CN115026241B - 一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法及装置，该装置包括铝合金框架、及设置在铝合金框架上的喷墨系统、落砂装置、刮砂装置、Z轴旋转升降运动系统。该装置通过保持落砂盒、打印喷头、刮砂板固定，旋转打印平台实现定量落砂、均匀铺砂，通过滚珠丝杠装置实现旋转打印平台精准可控下降，实现逐层铺砂、逐层打印，同时无级调节旋转台下降高度根据微滴喷射打印灰度调整型砂颗粒间的树脂饱和度，进而提升砂型整体打印速度和强度。该装置与方法可以解决传统制造异形回转体成形效率低、质量差以及部分工艺成本高、浪费多的问题，以及实现了高度方向无级调节的异形回转体砂型3D打印，对快速制造高性能异形回转体具有重要现实意义。

Description

一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体为一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法及装置。

背景技术

砂型铸造作为装备制造业基础制造工艺，广泛应用于航空航天、动力机械等装备制造业，亟需数字化、绿色化和高性能转型升级。在与现代数字化制造技术相结合下，树脂砂铸造工艺与3D打印技术的融合成为铸造行业未来发展的主要方向。砂型3D打印技术与装备作为一种适用于小批量、高端复杂件制造及新产品研发的技术与装备，为铸造业带来了颠覆性的变革。发展该项技术有助于实现公司铸造产业智能化升级，进一步提升铸造产能及产品质量，增强公司核心竞争力。砂型3D打印制造模具的生产周期短，成本低，且能够为模具设计改进增加更多的功能性。

传统的异形回转体砂型采用制模翻模造型工艺进行，人工加工需要对其进行多次剖型加工并进行组装坎合，砂型尺寸精度较差，无法保证零件的加工尺寸精度。如今通过数控机床进行加工可以得到壁厚和形状尺寸满足要求的异形回转体，但是实验操作复杂，且造成材料资源浪费；通过一些传统模具翻模造型并进行浇注可以得到异形回转体铸件，但是其模具存在加工难度高、成品率低，浇注的铸件性能不高的难题。

因此，亟需设计一种能够解决上述技术问题、快速成型的用于异形回转体砂型的成型装置和方法。

发明内容

为了解决异形回转体制造复杂和成形效率低、精度差，以及一些工艺中成本高、资源浪费的问题，本发明提供了一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置，包括铝合金框架，设置在铝合金框架上的：

喷墨系统，包括墨水压力传感器、打印喷头、喷头驱动板、喷头附件安装板、压力传感器安装板，喷头附件安装板和压力传感器安装板安装在铝合金型材上，喷头驱动板安装在喷头附件安装板上，墨水压力传感器安装在压力传感器安装板上，打印喷头安装在铺砂和喷头安装板上，打印喷头连接喷头驱动板，喷头驱动板连接墨水压力传感器；

落砂装置，包括落砂盒、设置在落砂盒上的若干落砂口、用于控制落砂口打开和闭合的控制开关和步进电机a，控制开关安装在落砂盒内，落砂盒、步进电机a安装在铺砂和喷头安装板上，铺砂和喷头安装板固定在铝合金框架上；

刮砂装置，由短刮板和长刮板组成，固定安装在铺砂和喷头安装板下侧；

Z轴旋转升降运动系统，分为Z轴升降系统和旋转系统，其中，Z轴升降系统包括砂箱底板、圆柱升降滑台、支撑导柱、轴承座、升降导柱、密封升降板、滚珠丝杠、丝杠螺母、升降电机座、同步带、步进电机b、底板、丝杠增高支座、带轮a和带轮b，砂箱底板为圆柱状，中间钻有通孔，通孔处装有轴承座，位于密封升降板沉孔的正下方加工有四个沉孔，沉孔处装有导柱轴承，方向向上，用于连接升降导柱，下侧铝合金板加工4个沉孔用于连接支撑导柱；升降滑台为长方体，中间部分加工有通孔，通孔内装有丝杠螺母，用于连接滚珠丝杠，在砂箱底板的四个沉孔下方对应位置处加工有四个通孔，通孔处装有导柱轴承，轴承座方向向下，用于连接支撑导柱，与密封升降板中加工的沉孔下方对应位置处加工有4个沉孔，用于连接升降导柱；

所述底板为长方体，在与升降滑台加工的通孔下方对应处加工有四个沉孔，用于连接支撑导柱，丝杠增高支座通过螺旋固螺栓定连接在底板中间位置，带轮b固定连接在滚珠丝杠上，滚珠丝杠固定在丝杠增高支座上；升降电机座位于丝杠增高支座一侧，通过螺栓连接固定连接在底板上，步进电机b装有带轮a，通过同步带连接滚珠丝杠上的带轮b；旋转运动系统包括密封升降板、步进电机c、中控旋转平台、旋转台、三角台、滚珠；旋转台中间部分通过螺栓固定连接中控旋转平台，步进电机c 28通过螺栓固定连接在密封升降板上，中控旋转平台通过螺栓固定连接在密封升降板上，通过斜齿轮连接步进电机c，三角台固定连接在密封升降板上，滚珠位于三角台和旋转台中间，用于支撑和协助旋转台运动。

进一步地，所述的控制开关为半圆体，通过步进电机a来旋转控制开关实现落砂口的打开与闭合。

进一步地，短刮板和长刮板一端位置在密封升降板的圆心位置，长刮板的长度为密封升降板的半径，位于旋转方向落砂口的后侧，短刮板的长度为密封升降板半径的一半，位于旋转方向落砂口的前侧。

进一步地，落砂口设计成扇形，有利于均匀落砂在旋转台上。

进一步地，还包括安装在砂箱底板上的圆筒壁，厚度为2cm。

进一步地，旋转台为圆柱状，由上下两块筒状铝合金板和通过螺栓固定安装在两块筒状铝合金板之间的筒状树脂板，筒状铝合金板外侧距砂箱边板2cm，且下侧的筒状铝合金板加工有半圆滑道。

进一步地，所述的三角台的数量为4个，上端加工有圆状凹槽用于放置滚珠。

本发明还提供了一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法，采用如权利要求上述的装置制造，包括如下步骤：

步骤1：根据异形回转体砂型设计要求设定不同切片厚度对设计的异形回转体进行不等厚切片，得到不同厚度的二维异形回转体图层；

步骤2：控制通过控制步进电机b带动带轮a进行旋转，带轮a通过同步带带动带轮b旋转，带轮b带动丝杠进行旋转，通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为Z轴方向上升降滑台的上下移动，升降滑台通过升降导柱控制密封升降板的上下移动，密封升降板通过中控旋转平台带动旋转台下移1mm，防止在打印第一层时树脂渗透到旋转台上对旋转台进行腐蚀；

步骤3：在旋转台上预铺原砂，控制旋转台旋转，当旋转台旋转1圈后，原砂被铺平；

步骤4：在落砂盒中盛装混有固化剂的型砂，打开步进电机a旋转控制开关进行落砂，通过无级调节旋转台的下降速度以及与其匹配的旋转速度，控制打印喷头根据二维图片和旋转速度进行喷射相匹配灰度的树脂，旋转台旋转一圈，下降当前切片厚度，重复打印直至砂型整体打印结束，关闭所有步进电机；

步骤5：等待一段时间，清除废砂，取出砂型。

进一步地，旋转台的下降速度根据当前层厚进行自动调节。

本发明具有以下有益效果：

1)通过固定刮板，控制旋转台的旋转可以实现快速铺砂且铺砂均匀；

2)通过固定落砂盒和喷头，控制旋转台的旋转来实现异形回转体砂型成型，减少了喷头的移动，降低了喷头的损耗；同时通过控制落砂盒中的开关，可以方便调整落砂量的大小，实现落砂量易调；

3)本设备可以装备三个打印喷头，提高了打印速度；通过无级调节旋转台下降速度和与其匹配的旋转速度，根据旋转台下降速度调节相匹配的打印灰度，进一步提升打印速度；

4)通过该设备制造异形回转体砂型，操作方便且易于控制，精度高且易于成型。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的铺砂装置、喷墨系统结构示意图；

图3为本发明实施例中的Z轴升降旋转运动结构示意图；

图4为图4中的Z轴升降运动结构示意图；

图5为图4中的旋转运动结构示意图；

图6为图6中C处的截面图；

图7为本发明实施例中的刮板的结构和位置示意图；

图8为图2中A处的正视图；

图9为图2中B处的截面图。

图中：1、铝合金框架；2、喷头附件安装板；3、打印喷头；4、压力传感器安装板；5、墨水压力传感器；6、铺砂和喷头安装板；7、落砂盒；8、步进电机a；9、圆筒壁；10、密封升降板；11、升降导柱；12、轴承座；13、丝杠螺母；14、步进电机b；15、升降电机座；16、带轮a；17、底板；18、同步带；19、丝杠增高支座；20、带轮b；21、滚珠丝杠；22、支撑导柱；23、升降滑台；24、导柱轴承；25、三角台；26、旋转台；27、中控旋转平台；28、步进电机c；29、滚珠；30、短刮板；31、长刮板；32、喷头驱动板；33、控制开关。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1-图8所示，一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置，包括铝合金框架1，设置在铝合金框架1上的：

喷墨系统，包括墨水压力传感器5、打印喷头3、喷头驱动板32、喷头附件安装板2、压力传感器安装板4，喷头附件安装板2和压力传感器安装板4通过螺纹安装在铝合金型材1上，喷头驱动板通过螺栓安装在喷头附件安装板2上，墨水压力传感器5通过螺栓安装在压力传感器安装板4上，打印喷头3通过螺纹安装在铺砂和喷头安装板6上，打印喷头3连接喷头驱动板32，喷头驱动板32连接墨水压力传感器5；

落砂装置，包括落砂盒7、设置在落砂盒上的若干落砂口、用于控制落砂口打开和闭合的控制开关33和步进电机a 8，控制开关33为半圆体，安装在落砂盒7内，通过步进电机a来旋转控制开关实现落砂口的打开与闭合，落砂盒7、步进电机a 8安装在铺砂和喷头安装板6上，铺砂和喷头安装板6固定在铝合金框架1上；落砂口设计成扇形，有利于均匀落砂在旋转台上；

刮砂装置，由短刮板30和长刮板31组成，固定安装在铺砂和喷头安装板6下侧；短刮板30和长刮板31一端位置在密封升降板的圆心位置，长刮板31的长度为密封升降板的半径，位于旋转方向落砂口的后侧，短刮板30的长度为密封升降板半径的一半，位于旋转方向落砂口的前侧；

Z轴旋转升降运动系统，分为Z轴升降系统和旋转系统，所述的Z轴升降系统通过滚珠丝杠结构实现密封升降板的精准升降，旋转系统通过电机带动中控旋转平台实现旋转台的旋转运动；其中，Z轴升降系统包括砂箱底板、圆柱升降滑台23、支撑导柱22、轴承座12、升降导柱11、密封升降板10、滚珠丝杠21、丝杠螺母13、升降电机座15、同步带18、步进电机b14、底板17、丝杠增高支座19、带轮a 16和带轮b 20，砂箱底板上安装一厚度为2cm的圆筒壁9，砂箱底板为圆柱状，中间钻有通孔，通孔处装有轴承座12，位于密封升降板10沉孔的正下方加工有四个沉孔，沉孔处装有导柱轴承24，方向向上，用于连接支撑导柱11，下侧铝合金板加工4个沉孔用于连接升降导柱22；升降滑台23为长方体，中间部分加工有通孔，通孔内装有丝杠螺母13，用于连接滚珠丝杠21，在砂箱底板的四个沉孔下方对应位置处加工有四个通孔，通孔处装有导柱轴承24，轴承座方向向下，用于连接支撑导柱22，与密封升降板中加工的沉孔下方对应位置处加工有4个沉孔，用于连接升降导柱11；

所述底板17为长方体，在与升降滑台加工的通孔下方对应处加工有四个沉孔，用于连接支撑导柱22，丝杠增高支座19通过螺旋固螺栓定连接在底板17中间位置，带轮b 20固定连接在滚珠丝杠21上，滚珠丝杠21固定在丝杠增高支座19上；升降电机座15位于丝杠增高支座一侧，通过螺栓连接固定连接在底板上，步进电机b 14装有带轮a 16，通过同步带18连接滚珠丝杠21上的带轮b 20；旋转运动系统包括密封升降板10、步进电机c 28、中控旋转平台27、旋转台26、三角台25、滚珠29；旋转台26中间部分通过螺栓固定连接中控旋转平台27，步进电机c 28通过螺栓固定连接在密封升降板10上，中控旋转平台27通过螺栓固定连接在密封升降板10上，通过斜齿轮连接步进电机c 28，三角台25固定连接在密封升降板10上，滚珠29位于三角台25和旋转台26中间，用于支撑和协助旋转台26运动。旋转台26为圆柱状，由上下两块筒状铝合金板和通过螺栓固定安装在两块筒状铝合金板之间的筒状树脂板，筒状铝合金板外侧距砂箱边板2cm，且下侧的筒状铝合金板加工有半圆滑道。

本实施例中，所述的三角台的数量为4个，上端加工有圆状凹槽用于放置滚珠。优选地，可以增加三角台的数量，使旋转台的旋转运动更顺畅。

本实施例中，可以将刮板设计成辊子，有利于实现对砂型的滚压压实，提高砂型整体性能。

实施例2

一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法，采用实施例1所述的装置制造，包括如下步骤：

步骤1：根据异形回转体砂型设计要求设定不同切片厚度对设计的异形回转体进行不等厚切片，得到不同厚度的二维异形回转体图层；

步骤2：控制通过控制步进电机b带动带轮a进行旋转，带轮a通过同步带带动带轮b旋转，带轮b带动丝杠进行旋转，通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为Z轴方向上升降滑台的上下移动，升降滑台通过升降导柱控制密封升降板的上下移动，密封升降板通过中控旋转平台带动旋转台下移1mm，防止在打印第一层时树脂渗透到旋转台上对旋转台进行腐蚀；

步骤3：在旋转台上预铺原砂，控制旋转台旋转，当旋转台旋转1圈后，原砂被铺平；

步骤4：在落砂盒中盛装混有固化剂的型砂，打开步进电机a旋转控制开关进行落砂，通过无级调节旋转台的下降速度以及与其匹配的旋转速度，控制打印喷头根据二维图片和旋转速度进行喷射相匹配灰度的树脂，旋转台旋转一圈，下降当前切片厚度，重复打印直至砂型整体打印结束，关闭所有步进电机；

步骤5：等待一段时间，清除废砂，取出砂型。

本实施例中，旋转台的下降速度可以根据当前层厚进行自动调节。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置，其特征在于，包括铝合金框架，设置在铝合金框架上的：

喷墨系统，包括墨水压力传感器、打印喷头、喷头驱动板、喷头附件安装板、压力传感器安装板，喷头附件安装板和压力传感器安装板安装在铝合金型材上，喷头驱动板安装在喷头附件安装板上，墨水压力传感器安装在压力传感器安装板上，打印喷头安装在铺砂和喷头安装板上，打印喷头连接喷头驱动板，喷头驱动板连接墨水压力传感器；

落砂装置，包括落砂盒、设置在落砂盒上的若干落砂口、用于控制落砂口打开和闭合的控制开关和步进电机a ，落砂口设计成扇形，有利于均匀落砂在旋转台上，控制开关安装在落砂盒内，落砂盒、步进电机a 安装在铺砂和喷头安装板上，铺砂和喷头安装板固定在铝合金框架上；

刮砂装置，由短刮板和长刮板组成，固定安装在铺砂和喷头安装板下侧；

Z轴旋转升降运动系统，分为Z轴升降系统和旋转系统，其中，Z轴升降系统包括砂箱底板、圆柱升降滑台、支撑导柱、轴承座、升降导柱、密封升降板、滚珠丝杠、丝杠螺母、升降电机座、同步带、步进电机b 、底板、丝杠增高支座、带轮a 和带轮b ，砂箱底板为圆柱状，中间钻有通孔，通孔处装有轴承座，位于密封升降板沉孔的正下方加工有四个沉孔，沉孔处装有导柱轴承，方向向上，用于连接升降导柱，下侧铝合金板加工4个沉孔用于连接支撑导柱；升降滑台为长方体，中间部分加工有通孔，通孔内装有丝杠螺母，用于连接滚珠丝杠，在砂箱底板的四个沉孔下方对应位置处加工有四个通孔，通孔处装有导柱轴承，轴承座方向向下，用于连接支撑导柱，与密封升降板中加工的沉孔下方对应位置处加工有4个沉孔，用于连接升降导柱；

所述底板为长方体，在与升降滑台加工的通孔下方对应处加工有四个沉孔，用于连接支撑导柱，丝杠增高支座通过螺栓螺旋固定连接在底板中间位置，带轮b 固定连接在滚珠丝杠上，滚珠丝杠固定在丝杠增高支座上；升降电机座位于丝杠增高支座一侧，通过螺栓连接固定在底板上，步进电机b 装有带轮a ，通过同步带连接滚珠丝杠上的带轮b ；旋转运动系统包括密封升降板、步进电机c 、中控旋转平台、旋转台、三角台、滚珠；旋转台中间部分通过螺栓固定连接中控旋转平台，步进电机c 通过螺栓固定连接在密封升降板上，中控旋转平台通过螺栓固定连接在密封升降板上，通过斜齿轮连接步进电机c ，三角台固定连接在密封升降板上，滚珠位于三角台和旋转台中间，用于支撑和协助旋转台运动；短刮板和长刮板一端位置在密封升降板的圆心位置，长刮板的长度为密封升降板的半径，位于旋转方向落砂口的后侧，短刮板的长度为密封升降板半径的一半，位于旋转方向落砂口的前侧；旋转台为圆柱状，由上下两块筒状铝合金板和通过螺栓固定安装在两块筒状铝合金板之间的筒状树脂板，筒状铝合金板外侧距砂箱边板2cm，且下侧的筒状铝合金板加工有半圆滑道。

2.如权利要求1所述的一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置，其特征在于，所述的控制开关为半圆体，通过步进电机a来旋转控制开关实现落砂口的打开与闭合。

3.如权利要求1所述的一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置，其特征在于，还包括安装在砂箱底板上的圆筒壁，厚度为2cm。

4.如权利要求1所述的一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造装置，其特征在于，所述的三角台的数量为4个，上端加工有圆状凹槽用于放置滚珠。

5.一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的装置制造，包括如下步骤：

步骤1：根据异形回转体砂型设计要求设定不同切片厚度对设计的异形回转体进行不等厚切片，得到不同厚度的二维异形回转体图层；

步骤2：通过控制步进电机b带动带轮a进行旋转，带轮a通过同步带带动带轮b旋转，带轮b带动丝杠进行旋转，通过丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为Z轴方向上升降滑台的上下移动，升降滑台通过升降导柱控制密封升降板的上下移动，密封升降板通过中控旋转平台带动旋转台下移1mm；

步骤3：在旋转台上预铺原砂，控制旋转台旋转，当旋转台旋转1圈后，原砂被铺平；

步骤4：在落砂盒中盛装混有固化剂的型砂，打开步进电机a旋转控制开关进行落砂，通过无级调节旋转台的下降速度以及与其匹配的旋转速度，控制打印喷头根据二维图片和旋转速度进行喷射相匹配灰度的树脂，旋转台旋转一圈，下降当前切片厚度，重复打印直至砂型整体打印结束，关闭所有步进电机；

步骤5：等待一段时间，清除废砂，取出砂型。

6.如权利要求5所述的一种异形回转体砂型无级调节高效增材制造方法，其特征在于，旋转台的下降速度根据当前层厚进行自动调节。

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