述步骤一中的三维图形切片算法，包括如下步骤：
步骤1.1、根据打印层厚和当前层数计算切片高度Mi(1≤i≤N)；
步骤1.2、获得所有组成模型A的三角形面片与切片平面的所有交点；
步骤1.3、将所有交点按顺序连接，即得到二维图形Li(1≤i≤N)。
3.根据权利要求1所述的一种可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，其特征是，所述步骤二中的平面多边形缩放算法，包括如下步骤：
步骤2.1、获取平面多边形的中心；
步骤2.2、将平面多边形的中心平移至坐标原点；
步骤2.3、获取平移后的平面多边形的每个顶点坐标，并将每个顶点坐标分别乘以缩放比例x，得出缩小的平面多边形；
步骤2.4、将缩小的平面多边形平移至原来的平面多边形的中心。
4.根据权利要求1所述的可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，其特征是，所述步骤六中第一粘结剂为高粘度的粘结剂，第二粘结剂为低粘度的粘结剂，所述第一喷头将高粘度的粘结剂喷射在芯部所在的位置上，所述第二喷头将低粘度的粘结剂喷射在芯部以外的其余位置，即外壳所在的位置上。
5.根据权利要求1所述的可实现芯骨功能的砂型三维打印设备的工作方法，其特征是，所述步骤六中第二粘结剂为高粘度的粘结剂，第一粘结剂为低粘度的粘结剂，所述第二喷头将高粘度的粘结剂喷射在芯部所在的位置上，所述第一喷头将低粘度的粘结剂喷射在芯部以外的其余位置，即外壳所在的位置上。
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Denomination of invention: Working method of sand mold 3D printing equipment capable of realizing core bone function Effective date of registration: 20220524 Granted publication date: 20200901 Pledgee: Foshan branch of China Everbright Bank Co.,Ltd. Pledgor: GUANGDONG FENGHUA ZHUOLI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980006326 |
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Application publication date: 20190416 Assignee: SICHUAN WEIZHEN HI-TECH MATERIAL CO.,LTD. Assignor: GUANGDONG FENGHUA ZHUOLI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: X2023980050117 Denomination of invention: The working method of sand mold 3D printing equipment that can achieve core bone function Granted publication date: 20200901 License type: Common License Record date: 20231206 |