CN117259668A - 多材料多工序协同增材制造精确成形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多材料多工序协同增材制造精确成形方法与装置，该装置由吸砂下砂协同机构、喷墨打印机构、上料压实机构、加热粘结固化机构、打印平台以及主体框架组成。吸砂下砂协同机构可以根据切片信息实现定点精准吸砂和落砂，喷墨打印机构可以根据切片在打印区域喷射树脂和固化剂，上料压实机构可以实现型砂的上料以及提高砂型的致密度，加热粘结固化机构可以加快型砂颗粒间快速固化。通过高柔性定点铺砂、单层型砂快速固化、滚压压实可以实现多材料砂型整体快速高精高效成形，为多材料砂型高柔性成形提供参考，填补多材料打印在砂型打印领域的不足，加快砂型打印向多材料多工序协同增材制造方向发展。

Description

多材料多工序协同增材制造精确成形方法与装置

技术领域

本发明属于砂型3D打印领域，涉及多材料砂型3D打印领域，特别是涉及多材料多工序协同增材制造精确成形方法与装置。

背景技术

随着砂型铸造复杂铸件产量的不断增多，面对复杂环境下高质量高性能铸件需求量也越来越多。砂型铸造是一种常用的金属铸造工艺，因其简单、灵活、经济等特点而得到广泛的应用。随着科技的不断发展，砂型铸造在材料性能、设备控制技术和生产工艺方面都有很大的进步。

砂型铸造技术的发展带动了铸件向复杂高性能等方向发展，面对复杂曲面薄壁的铸件目前砂型铸造多采用多种材料型砂进行制造砂型。多材料砂型铸造目前有将单种材料型砂进行打印或者切削，然后将这类砂型进行组装后进行浇注，这类为多材质复合砂型，不涉及多材料整体或者一体化打印领域，所生产的多材料复合砂型制造柔性比较差。专利申请号为“CN202210548767.2”的一种多材质砂型打印用高柔性多区域铺砂方法及装置，该专利通过将铺砂区域网格化处理，采用多网格加砂及振动实现网格区域铺砂，但其铺砂运动柔性不高，振动时型砂落砂量不可控。面对日趋复杂的各种铸件，在保证铸件高效高精成形的同时还需控制好铸件的质量。目前多材料多工序铺砂协同控制难，采用振动精细铺砂需要防止型砂振动管内型砂结拱以及吸砂结构定点定量吸砂且不能破坏已打印砂型，多材料砂型打印研究还需进一步实现多种材料型砂高柔性的铺砂打印以及精准的铺砂。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种多材料多工序协同增材制造精确成形方法与装置，该装置通过对切片特定区域进行吸砂落砂以及加热压实一体化成形，是每层都可以根据切片信息实现多材料型砂铺放，进而实现多材料砂型打印整体成形。

一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，该装置由吸砂与下砂一体化机构、喷墨打印机构、上料压实机构、加热粘结固化机构、打印平台及主体框架组成。吸砂下砂一体化机构由吸砂装置、负压管、下料箱一、下料箱二、筛网、换能器、料箱支撑架、减振器、模组二和拖链组成，负压管一端连接吸砂装置，另一端外接负压装置，下料箱一与下料箱二固定在料箱支撑架上，减振器固定在料箱支撑架和模组二中间，拖链固定在模组二上，下料箱一、下料箱二外接换能器，里面安装有筛网，换能器外接超声波发生器，模组二固定安装在滑块台上；喷墨打印机构由模组三、固化剂喷射机构、树脂喷射机构组成，固化剂喷射机构和树脂喷射机构固定安装在模组三上，模组三固定安装在滑块台上；上料压实机构由上料装置、压实辊子机构、辊子支撑架组成，上料装置固定在装置支撑架的底板上，辊子固定安装在辊子支撑架上，辊子支撑架固定安装在滑块台上；加热粘结固化机构由加热管和加热管罩组成，加热管固定在加热管罩中，加热管罩固定安装在滑块台上；主体框架由装置支撑架、模组一、滑块台组成，滑块台固定安装在模组一上，模组一固定安装在装置支撑架上；

进一步的，下料箱一、下料箱二由上下两部分组成，上半部分为圆筒，主要用于存储待用型砂，同时筛网位于上下两半部分中间；下半部由两个圆锥状机构组成，上圆锥机构将振动后下落的型砂流向下圆锥机构，上、下圆锥机构中间有筛网，筛网主要用于破坏上圆锥中型砂在锥口处结拱问题，同时振动时型砂下落较散不易堵住下圆锥，下圆锥一与上圆锥一接触处有加工槽来防止筛网太小不振动，较小的下圆锥口有利于精准定点铺砂，整个下料箱主要通过超声波或机械结构振动实现型砂下落以及控制落砂量；吸砂装置由三部分组成：圆筒套、上圆锥二、活塞运动下圆锥，圆筒套提供密闭环境和上圆锥集活塞运动下圆锥支撑，上圆锥二用于将吸取砂更好汇集到负压管口和排出型砂颗粒，活塞运动下圆锥分为下圆锥二和活塞缸套，下圆锥二在活塞缸套上进行上下运动，其主要用于精准定点吸砂；

进一步的，固化剂喷射机构与树脂喷射机构各在模组三一侧，下料箱一、下料箱二跟吸砂装置各在模组二一侧，压实辊子以及加热粘结固化机构位于模组一与模组二之间，辊子靠近模组二，加热粘结固化机构靠近模组一，喷射树脂机构中树脂喷头距离喷射固化剂机构中固化剂喷头需要整数倍幅宽长度；

一种多材料多工序协同增材制造精确成形方法，其步骤为：

(1)将打印砂型三维模型根据铸件性能需求划分多组模型并对模型进行分组切片，同时上料装置进行上砂，模组一带动滑块台进行多个幅宽移动，辊子滚过上料装置时将型砂滚压铺展在打印平台上，模组二带动固化剂喷射机构与树脂喷射机构进行运动，固化剂喷射机构与树脂喷射机构根据划分模型中一组进行树脂与固化剂喷射，待一层打印结束，在其返程中进行红外加热；此时的型砂颗粒间需要达到固化状态而不被吸走；

(2)模组一带动滑块台进行幅宽移动，吸砂装置根据划分模型中第二组切片区域进行精准吸砂，吸砂装置到达切片区域时下圆锥在活塞缸套中下降一定距离，吸砂结束后下圆锥上升一定距离，完成吸砂程序，同时下料箱一内根据该切片信息，通过超声波或机械振动落砂在吸砂区域填补第二种型砂颗粒，接着模组二带动固化剂喷射机构与树脂喷射机构根据该切片信息进行喷射树脂与固化剂，待一层打印结束，在其返程中进行红外加热。

(3)进行步骤2操作直至单层多材料砂型打印结束，重复以上步骤直至砂型整体打印结束。

进一步的，多材料砂型三维模型按照铸件铸造性能进行划分，使用上料装置上的型砂为粗硅砂，采用下料箱一或者下料箱二落的型砂铬铁矿砂、细硅砂以及锆英砂等；

进一步的，加热管温度在200℃～300℃，辐射频率10～100HZ,同时加热温度随返程移动速度进行反馈调节，同时加热管温度需保证能够喷射树脂和固化剂的型砂可以快速发生胶粘反应实现型砂颗粒间固化；加热固化型砂颗粒，使其达到迅速凝固，未凝固的型砂可以被吸砂装置吸走。

进一步的，固化剂喷射机构到达打印平台上方时进行幅宽移动，幅宽移动长度为打印喷头宽度且要求固化剂喷射机构中的喷头长度与树脂喷射机构中的喷头长度相等，打印区域长度为幅宽移动长度整数倍；

进一步的，吸砂装置到达切片中吸砂区域所在幅宽内开始进行阶段移动至下料箱一或下料箱二完成落砂区域所在幅宽，阶段移动长度为吸砂装置中下圆锥口的直径且幅宽移动长度为阶段移动长度整数倍，其中吸砂装置中下圆锥口的直径与下料箱一与下料箱二的下圆锥口直径相等。同时阶段移动的控制优先于幅宽移动，阶段移动必须走完整个幅宽移动长度。这样设计的原因是吸砂装置、落砂装置以及喷墨系统固定在一套运动系统中，喷墨系统每次只能走固定幅宽打印，因此幅宽移动的距离为吸砂装置、落砂装置阶段移动的整数倍。因为阶段移动距离短，因此阶段移动的控制优先于幅宽移动。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1、通过吸砂装置以及落料装置根据切片信息进行吸砂和落砂，可以实现多材料型砂定点高精铺放，进而实现每层多材料型砂铺放，提高铺砂柔性以及准确性；

2、使用辊子滚压以及加热管进行加热，可以提高每层型砂的致密度以及实现型砂颗粒间快速粘结固化，在进行吸砂过程中不会导致已打印区域型砂被吸走，提高铺砂的精准度；

3、采用树脂喷射机构以及固化剂喷书机构根据切片信息对打印区域进行喷射树脂和固化剂，可以未打印区域型砂回收，节约用砂量以及固化剂用量；

4、通过高柔性定点铺砂、单层型砂快速固化、滚压压实可以实现多材料砂型整体快速高精高效成形，向多材料砂型高柔性成形提供参考，填补多材料打印在砂型打印领域的不足，加快砂型打印向多材料方向发展。

附图说明

图1为多材料多工序协同增材制造精确成形装置总图；

图2为多材料多工序协同增材制造精确成形装置俯视图；

图3为多材料多工序协同增材制造精确成形装置B-B处截图；

图4为多材料多工序协同增材制造精确成形装置振动落砂机构截图；

图5为多材料多工序协同增材制造精确成形装置吸砂机构截图；

图6为多材料多工序协同增材制造精确成形方法示意图；

图7为多材料多工序协同增材制造精确成形方法单层打印流程图；

图8为多材料多工序协同增材制造精确成形方法中移动长度示意图；

图9为多材料多工序协同增材制造精确成形方法中移动距离示意图；

附图说明：1：模组一；2：打印平台；3：装置支撑架；4：模组二；5：滑块台；6：模组三；7：固化剂喷射机构；8：树脂喷射机构；9：拖链；10：负压管；11：吸砂装置；12：下料箱一；13：下料箱二；14：辊子；15：加热管罩；16：料箱支撑架；17：换能器；18：辊子支撑架；19：加热管；20：上筛网；21：上料装置；22：减振器；23：下筛网。

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1-5所示，本实施例的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，该装置由吸砂与下砂一体化机构、喷墨打印机构、上料压实机构、加热粘结固化机构、打印平台及主体框架组成。吸砂下砂一体化机构由吸砂装置11、负压管10、下料箱一12、下料箱二13、筛网20、换能器17、料箱支撑架16、减振器22、模组二4、拖链9组成，负压管10一端连接吸砂装置11，另一端外接负压装置，下料箱一12与下料箱二13固定在料箱支撑架16上，减振器22固定在料箱支撑架16和模组二4中间，拖链9固定在模组二4上，下料箱一12、下料箱二13外接换能器17，里面安装有筛网20，换能器17外接超声波发生器，模组二4固定安装在滑块台5上；喷墨打印机构由模组三6、固化剂喷射机构7、树脂喷射机构8组成，固化剂喷射机构7和树脂喷射机构8固定安装在模组三6上，模组三6固定安装在滑块台5上；上料压实装置由上料装置21、辊子14、辊子支撑架16组成，上料装置21固定在装置支撑架3的底板上，辊子14固定安装在辊子支撑架16上，辊子支撑架16固定安装在滑块台5上；加热粘结固化机构由加热管19和加热管罩15组成，加热管19固定在加热管罩15中，加热管罩15固定安装在滑块台5上；主体框架由装置支撑架3、模组一1、滑块台5组成，滑块台5固定安装在模组一1上，模组一1固定安装在装置支撑架3上；

其中，下料箱一12、下料箱二13由上下两部分组成，上半部分为圆筒，主要用于存砂，同时筛网20位于上、下两半部分中间；下半部分为两个圆锥状，上圆锥一用于将振动后下落的型砂流向下圆锥一，上、下圆锥中间有下筛网23，此处下筛网23主要用于破坏上圆锥中型砂在上圆锥口处结拱，同时振动时型砂下落较散且量少不堵住下圆锥，下圆锥一与上圆锥一接触处有加工槽来防止下筛网23太小不振动，下圆锥口较小有利于精准定点铺砂，整个下料箱主要为通过超声波或机械结构振动实现型砂下落以及控制落砂量；吸砂装置11由三部分组成：圆筒套、上圆锥二、活塞运动下圆锥，圆筒套提供密闭环境和上圆锥集活塞运动下圆锥支撑，上圆锥二用于将吸取砂更好汇集到负压管口和排出型砂，活塞运动下圆锥分为下圆锥二和活塞缸套，下圆锥二在活塞缸套上进行上下运动，其主要用于精准定点吸砂,下圆锥二的管口不在打印区域上方时距离打印表面2.5mm；

其中，其中模组三6的两侧分别设有固化剂喷射机构7和树脂喷射机构8；模组二4的一侧设有下料箱一12和下料箱二13；且另一侧设有跟吸砂装置11，辊子14以及加热粘结固化机构位于模组一1与模组二4之间，辊子14靠近模组二4，加热粘结固化机构靠近模组一1。

其中，如图9所示，吸砂机构距离下料箱一12为35mm，喷射树脂机构8中树脂喷头距离喷射固化剂机构中固化剂喷头70mm，下料箱一12距离喷射固化剂机构中固化剂喷头105mm。

如图6-9所示，本实施例的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，其成形步骤如下：

步骤(1)将打印砂型三维模型根据铸件性能需求划分模型并分开对模型进行切片，上料装置21进行上70-140目硅砂，模组一1带动滑块台5进行5个幅宽移动，每个幅宽移动距离为70mm，辊子14滚过上料装置21时将型砂滚压铺展在打印平台2上，模组二4带动固化剂喷射机构7与树脂喷射机构8进行运动，固化剂喷射机构7与树脂机构8根据划分模型中70-170目硅砂的铸件切片进行喷射树脂与固化剂，待一层打印结束，在其返程中加热管进行260、℃50HZ辐射加热；

步骤(2)模组一1带动滑块台5进行阶段移动，吸砂装置11根据划分模型中70-140目铬铁矿砂切片进行吸砂，如图9所示，吸砂装置11到达切片区域所在第5个幅宽时进行阶段移动，每个阶段移动距离为2mm。当吸砂装置11到达切片中吸砂区域时，下圆锥在活塞缸套中下降2mm，在第7个幅宽中吸砂结束后下圆锥上升2mm,同时下料箱一12内根据该切片信息进行型砂经超声波振动落砂填补吸砂区域，直至下料箱一12走完第7个幅宽结束阶段移动，同时模组二(4)带动给固化剂喷射机构7与树脂喷射机构8根据该切片信息进行喷射树脂与固化剂，待一层打印结束，在其返程中加热管进行260、℃50HZ辐射加热。

步骤(3)进行步骤2操作直至单层多材料砂型打印结束，重复以上步骤直至砂型整体打印结束。

其中，幅宽移动在固化剂喷射机构到达打印平台上方时进行幅宽移动，幅宽为喷头长度且要求固化剂喷射机构中的喷头长度与树脂喷射机构中的喷头长度相等，打印区域长度为560mm；

其中，阶段移动在吸砂装置到达切片中吸砂区域开始至下料箱中落砂结束，同时阶段移动的控制优先于幅宽移动，其中吸砂装置中吸嘴半径与下料箱一、下料箱二的落砂口半径相等。

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 (10)

1.一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，包括主体框架、打印平台、喷墨打印机构和上料压实机构，喷墨打印机构由模组三(6)、固化剂喷射机构(7)、树脂喷射机构(8)组成，固化剂喷射机构(7)和树脂喷射机构(8)固定安装在模组三(6)上，模组三(6)固定安装在滑块台(5)上；上料压实装置由上料装置(21)、辊子(14)、辊子支撑架(16)组成，上料装置(21)固定在装置支撑架(3)的底板上，辊子(14)固定安装在辊子支撑架(16)上，辊子支撑架(16)固定安装在滑块台(5)上；其特征在于：其特征在于：还包括吸砂与下砂一体化机构、和加热粘结固化机构 ；吸砂下砂一体化机构由吸砂装置（11）、负压管（10）、下料箱一（12）、下料箱二（13）、筛网（20）、换能器（17）、料箱支撑架（16）、减振器（22）、模组二（4）和拖链（9）组成，负压管（10）一端连接吸砂装置(11)，另一端外接负压装置，下料箱一(12)与下料箱二(13)固定在料箱支撑架(16)上，减振器(22)固定在料箱支撑架(16)和模组二(4)中间，拖链(9)固定在模组二(4)上，下料箱一(12)和下料箱二(13)均外接换能器(17)，模组二(4)固定安装在滑块台(5)上；加热粘结固化机构 由加热管(19)和加热管罩(15)组成，加热管(19)固定在加热管罩(15)中，加热管罩(15)固定安装在滑块台(5)上；主体框架由装置支撑架(3)、模组一(1)、滑块台(5)组成，滑块台(5)固定安装在模组一(1)上，模组一(1)固定安装在装置支撑架(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，其特征在于：所述换能器(17)外接超声波发生器。

3.根据权利要求1所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，其特征在于：其中下料箱一（12）、下料箱二（13）由上下两部分组成，上半部分为圆筒，主要用于存砂，同时上筛网（20）位于上、下两半部分中间；下半部分为两个圆锥状，上圆锥一用于将振动后下落的型砂流向下圆锥一，上圆锥一、下圆锥一中间有下筛网（23），此处筛网主要用于破坏上圆锥一中型砂在上圆锥口处结拱，同时振动时型砂下落较散且量少不堵住下圆锥一，下圆锥一与上圆锥一接触处有加工槽来防止下筛网（23）太小不振动，下圆锥一口较小有利于精准定点铺砂。

4.根据权利要求1所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，其特征在于：吸砂装置(11)由三部分组成：圆筒套、上圆锥二、活塞运动下圆锥，圆筒套提供密闭环境和上圆锥集活塞运动下圆锥支撑，上圆锥二用于将吸取砂更好汇集到负压管口和排出型砂，活塞运动下圆锥二分为下圆锥二和活塞缸套，下圆锥二在活塞缸套上进行上下运动，其主要用于精准定点吸砂,下圆锥二管口不在打印区域上方时距离打印表面2.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，其特征在于：其中模组三（6）的两侧分别设有固化剂喷射机构（7）和树脂喷射机构（8）；模组二（4）的一侧设有下料箱一（12）和下料箱二（13）；且另一侧设有跟吸砂装置（11），辊子（14）以及加热粘结固化机构 位于模组一（1）与模组二(4)之间，辊子(14)靠近模组二(4)，加热粘结固化机构靠近模组一(1)。

6.根据权利要求1所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形装置，其特征在于：喷射树脂机构中树脂喷头距离喷射固化剂机构中固化剂喷头需要整数倍幅宽长度。

7.一种多材料多工序协同增材制造精确成形方法，其特征在于：其成形步骤如下：

步骤（1）将打印砂型三维模型根据铸件性能需求划分多组模型并对模型进行分组切片，同时上料装置进行上砂，模组一带动滑块台进行多个幅宽移动，辊子滚过上料装置时将型砂滚压铺展在打印平台上，模组二带动固化剂喷射机构与树脂喷射机构进行运动，固化剂喷射机构与树脂喷射机构根据划分模型中一组进行树脂与固化剂喷射，待一层打印结束，在其返程中进行红外加热；

步骤（2）模组一带动滑块台进行幅宽移动，吸砂装置根据划分模型中第二组切片区域进行精准吸砂，吸砂装置到达切片区域时下圆锥在活塞缸套中下降一定距离，吸砂结束后下圆锥上升一定距离，完成吸砂程序，同时下料箱一内根据该切片信息，通过超声波或机械振动落砂在吸砂区域填补第二种型砂颗粒，接着模组二带动固化剂喷射机构与树脂喷射机构根据该切片信息进行喷射树脂与固化剂，待一层打印结束，在其返程中进行红外加热；

步骤（3）进行步骤（2）操作直至单层多材料砂型打印结束，重复以上步骤直至砂型整体打印结束。

8.根据权利要求7所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形方法，其特征在于：所述步骤（1）中多材料砂型三维模型按照铸件铸造性能进行划分，使用上料装置上的型砂为粗硅砂，采用下料箱一或者下料箱二落的型砂铬铁矿砂、细硅砂以及锆英砂。

9.根据权利要求7所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形方法，其特征在于，加热管温度在200℃~300℃，辐射频率10~100HZ,同时加热温度随返程移动速度进行反馈调节，同时加热管温度需保证能够喷射树脂和固化剂的型砂可以快速发生胶粘反应实现型砂颗粒间固化。

10.根据权利要求7所述的一种多材料多工序协同增材制造精确成形方法，其特征在于，固化剂喷射机构到达打印平台上方时进行幅宽移动，幅宽移动长度为打印喷头宽度且要求固化剂喷射机构中的喷头长度与树脂喷射机构中的喷头长度相等，打印区域长度为幅宽移动长度整数倍；吸砂装置到达切片中吸砂区域所在幅宽内开始进行阶段移动至下料箱一或下料箱二完成落砂区域所在幅宽，阶段移动长度为吸砂装置中下圆锥口的直径且幅宽移动长度为阶段移动长度整数倍，其中吸砂装置中下圆锥口的直径与下料箱一与下料箱二的下圆锥口直径相等；同时阶段移动的控制优先于幅宽移动，阶段移动必须走完整个幅宽移动长度。