CN114453562B

CN114453562B - 冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法

Info

Publication number: CN114453562B
Application number: CN202210210944.6A
Authority: CN
Inventors: 单忠德; 杨浩秦; 强惠
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2042-03-03
Also published as: CN114453562A

Abstract

本发明一种冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法。首先按铸件需求设计型壳厚度以及镂空加强结构，完成复合冷冻镂空砂型的设计。设计好之后将预处理的铸造原砂经上料机分别送入混砂装置，分别与固化剂和制冷剂搅拌均匀。然后将两类型砂分别送入铺砂装置进行3D一体化打印。控制系统控制铺砂装置根据打印砂型当前层截面信息,按需铺设两种型砂，树脂型砂打印壳体，冷冻型砂打印镂空结构;在低温环境下控制双打印喷头，按需喷射树脂粘结剂或水基粘结剂，粘结剂与预混的原砂接触后发生反应从而固化型砂。层层按需铺砂,层层按需喷射粘结剂，最终完成打印，并将砂型在低温环境中保存一段时间后清理多余型砂。

Description

冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法

技术领域

本发明属于增材制造与铸造技术交叉领域，具体涉及一种冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法。

背景技术

冷冻砂型铸造技术是一种用水做砂型铸造用粘结剂,在低温环境下冻结型砂成形砂型,经浇注熔体后获得铸件的铸造技术。冷冻砂型中熔体过冷度高，凝固过程中熔体温度梯度大，金属铸件经细晶强化，组织致密,力学性能好。砂型在高温熔体冲击下，自然溃散,浇注过程中无强烈刺激性气体产生。但单纯的冷冻砂型，在较高温度下的形性保持性较差,接触高温熔体部位型砂往往“一触即溃”，抗冲击性差,外表层型砂也常受冻结粘结剂的升华、融化现象影响,而影响基础性能和形状尺寸特征。

在铸造过程中，铸型是铸件成形的保障。传统铸型是密实结构，这导致了在铸件成形的过程中难以控制铸件冷却，同时铸件在凝固后的冷却效率很低，生产周期长。而镂空铸型，可以实现控制铸件冷却，可以大幅度地提高铸件冷却效率，控制铸件的应力与变形，细化组织，提高铸件性能，并且能够显著减少铸型材料用量，减少废料排放，符合智能化和绿色化的发展方向。

砂型3D打印是一种主要基于微滴喷射成形的快速成形技术。目前，砂型3D打印设备大都是基于树脂砂铸型的快速成形工艺设备，成形过程中涉及到了型砂的存放、供给、铺设、回收，树脂粘结剂的按需喷射等工序,当喷射的树脂粘结剂遇到预混了固化剂的型砂后使砂粒粘结固化成所需砂型。影响砂型打印精度的因素有：打印设备运动精度和树脂扩散范围。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了树脂砂型复合制造镂空打印成形的方法。能够解决增材制造冷冻砂型高温易溃散，从而得到的产品精确度较高的铸件。

本发明的冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印成形方法，首先在打印开始前要预先设计铸件的复合冷冻镂空铸型结构，并根据铸件需求来设计树脂砂型壳型的厚度和冷冻砂型的镂空加强结构。此打印过程需在低温环境下，将打印原砂分别与固化剂、制冷剂均匀混合，并将预混固化剂的原砂和预混制冷剂剂的原砂分别存放在两个结构相同的铺砂装置中，铺砂装置具有多个开闭独立的铺砂槽,铺砂时控制系统根据砂型当前层的二维截面信息在需要树脂砂成形的地方由一个铺砂装置铺设预混了固化剂的原砂,在需要冷冻砂成形的地方由另一个铺砂装置铺设预混制冷剂的原砂,双打印喷头同样在控制系统的控制下根据砂型当前层的二维截面信息按需喷射树脂粘结剂及水基粘结剂，层层按需铺砂，层层按需打印，完成砂型的制作。

为实现上述目的，本发明的冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法按以下步骤进行：

步骤1：根据铸件大小预设合适的镂空铸型结构图，在型腔外侧与金属液体直接接触的位置为树脂砂型壳体，紧靠着树脂壳型外侧的支撑结构为冷冻砂型镂空结构，整体为一种树脂砂型和冷冻砂型复合的镂空砂型结构；

步骤2：对树脂砂型壳型进行设计，不同的铸件对于壳型的厚度要求不同，综合考虑浇注金属熔体的静压力、凝固后铸件的重力、凝固后铸件收缩产生的压力和张力以及浇注温度来确定壳型的厚度，其厚度在满足综合需求的情况下要求越薄越好；

步骤3：对壳型外围包裹着的冷冻砂型镂空结构进行设计，要同时考虑对树脂壳型的加固效果和对铸件整体凝固效果，根据浇注温度，铸件性能需求、浇注过程中的流动和冲击来选择不同的镂空结构，设计不同的结构厚度和支撑数量；

步骤4：开启制冷装置，制冷装置采用的冷藏室包裹整个打印机，将整个成型环境温度调定至合适的低温状态；

步骤5：将原砂通过上料机上料,一部分原砂送入混砂装置中，与固化剂进行搅拌；其余原砂送入另一混砂装置中，与干冰或液氮等制冷剂混合预冷至所需温度；

步骤6：分别将两个混砂装置中的型砂送入两个相同的铺砂装置中，将工作台下移一段距离后控制铺砂装置铺设一层预冷原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺砂装置移动回初始位置；

步骤7：工作台下移一个层厚，铺砂装置将在控制系统的控制下，根据当前层的砂型截面信息按需铺设预混固化剂型砂或预混制冷剂型砂；

步骤8：型砂铺设完后，铺砂装置移动回初始位置，控制系统控制双打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射树脂粘结剂及水基粘结剂，完成当前层砂型的打印；

步骤9：重复步骤7、步骤8,每当铺砂装置中的储砂量不足以铺设一个层厚的型砂时，铺砂装置回到上砂位置，自混砂料斗中装填型砂；

步骤10：重复步骤9,层层打印，直至最终逐层堆叠完成砂型打印；

步骤11：将打印好的砂型放在低温室内进行固化处理。

步骤12：清砂。

进一步的，树脂壳型可以有效保护冷冻砂型在碰触到高温就会溃散的情况，并且并不全用树脂也是起到绿色环保的效果。

进一步的，所述制冷剂可以是液氮、干冰等制冷物质，将型砂预冷至+5℃及以下范围，并可通过调整制冷剂的加入量来改变型砂预冷温度。

进一步的，所述双打印喷头，由两组打印喷头及其供墨系统组成，可实现两种类型粘结剂的喷射。

进一步的，镂空3D打印可显著减少铸型材料用量，减少废料排放，符合智能化和绿色化的发展方向。

本发明的有益效果：

1、能够进一步解决增材制造冷冻砂型高温易溃散的问题，从而得到的产品精确度较高的铸件。

2、能够进一步细化晶粒，提高铸件各方面的性能，镂空冷冻砂型结构的结合不仅可以起到一定的支撑作用，而且温度较低的冷冻砂型镂空结构对金属熔体起到了一个快速冷却的作用;金属熔体快速凝固，使得组织细化，从而提高了整个铸件的质量。

3、能够进一步减少原料和有害物质的使用，得到高收益和绿色化的产品，镂空结构的增加无异于在提高整体砂型强度的同时达到一个原料减少使用的效果，而冷冻砂型更是减少了树脂等有害刺激性粘结剂的使用，达到整个生产呈现高效益化，绿色可持续化。

附图说明

图1冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法流程图；

图2镂空复合铸型结构示意；

图3几种典型镂空架构示意图：(a)十字镂空结构;(b)杆基镂空结构;(c)蜂窝镂空结构。

图4 冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印装置；

图中的附图标记：1、负压上料装置；2、落砂口a；3、混砂装置a；4、落砂口b；5、混砂装置b；6、树脂粘结剂料盒；7、水基粘结剂料盒；8、冷藏室；9、送气管；10、过滤器；11、冷凝器；12、铜管；13、压缩机；14、双打印喷头；15、可升降平台；16、铺砂装置b；17、铺砂装置a；18、制冷剂料盒；19、原砂颗粒储存箱a；20、固化剂料盒；21、原砂颗粒储存箱b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本发明提出的一种冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法，如图1所示。

（1）在打印开始前要预先设计铸件的复合镂空铸型结构，并根据已知铸件需求来设计树脂砂型壳型的厚度和冷冻砂型的镂空结构。

（2）开启制冷装置，制冷装置采用的冷藏室包裹整个打印机，将整个成型环境温度调定至合适的低温状态；

（3）整个打印机位于冷藏室8内，混砂装置a3通过负压上料装置连接落砂口a2；制冷剂料盒18和原砂颗粒储存箱a19与混砂装置a3连接；混砂装置b5通过负压上料装置连接落砂口b4;固化剂料盒13和原砂颗粒储存箱b21与混砂装置b5连接；双打印平头14的上方分别连接有水基粘剂料盒7和树脂粘结剂料盒6；型砂在混砂装置中搅拌均匀后被分别送入两个铺砂装置中；每个铺砂装置包含有多个开闭相互独立的铺砂槽，铺砂槽口可在控制系统的控制下按需开闭，从而可以做到砂层的按需铺设;

其中冷藏室8内的冷空气，压缩机13将气体通过铜管12经过冷凝器11并通过过滤器10过滤后，送入送气管9内对冷藏室8内进行制冷降温。

（4）打印开始后，工作台下移一定距离，装有预冷型砂的铺砂装置移动均匀铺设一层预冷型砂作为底砂，底砂铺设完成后，铺砂装置移回初始位置，为下一次铺砂做好准备。在控制系统的控制下，工作台根据所打印砂型的需求，下移一个层厚;

（5）然后将分别装有预冷型砂和固化剂型砂的铺砂装置再次移动，根据砂型当前层的轮廓信息在需要铺设的位置均匀铺设预冷型砂和预混固化剂型砂;

（6）铺砂完毕后，铺砂装置移动回初始位置，控制系统控制双打印喷头移动，根据砂型当前轮廓信息按需喷射树脂粘结剂和水基粘结剂，完成当前层砂型打印；

（7）双打印喷头在完成当前层打印后，移动回初始位置;

（8）之后铺砂装置检查储砂量，如果储砂量不满足设定阈值，相应料斗将会往砂量不足的铺砂装置中装填型砂至预设值;

（9）工作台继续下移一个层厚, 重复铺砂和打印的过程,层层按需铺砂，层层打印，最终成形所需砂型。

（10）将完成打印后的砂型放进低温环境中保存直至固化。

（11）清理多余型砂。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤2：对树脂砂型壳型进行设计，不同的铸件对于壳型的厚度要求不同，综合考虑浇注金属熔体的静压力、凝固后铸件的重力、凝固后铸件收缩产生的压力和张力以及浇注温度来确定型壳的厚度；

步骤3：对壳型外围包裹着的冷冻砂型镂空结构进行设计，要同时考虑对树脂壳型的加固效果和对铸件整体凝固效果，根据浇注温度，凝固梯度，铸件性能需求、浇注过程中的流动和冲击来选择不同的镂空结构，设计不同的结构厚度和支撑数量；

步骤4：开启制冷装置，制冷装置采用冷藏室包裹整个打印机，将整个成型环境温度调定至合适的低温状态；

步骤5：将原砂通过上料机上料，一部分原砂送入混砂装置中，与固化剂进行搅拌；其余原砂送入另一混砂装置中，与干冰或液氮制冷剂混合预冷至所需温度；

步骤9：重复步骤7、步骤8，每当铺砂装置中的储砂量不足以铺设一个层厚的型砂时，铺砂装置回到上砂位置，自混砂料斗中装填型砂；

步骤10：重复步骤9，层层打印，直至最终逐层堆叠完成砂型打印；

步骤11：将打印好的砂型放在低温室内进行固化处理；

步骤12：清砂。

2.根据权利要求1所述的冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法，其特征在于，所述制冷剂采用液氮或干冰，将型砂预冷至+5℃及以下，并可通过调整制冷剂的加入量来改变型砂预冷温度。

3.根据权利要求1所述的冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法，其特征在于，所述双打印喷头，由两组打印喷头及其供墨系统组成，可实现两种类型粘结剂的喷射。

4.根据权利要求1所述的冷冻砂型和树脂砂型复合制造镂空打印方法，其特征在于，所述步骤1中镂空复合铸型结构采用树脂壳型和冷冻砂型镂空结构结合。