CN109676086A - 一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备及方法，设备包括激光扫描系统，上送砂系统，水平运动系统，升降机构和控制器。控制器实现打印模型的切片、路径规划、工艺参数的调节等。升降机构实现打印平台的上下升降；水平运动系统实现刮粉小车的运动，以及通过铣砂头实现表面精度的提高；上送砂系统和激光扫描系统共同作用，在打印平台内进行分区高效率打印。本发明提供了一种基于三轴数控系统的铸造砂型的多区域3D打印方法，并且结合了铣砂头进行同步减材制造以避免工艺参数或者误差累积带来的阶梯效应等缺陷，可以提高铸造砂型的3D打印精度，实现大尺寸多曲面铸造砂型的高精度打印。
Description
技术领域
本发明专利涉及到大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备及方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
增材制造是基于离散-堆积的原理，增材制造又名3D打印，增材制造具有一次近净成型、个性化设计和无需模具等优点，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。增材制造的快速发展对于成型效率与精度提出了更高的要求，铸造砂型的增材制造可以为模具自由化设计提供便利。目前，逐层铺砂打印包含多曲面的复杂砂型时，砂型表面层间轮廓存在明显的阶梯线现象。
发明内容
本发明针对上述问题提出了一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备及方法。本发明针对复杂砂型增材制造精度、尺寸及效率的限制，提出了一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材方法，可以显著提高砂型3D打印的精度和效率，通过在铺砂的同时使用铣砂头机构清理，提高了砂型3D打印的质量和良品率；多区域联合3D打印，有利于提高砂型打印的效率和精度。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，包括：
一打印平台，打印平台水平设置，打印平台的上部设有一铺砂小车以及第一直线位移机构，所述铺砂小车通过第一直线位移机构可在打印平台上方沿X轴方向来回逐层铺设原砂；
一升降机构，设置在打印平台的底部，用于带动所述打印平台相对所述铺砂小车沿Z方向移动；
激光固化系统，用于对所铺设完的原砂进行逐层烧结固化；
还包括设置在铺砂小车上的铣砂头机构，所述铣砂头机构用于对每一层经激光固化系统固化好结构的台阶边缘进行打磨去除，包括：铣砂头平台和第二直线位移机构，其中，所述铺砂小车顶部固定设置有所述第二直线位移机构，所述第二直线位移机构上连接所述铣砂头平台，所述铣砂头平台通过第二直线位移机构在铺砂小车上沿Y轴方向来回移动，铣砂头平台上位于铺砂小车的左、右两侧对称设置两个铣砂头机构；
控制器，与所述第一直线位移机构、铺砂小车、升降机构、激光固化系统、第二直线位移机构以及铣砂头机构控制连接。
所述第一直线位移机构包括第一滑块、第一同步带以及第一伺服电机，其中，所述铺砂小车通过所述第一滑块与第一同步带连接，第一同步带上的轮轴通过轴承座与外部壳体的内壁固定连接，第一同步带上的轮轴上连接第一伺服电机。
所述第二直线位移机构包括第二滑块、第二同步带以及第二伺服电机，其中，所述铣砂头平台通过第二滑块与第二同步带连接，第二同步带上的轮轴通过轴承座与铺砂小车的顶部固定连接，第二同步带上的轮轴连接第二伺服电机。
所述激光固化系统包括激光器、光路调控模块和转镜/振镜，其中，所述控制器控制所述激光器发射的激光经光路调控模块和转镜/振镜处理后，对打印平台上的3D模型进行多区域高精度的激光选区烧结。
所述铣砂头机构均包括铣砂头以及设置在铣砂头上部，用于带动铣砂头自转的电机。
还包括上送砂系统，设置在铺砂小车的上方，用于向铺砂小车内补充原砂，包括储砂箱，储砂箱的底部设有出料口，出料口上设有可开合或关闭出料口电磁阀门，所述铺砂小车内部的储砂腔内设有原砂余量检测模块，所述原砂余量检测模块与所述控制器信号连接。
所述铣砂头为圆锥形铣砂头。
一种基于所述大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：建立三维数据模型，并对三维数据模型进行合理切片分层得到GCode格式文件，将切片后的数据导入到设备中；
步骤2：设置打印参数，激光功率5-100w、扫描速度1-1000mm/s、光斑直径0.01-1mm、升降机构运动速度0.1-10mm/s和打印层厚0.2-0.8mm；
步骤3：将一定量原砂装入上送砂系统，进入3D打印成形装置；
步骤4：打开上送砂系统使原砂进入铺砂小车，将打印平台下降一个层厚；
步骤5：控制器控制铺砂小车在打印平台上沿X轴方向从左往右均匀铺设一层原砂，原砂铺设好后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的一层原砂进行固结成型；
步骤6：当所述一层原砂固结成型后，打印平台下降一个层厚，此时，铺砂小车位于打印平台最右侧，当铺砂小车从右向左进行二层铺砂的同时，左侧的铣砂头机构工作，对已经固结成型的一层结构进行台阶消除；
步骤7：当铺砂小车运动到最左侧后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的二层原砂进行固结成型；
步骤8：当所述二层原砂固结成型后，打印平台再次下降一个层厚，此时，铺砂小车位于打印平台最左侧，当铺砂小车从左向右进行三层铺砂的同时，右侧的铣砂头机构工作，对已经固结成型的二层结构进行台阶消除；
步骤9：当铺砂小车运动到最右侧后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的三层原砂进行固结成型；
步骤10：重复步骤6-9，直到完成所有分层切片的打印，得到成型坯体；
步骤11：将打印平台恢复到初始位置，取下成型坯体，清理工作平台。
所述激光固化系统包括激光器、光路调控模块、转镜/振镜和光学保护镜，其中，激光器发射的激光经光路调控模块和转镜/振镜处理后，在打印平台进行多区域高精度的激光选区烧结。
本发明产生的有益效果是：
本发明提出的一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形方法显著提高了砂型3D打印的精度和效率，通过在铺砂的同时使用铣砂头机构对之前已成型固化结构的边缘台阶进行去除清理，提高了砂型3D打印的质量和良品率。
多区域联合3D打印，有利于提高砂型打印的效率，同时通过合理控制路径规划，可以有效降低内应力；通过刮粉小车和铣砂头机构的精确配合，使得铺砂更为精准和高效，实现复杂曲面的高精度制造。
附图说明
图1为本发明大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备说明图；
其中，101、激光器、102、光路调控系统、103、转镜/振镜，201、上送砂系统，301、控制器，401、水平运动系统，501、升降机构。
图2为本发明大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备打印平台说明图；
其中，402、载物平台，403、第一同步带，404、第一伺服电机，405、铣砂头机构，406、第二同步带，407、第二滑块，408、铣砂头平台，409、铺砂小车，410、第一滑块，411、第二同步带轮轴，412、轴承，413、第二伺服电机，414、打印平台，415、第一同步带轮轴。
图3为本发明大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成型设备铣砂头机构图；
其中，416、铣砂头电机，417、铣砂头基座，418、铣砂头。
图4为本发明大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成型设备铣头工作原理图；
其中，6、每层砂层边缘台阶；A、砂层厚度。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案以及优点更加清除明白，接下来将结合附图及实施案例，对本发明进行进一步地阐述。应当注意，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并用于限制本发明。
如图1所示，本发明所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，包括激光器101，光路调控系统102，转镜/振镜103，光学保护镜104，上送砂系统201，控制器301，水平运动系统401和升降机构501；
激光扫描系统主要由激光器101、光路调控系统102、转镜/振镜103和光学保护镜104组成。在控制器301的控制下，实现多区域联合激光选区烧结，可以大幅提高3D打印速度， 成型效率≥250L/h；并且可以消除砂型烧结固化时的形变误差防止累积效应。
上送砂系统201实现打印过程中原砂的储藏及供给，当铺砂小车原砂供给不足时，及时供应原砂，实现多区域高效打印；
控制器301实现路径的规划、工艺参数的调节等；
升降机构501在电机的作用下可以实现打印平台的上、下升降；
如图2所示，在载物平台402上安装有铺砂小车409，铺砂小车409经第一滑块410和第一同步带403相连接，第一同步带403与第一同步带轮轴415相互连接，在第一伺服电机404的作用下实现铺砂小车409的移动；
在铺砂小车409上的铣砂头平台408两侧安装有两个铣砂头机构405，可以在铺砂的同时通过铣砂头机构405对已成型固化结构的边缘台阶进行机械加工，提高铺砂的精度，实现多曲面高精度的铺砂，铺砂小车409的铺砂厚度可以通过控制器301确定，最大精度达到0.2mm，但是在铣砂头机构405的共同作用下，可以将精度提高到0.05mm，从而实现复杂形状的多曲面高精度铺砂；
铣砂头平台408在与第二滑块407、第二同步带406、第二同步带轮轴411、轴承412和第二伺服电机413的共同作用下，可以实现铣砂头机构405在打印平台内对铺砂误差进行消除；
与现有技术相比，本发明实施例的控制方法有如下一些特点：
铺砂小车保证了每一层的平整度，同时通过铣砂头在铺砂时对已成型固化结构的边缘台阶进行进一步加工，有效提高了成型件的精度，避免阶梯效应，提高了表面的光滑度；
激光多区域选区烧结技术，提高了打印的效率，同时通过合理规划路径，有利于降低内应力，保证成型质量。
本发明的一个具体实施步骤如下：
步骤1：建立三维数据模型，并对三维数据模型进行合理切片分层得到GCode格式文件，将切片后的数据导入到设备中；
步骤2：设置打印参数，激光功率5-100w、扫描速度1-1000mm/s、光斑直径0.01-1mm、升降机构运动速度0.1-10mm/s和打印层厚0.2-0.8mm；
步骤3：将一定量原砂装入上送砂系统，进入3D打印成形装置；
步骤4：打开上送砂系统使原砂进入铺砂小车，将打印平台下降一个层厚；
步骤5：控制器控制铺砂小车在打印平台上沿X轴方向从左往右均匀铺设一层原砂，原砂铺设好后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的一层原砂进行固结成型；
步骤6：当所述一层原砂固结成型后，打印平台下降一个层厚，此时，铺砂小车位于打印平台最右侧，当铺砂小车从右向左进行二层铺砂的同时，左侧的铣砂头机构工作，对已经固结成型的一层结构进行台阶消除；
步骤7：当铺砂小车运动到最左侧后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的二层原砂进行固结成型；
步骤8：当所述二层原砂固结成型后，打印平台再次下降一个层厚，此时，铺砂小车位于打印平台最左侧，当铺砂小车从左向右进行三层铺砂的同时，右侧的铣砂头机构工作，对已经固结成型的二层结构进行台阶消除；
步骤9：当铺砂小车运动到最右侧后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的三层原砂进行固结成型；
步骤10：重复步骤6-9，直到完成所有分层切片的打印，得到成型坯体；
步骤11：将打印平台恢复到初始位置，取下成型坯体，清理工作平台。
所述激光固化系统包括激光器、光路调控模块、转镜/振镜和光学保护镜，其中，激光器发射的激光经光路调控模块和转镜/振镜处理后，在打印平台进行多区域高精度的激光选区烧结。
Claims (9)
1.一种大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，包括：
一打印平台，打印平台水平设置，打印平台的上部设有一铺砂小车以及第一直线位移机构，所述铺砂小车通过第一直线位移机构可在打印平台上方沿X轴方向来回逐层铺设原砂；
一升降机构，设置在打印平台的底部，用于带动所述打印平台相对所述铺砂小车沿Z方向移动；
激光固化系统，用于对所铺设完的原砂进行逐层烧结固化；
其特征在于，还包括设置在铺砂小车上的铣砂头机构，所述铣砂头机构用于对每一层经激光固化系统固化好结构的台阶边缘进行打磨去除，包括：铣砂头平台和第二直线位移机构，其中，所述铺砂小车顶部固定设置有所述第二直线位移机构，所述第二直线位移机构上连接所述铣砂头平台，所述铣砂头平台通过第二直线位移机构在铺砂小车上沿Y轴方向来回移动，铣砂头平台上位于铺砂小车的左、右两侧对称设置两个铣砂头机构；
控制器，与所述第一直线位移机构、铺砂小车、升降机构、激光固化系统、第二直线位移机构以及铣砂头机构控制连接。
2.根据权利要求1所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，其特征在于，所述第一直线位移机构包括第一滑块、第一同步带以及第一伺服电机，其中，所述铺砂小车通过所述第一滑块与第一同步带连接，第一同步带上的轮轴通过轴承座与外部壳体的内壁固定连接，第一同步带上的轮轴上连接第一伺服电机。
3.根据权利要求1所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，其特征在于，所述第二直线位移机构包括第二滑块、第二同步带以及第二伺服电机，其中，所述铣砂头平台通过第二滑块与第二同步带连接，第二同步带上的轮轴通过轴承座与铺砂小车的顶部固定连接，第二同步带上的轮轴连接第二伺服电机。
4.根据权利要求1所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，其特征在于，所述激光固化系统包括激光器、光路调控模块和转镜/振镜，其中，所述控制器控制所述激光器发射的激光经光路调控模块和转镜/振镜处理后，对打印平台上的3D模型进行多区域高精度的激光选区烧结。
5.根据权利要求1所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，其特征在于，所述铣砂头机构均包括铣砂头以及设置在铣砂头上部，用于带动铣砂头自转的电机。
6.根据权利要求1所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，其特征在于，还包括上送砂系统，设置在铺砂小车的上方，用于向铺砂小车内补充原砂，包括储砂箱，储砂箱的底部设有出料口，出料口上设有可开合或关闭出料口电磁阀门，所述铺砂小车内部的储砂腔内设有原砂余量检测模块，所述原砂余量检测模块与所述控制器信号连接。
7.根据权利要求1所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备，其特征在于，所述铣砂头为圆锥形铣砂头。
8.一种基于权利要求1~7中任一所述大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立三维数据模型，并对三维数据模型进行合理切片分层得到GCode格式文件，将切片后的数据导入到设备中；
步骤2：设置打印参数，激光功率5-100w、扫描速度1-1000mm/s、光斑直径0.01-1mm、升降机构运动速度0.1-10mm/s和打印层厚0.2-0.8mm；
步骤3：将一定量原砂装入上送砂系统，进入3D打印成形装置；
步骤4：打开上送砂系统使原砂进入铺砂小车，将打印平台下降一个层厚；
步骤5：控制器控制铺砂小车在打印平台上沿X轴方向从左往右均匀铺设一层原砂，原砂铺设好后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的一层原砂进行固结成型；
步骤6：当所述一层原砂固结成型后，打印平台下降一个层厚，此时，铺砂小车位于打印平台最右侧，当铺砂小车从右向左进行二层铺砂的同时，左侧的铣砂头机构工作，对已经固结成型的一层结构进行台阶消除；
步骤7：当铺砂小车运动到最左侧后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的二层原砂进行固结成型；
步骤8：当所述二层原砂固结成型后，打印平台再次下降一个层厚，此时，铺砂小车位于打印平台最左侧，当铺砂小车从左向右进行三层铺砂的同时，右侧的铣砂头机构工作，对已经固结成型的二层结构进行台阶消除；
步骤9：当铺砂小车运动到最右侧后，通过激光固化系统在打印平台内对铺设好的三层原砂进行固结成型；
步骤10：重复步骤6-9，直到完成所有分层切片的打印，得到成型坯体；
步骤11：将打印平台恢复到初始位置，取下成型坯体，清理工作平台。
9.根据权利要求8所述的大型多曲面高精度铸造砂型的高效增材成形设备的工作方法，其特征在于，所述激光固化系统包括激光器、光路调控模块、转镜/振镜和光学保护镜，其中，激光器发射的激光经光路调控模块和转镜/振镜处理后，在打印平台进行多区域高精度的激光选区烧结。
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