CN115255287A - 一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置及方法。所述装置主要包括耐高温U型管、U型管支架、调压阀、多角度吹风喷嘴、电阻丝加热盒和耐高温送风管道。该装置基于微滴喷射技术进行增材制造，采用直接吹送热风的对流传热方式，对砂型层间进行加热固化，通过电阻丝加热盒、调压阀以及阻流结构将吹风温度和压力调控在合适的范围内，以缩短砂型固化时间，提高砂型层间强度和打印效率。该装置及其方法可解决传统砂型3D打印设备固化时间长、砂型强度不足等问题，对提高砂型打印生产效益、实现砂型整体打印形性调控具有重要意义。

Description

一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置及方法

技术领域

本发明涉及铸造砂型的3DP打印领域，特别涉及一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置及方法。

背景技术

砂型3DP打印是主要包括砂粒预处理、数字化铺砂、打印成形以及层间加热等工序。该技术首先建立砂型的三维模型，导入切片软件进行分层切片处理；然后根据每层砂型的二维轮廓数据生成每一层的打印图案，得到截面信息；将预混固化剂的不同型砂颗粒存放在铺砂槽中进行铺砂，层层固化，堆积成形；砂型制备完成后，将砂型清理出来，除去表面浮砂即可。

大多树脂砂砂型是在常温条件下固化成型，但现砂型3DP打印设备在生产大批量大型铸件过程中，存在固化时间长，打印强度不高等问题，甚至会受到冬季气温下降或受南方黄梅雨季潮湿气候等外界环境因素的影响，减缓树脂砂砂型的固化速度，导致生产效率明显下降，并影响树脂砂砂型的成型质量。

砂型3D打印成形技术基于微滴喷射技术的多材质砂型整体打印装备有以下不足之处：

（1）易受外界环境湿度、温度等因素影响，当环境温度降低，湿度变大时会减缓固化速度、降低生产效率和成型质量，不利于砂型整体打印形性调控。

（2）常温下大批量大型铸件本身就存在固化时间长，打印强度不高，生产效益低等问题。

发明内容

本发明针对现有技术中3DP铺砂打印设备存在固化时间长、砂型强度不足、易受外界因素影响等问题提供一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置及方法，以缩短砂型大批量打印时间，提高砂型质量和生产效益。

一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置，包括耐高温U型管、U型管支架、调压阀、多角度吹风喷嘴和电热调压送风装置；所述电热调压送风装置采用固定接口固定在铺砂盒的侧面，送风经过电阻丝加热盒再通电热调压送风装置送入耐高温U型管内，其中U型管支架固定在铺砂槽下且随铺砂盒一起在打印平台上运动；所述耐高温U型管下开设通孔并与多角度吹气喷嘴连接；其中耐高温U型管固定在U型支架上；所述多角度吹风喷嘴具有两种设计款式，分别是万向吹风喷嘴或鸭嘴式吹风喷嘴，每种款式喷嘴中都设计了阻流结构和转向结构；以减小气流冲击对砂型精度产生的影响。

所述电热调压送风装置由耐高温送风管道一、耐高温送风管道一、耐高温出风管道、固定接口、弯曲接口、调压阀、电阻丝加热盒和送风铜管组成，未加热气体从送风铜管出气端与电阻丝加盒联通；电阻丝加热盒的出气端与耐高温送风管二的进气端连接；所述高温送风管二的出气端通过调压阀与耐高温送风管一连接；其中耐高温送风管一的出气端穿过固定连接口与耐高温U型管的进气端连接；耐高温U型管内循环一圈多余气体通过出风管道与调压阀连接；通过砂型表面及空隙进行对流传热，加快传热效率和传热速度，从而加快固化速度，提高砂型层间强度。

所述电阻丝加热盒由电阻丝、热电偶和外部金属箱组成，外部金属箱由固定支撑板支撑，其中固定支撑板与调压阀固定结合，电阻丝加热盒以电阻丝对吹过电阻丝的风进行加热，并在加热盒出口处放置热电偶来检测热风温度，以防温度过高使砂型分层。

所述鸭嘴式吹风喷嘴由固定座一、万向节、鸭嘴式喷嘴头和耐高温阻流纤维组成，喷嘴通过固定座一固定在高温U型管下，鸭嘴式喷嘴头的顶部通过万向节根据所需吹风倾斜砂面角度手动进行角度调节，鸭嘴式喷嘴头内含有耐高温阻流纤维；所述耐高温阻流纤维设置在鸭嘴式喷嘴头的出口处，可根据所需气流速度来设计纤维密度；鸭嘴式喷头内含有耐高温阻流纤维，进一步对热风气流进行调节，以防气流冲击力过大，影响砂型精度。

所述万向吹风喷嘴由从动轮一、主动轮一、主动轮二、从动轮三、主动轮三、从动轮二、固定座二、风腔一、风腔三、百叶导流口、风腔二和阻流器组成；所述喷嘴由固定座二固定于高温U型管下，风腔一的下腔口与风腔二的上腔口配合；风腔二的下腔口与风腔三的上腔口配合；风腔一的上腔口与固定座二相互配合；其中风腔一的外表面设有从动轮一；从动轮一与主动轮一相互啮合；风腔二的外表面设有从动轮二；从动轮二与主动轮二相互啮合；风腔三的外表面设有从动轮三；从动轮三与主动轮三相互啮合；所述万向吹风喷嘴转动动力采用微型伺服电机；分为位于与对应的主动轮一、主动轮二和主动轮三连接；主动轮带动从动轮转动，从动轮带动风腔旋转，由二维平面转动转变为三维立体式转动；由此可变换不同位置从而改变出风角度，进行全方位砂型层间加热固化；阻流器放置在风腔三中，阻流器根据所需气流速度加工不同大小的孔径和密度。

其中从动轮二和从动轮三对称设置，从动轮二与固定座二的夹角为22.5ºº。

一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：根据铸件设计砂型三维几何模型，并进行切片处理得到二维切片信息；

S2：在打印所在平台，铺设5cm高度的原砂作为底砂；

S3：将配比后原砂颗粒与适量固化剂放入混砂机中，均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；

S4：将型砂颗粒均匀装入铺砂盒内，铺设0.2mm~0.5mm层厚的型砂刮平，并根据切片信息喷射粘结剂；

S5：加热送风装置随铺砂盒一起移动，在粘结剂喷射完成后回到打印原点过程中，开启送风装置；

S6：将未加热气体从送风铜管进入到电阻丝加热盒内进行加热，由送风口热电偶检测热风温度，调控热风温度在35℃~150℃；

S7：再由耐高温送风管二进入调压阀进行压力调节，调节范围为800pa~6kpa，确保热风可从耐高温送风管一送入耐高温U型管，并循环一圈。多余气体可通过耐高温出气管回到调压阀与下一次送入气体汇合再次进入耐高温U型管内；

S8：将送入耐高温U型管的热气再经过多角度吹风喷嘴或中的阻流器对气流进行最后一次调节，调节气流速度在0.1m/s~0.45m/s范围内，确保送出的热风气流压力在15pa~800Pa内并调整送风喷嘴角度，送出到砂型表面，确保未喷射粘结剂的型砂不会在打印平面被吹散，热风通过砂型表面及空隙对砂型进行对流传热，加快传热效率和传热速度，从而加快固化速度，提高砂型层间强度；

S9：送风加热结束后，打印平台下降0.2mm~0.5mm层厚；

S10：如此反复步骤S4~S9直至打印结束，清除余砂，得到完整砂型。

所述层间加热方式是对流传热，采取电阻丝直接加热气体，再将热气通过砂型表面及空隙进行高效传热，以此加快固化速度，以此提高砂型层间强度。

本发明提供了一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置及方法；与现有技术相比具备以下有益效果：

（1）解决砂型3D打印受外界因素影响等问题，进一步提高砂型质量；

（2）提高砂型固化速度，降低生产时间成本，从而实现较高的生产效益。

实现砂型高精高效制备，完成对铸件微观组织及力学性能综合调控。

（3）喷嘴均设计了可调节角度和阻流结构，可全方位对砂型进行层间加热固化。

附图说明

图1一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热装置示意图；

图2一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热装置前视示意图；

图3鸭嘴式吹风喷嘴前视示意图；

图4鸭嘴式吹风喷嘴头结构示意图；

图5万向吹风喷嘴左右二等角轴测示意图；

图6万向吹风喷嘴前视示意图；

图7阻流器结构示意图。

附图说明：1-铺砂槽；2-固定接口；3-耐高温送风管1；4-电阻丝；5-固定支撑板；6-耐高温送风管2；7-调压阀；8-耐高温出风管；9-挡板；10-U型管支架；11-弯曲接口；12-送风铜管；13-电阻丝加热盒；14-耐高温U型管；15-多角度吹风喷嘴；16-固定座1；17-万向节；18-鸭嘴式喷嘴头；19-耐高温阻流纤维；20-从动轮1；21-主动轮一；22-主动轮二；23-从动轮三；24-主动轮三；25-从动轮二；26-固定座二；27-风腔一；28-风腔三；29-百叶导流口；30-风腔二；31-阻流器。

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。

如图1-2所示，本实施例提供一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置，其特征在于：包括耐高温U型管14、U型管支架10、调压阀7、多角度吹风喷嘴15和电热调压送风装置；所述电热调压送风装置采用固定接口2固定在铺砂盒1的侧面，送风经过电阻丝加热盒13再通电热调压送风装置送入耐高温U型管14内，其中U型管支架10固定在铺砂槽1下且随铺砂盒一起在打印平台上运动；所述耐高温U型管14下开设通孔并与多角度吹气喷嘴15连接；其中耐高温U型管14固定在U型支架10上；所述多角度吹风喷嘴15具有两种设计款式，分别是万向吹风喷嘴或鸭嘴式吹风喷嘴，每种款式喷嘴中都设计了阻流结构和转向结构。

如图1所示，所述电热调压送风装置由耐高温送风管道一3、耐高温送风管道一6、耐高温出风管道8、固定接口2、弯曲接口11、调压阀7、电阻丝加热盒13和送风铜管12组成，未加热气体从送风铜管12出气端与电阻丝加盒13联通；电阻丝加热盒13的出气端与耐高温送风管二6的进气端连接；所述高温送风管二6的出气端通过调压阀7与耐高温送风管一13连接；其中耐高温送风管一13的出气端穿过固定连接口2与耐高温U型管14的进气端连接；耐高温U型管14内循环一圈多余气体通过出风管道8与调压阀7连接。

如图1所示，所述电阻丝加热盒13由电阻丝4、热电偶和外部金属箱组成，外部金属箱由固定支撑板5支撑，其中固定支撑板5与调压阀7固定结合，电阻丝加热盒13以电阻丝对吹过电阻丝的风进行加热，并在加热盒出口处放置热电偶来检测热风温度，以防温度过高使砂型分层。

如图3-4所示，所述鸭嘴式吹风喷嘴15由固定座一16、万向节17、鸭嘴式喷嘴头18和耐高温阻流纤维19组成，喷嘴通过固定座一16固定在高温U型管14下，鸭嘴式喷嘴头18的顶部通过万向节17根据所需吹风倾斜砂面角度手动进行角度调节，鸭嘴式喷嘴头18内含有耐高温阻流纤维19；所述耐高温阻流纤维19设置在鸭嘴式喷嘴头18的出口处，吹风喷嘴最后送出的气流速度在0.1m/s~0.45m/s范围内，热风气流压力在15pa～800Pa内，根据所需0.2m/s的气流速度，所述纤维可采用0.01cm直径的纤维，排列密度可设计为每平方厘米4000根。

如图5-6所示，所述万向吹风喷嘴由从动轮一20、主动轮一21、主动轮二22、从动轮三23、主动轮三24、从动轮二25、固定座二26、风腔一27、风腔三28、百叶导流口29、风腔二30和阻流器31组成；所述喷嘴由固定座二26固定于高温U型管14下，风腔一27的下腔口与风腔二30的上腔口配合；风腔二30的下腔口与风腔三28的上腔口配合；风腔一27的上腔口与固定座二26相互配合；其中风腔一27的外表面设有从动轮一20；从动轮一20与主动轮一21相互啮合；风腔二30的外表面设有从动轮二25；从动轮二25与主动轮二22相互啮合；风腔三28的外表面设有从动轮三23；从动轮三23与主动轮三24相互啮合；所述万向吹风喷嘴转动动力采用微型伺服电机；分为位于与对应的主动轮一21、主动轮二22和主动轮三23连接；微型伺服电机为10-15mm微小型电机；主动轮带动从动轮转动，从动轮带动风腔旋转，由二维平面转动转变为三维立体式转动；由此可变换不同位置从而改变出风角度，进行全方位砂型层间加热固化。

其中从动轮二25和从动轮三23对称设置，从动轮二25与固定座二26的夹角为22.5º。

如图7，阻流器31放置在风腔三28中， 吹风喷嘴最后送出的气流速度在0.1m/s~0.45m/s范围内，热风气流压力在15pa～800Pa内，根据所需0.2m/s的气流速度，所述阻流器可加工2mm的通孔结构，通孔中心距可设计为3mm。

一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据铸件设计砂型三维几何模型，并进行切片处理得到二维切片信息；

S2：在打印所在平台，铺设5cm高度的原砂作为底砂；

S3：将配比后原砂颗粒与适量固化剂放入混砂机中，均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；

S4：将型砂颗粒均匀装入铺砂盒内，铺设0.2mm~0.5mm层厚的型砂刮平，并根据切片信息喷射粘结剂；

S5：加热送风装置随铺砂盒一起移动，在粘结剂喷射完成后回到打印原点过程中，开启送风装置；

S6：将未加热气体从送风铜管进入到电阻丝加热盒内进行加热，由送风口热电偶检测热风温度，调控热风温度在35℃~150℃；

S7：再由耐高温送风管二6进入调压阀进行压力调节，调节范围为800pa~6kpa，确保热风可从耐高温送风管送入耐高温U型管14，并循环一圈。多余气体可通过耐高温出气管6回到调压阀与下一次送入气体汇合再次进入耐高温U型管14内；

S8：将送入耐高温U型管14的热气再经过多角度吹风喷嘴15或中的阻流器对气流进行最后一次调节，调节气流速度在0.1m/s~0.45m/s范围内，确保送出的热风气流压力在15pa~800Pa内并调整送风喷嘴角度，送出到砂型表面，确保未喷射粘结剂的型砂不会在打印平面被吹散，热风通过砂型表面及空隙对砂型进行对流传热，加快传热效率和传热速度，从而加快固化速度，提高砂型层间强度；

S9：送风加热结束后，打印平台下降0.2mm~0.5mm层厚；

S10：如此反复步骤S4~S9直至打印结束，清除余砂，得到完整砂型。

所述层间加热方式是对流传热，采取电阻丝直接加热气体，再将热气通过砂型表面及空隙进行高效传热，以此加快固化速度，以此提高砂型层间强度。

Claims (9)

1.一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置，其特征在于：包括耐高温U型管（14）、U型管支架（10）、调压阀（7）、多角度吹风喷嘴（15）和电热调压送风装置；所述电热调压送风装置采用固定接口（2）固定在铺砂盒（1）的侧面，送风经过电阻丝加热盒（13）再通电热调压送风装置送入耐高温U型管（14）内，其中U型管支架（10）固定在铺砂槽（1）下且随铺砂盒一起在打印平台上运动；所述耐高温U型管（14）下开设通孔并与多角度吹气喷嘴（15）连接；其中耐高温U型管（14）固定在U型支架（10）上；所述多角度吹风喷嘴（15）具有两种设计款式，分别是万向吹风喷嘴或鸭嘴式吹风喷嘴，每种款式喷嘴中都设计了阻流结构和转向结构。

2.如权利要求1所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置，其特征在于，所述电热调压送风装置由耐高温送风管道一（3）、耐高温送风管道一（6）、耐高温出风管道（8）、固定接口（2）、弯曲接口（11）、调压阀（7）、电阻丝加热盒（13）和送风铜管（12）组成，未加热气体从送风铜管（12） 出气端与电阻丝加盒（13）联通；电阻丝加热盒（13）的出气端与耐高温送风管二（6）的进气端连接；所述高温送风管二（6）的出气端通过调压阀（7）与耐高温送风管一（13）连接；其中耐高温送风管一（13）的出气端穿过固定连接口（2）与耐高温U型管（14）的进气端连接；耐高温U型管（14）内循环一圈多余气体通过出风管道（8）与调压阀（7）连接。

3.如权利要求2所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置，其特征在于，所述电阻丝加热盒（13）由电阻丝（4）、热电偶和外部金属箱组成，外部金属箱由固定支撑板（5）支撑，其中固定支撑板（5）与调压阀（7）固定结合，电阻丝加热盒（13）以电阻丝对吹过电阻丝的风进行加热，并在加热盒出口处放置热电偶来检测热风温度，以防温度过高使砂型分层。

4.如权利要求1所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热装置，其特征在于，所述鸭嘴式吹风喷嘴（15）由固定座一（16）、万向节（17）、鸭嘴式喷嘴头（18）和耐高温阻流纤维（19）组成，喷嘴通过固定座一（16）固定在高温U型管（14）下，鸭嘴式喷嘴头（18）的顶部通过万向节（17）根据所需吹风倾斜砂面角度手动进行角度调节，鸭嘴式喷嘴头（18）内含有耐高温阻流纤维（19）；所述耐高温阻流纤维（19）设置在鸭嘴式喷嘴头（18）的出口处，可根据所需气流速度来设计纤维密度。

5.如权利要求1所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热装置，其特征在于，所述万向吹风喷嘴由从动轮一（20）、主动轮一（21）、主动轮二（22）、从动轮三（23）、主动轮三（24）、从动轮二（25）、固定座二（26）、风腔一（27）、风腔三（28）、百叶导流口（29）、风腔二（30）和阻流器（31）组成；所述喷嘴由固定座二（26）固定于高温U型管（14）下，风腔一（27）的下腔口与风腔二（30）的上腔口配合；风腔二（30）的下腔口与风腔三（28）的上腔口配合；风腔一（27）的上腔口与固定座二（26）相互配合；其中风腔一（27）的外表面设有从动轮一（20）；从动轮一（20）与主动轮一（21）相互啮合；风腔二（30）的外表面设有从动轮二（25）；从动轮二（25）与主动轮二（22）相互啮合；风腔三（28）的外表面设有从动轮三（23）；从动轮三（23）与主动轮三（24）相互啮合；所述万向吹风喷嘴转动动力采用微型伺服电机；分为位于与对应的主动轮一（21）、主动轮二（22）和主动轮三（23）连接；主动轮带动从动轮转动，从动轮带动风腔旋转，由二维平面转动转变为三维立体式转动；由此可变换不同位置从而改变出风角度，进行全方位砂型层间加热固化。

6.如权利要求5所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热装置，其特征在于，其中从动轮二（25）和从动轮三（23）对称设置，从动轮二（25）与固定座二（26）的夹角为22.5º。

7.如权利要求5所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热装置，其特征在于，阻流器（31）放置在风腔三（28）中，阻流器根据所需气流速度加工不同大小的孔径和密度。

8.一种砂型打印用热风喷嘴随动层间加热方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：根据铸件设计砂型三维几何模型，并进行切片处理得到二维切片信息；

S2：在打印所在平台，铺设5cm高度的原砂作为底砂；

S3：将配比后原砂颗粒与适量固化剂放入混砂机中，均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；

S4：将型砂颗粒均匀装入铺砂盒内，铺设0.2mm~0.5mm层厚的型砂刮平，并根据切片信息喷射粘结剂；

S5：加热送风装置随铺砂盒一起移动，在粘结剂喷射完成后回到打印原点过程中，开启送风装置；

S6：将未加热气体从送风铜管进入到电阻丝加热盒内进行加热，由送风口热电偶检测热风温度，调控热风温度在35℃~150℃；

S7：再由耐高温送风管二（6）进入调压阀进行压力调节，调节范围为800pa~6kpa，确保热风可从耐高温送风管1（3）送入耐高温U型管（14），并循环一圈；

多余气体可通过耐高温出气管（6）回到调压阀与下一次送入气体汇合再次进入耐高温U型管（14）内；

S8：将送入耐高温U型管（14）的热气再经过多角度吹风喷嘴（15）或中的阻流器对气流进行最后一次调节，调节气流速度在0.1m/s~0.45m/s范围内，确保送出的热风气流压力在15pa~800Pa内并调整送风喷嘴角度，送出到砂型表面，确保未喷射粘结剂的型砂不会在打印平面被吹散，热风通过砂型表面及空隙对砂型进行对流传热，加快传热效率和传热速度，从而加快固化速度，提高砂型层间强度；

S9：送风加热结束后，打印平台下降0.2mm~0.5mm层厚；

S10：如此反复步骤S4~S9直至打印结束，清除余砂，得到完整砂型。

9.根据权利要求8所述的一种砂型打印用热风喷嘴随动吹扫层间加热方法，其特征在于，所述层间加热方式是对流传热，采取电阻丝直接加热气体，再将热气通过砂型表面及空隙进行高效传热，以此加快固化速度，以此提高砂型层间强度。

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