[發明專利]一種自適應砂型3D打印成形方法及裝置

有效

• 申請號: 201610049540.8
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN105665632B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 單忠德;劉豐;郭智;張密蘭;張敏
• 申請（專利權）人: 機械科學研究總院先進制造技術研究中心
• 主分類號: B22C9/02
• 分類號: B22C9/02;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于快速成形設備領域，具體涉及一種自適應砂型3D打印成形方法及裝置。

背景技術

3D打印技術又稱為三維打印技術，是指采用打印頭、噴嘴或其它打印技術沉積材料來制造物體的技術，屬于一種增材制造技術，是快速成形領域目前研究的重要方向。它是指將所需成形工件的復雜三維模型通過切片轉化為簡單的二維截面的組合。利用材料粉末逐層打印，逐層堆積，自下而上形成具有任意復雜結構的三維模型。

砂型3D打印是一種主要基于微滴噴射成形的快速成形技術。目前，砂型3D打印設備大都是基于粉床的快速成型設備，成形過程中涉及到了型砂的存放、供給、鋪設、回收，樹脂粘結劑的按需噴射等工序，當噴射的樹脂粘結劑遇到預混了固化劑的型砂后使沙礫粘結固化成所需砂型。鋪粉裝置作為快速成形設備的重要組成部分，其穩定性和可靠性將直接影響成形件的質量。現有的3D打印設備的鋪粉裝置都只能鋪設單一材料的粉末，對于砂型3D打印來說，由于所鋪設的型砂都是預混了固化劑的，因而鋪設單一粉末的鋪粉裝置往往存在一些不足之處：

(1)固化劑一般采用的是高分子有機物或者強腐蝕性化合物，易揮發出刺激性氣味，現有的鋪粉裝置將會導致固化劑使用量大，原材料使用率低，對環境危害也大。

(2)砂型打印完成后，需將打印好的砂型從成形室內取出。由于預混了固化劑的型砂流動性變差，因而不利于清除未粘結的型砂，對清砂工作造成困難。

此外，目前的砂型3D打印設備成形室都處于常壓下，鋪好的型砂沒有一定的緊實效果，而型砂的緊實程度對成形砂型的強度有很重要的影響。

發明內容

針對目前砂型3D打印設備無法實現多種型砂鋪設打印成形的問題，本發明提出了一種自適應砂型3D打印成形方法以及成形裝置。

自適應砂型3D打印成形方法是，成形室處于密封負壓或常壓環境里，打印開始前將沒有預混固化劑的原砂和預混了固化劑的原砂分別存放在兩個結構相同的鋪粉裝置中，鋪粉裝置是由許多開口閥門組成的，鋪粉時，計算機根據砂型當前層的二維截面信息在需要成形的地方鋪設預混了固化劑的原砂，不需要成形的地方鋪設沒有預混固化劑的原砂，陣列打印噴頭同樣在計算機的控制下根據砂型當前層的二維截面信息按需噴射粘結劑，層層鋪設，層層打印，完成砂型的制作。

為實現上述目的，本發明的自適應砂型3D打印成形方法按以下步驟進行：

步驟1：將原砂經過真空上料，一部分原砂進入含有混砂裝置的料斗中，與固化劑進行攪拌，另一部分原砂進入不含有混砂裝置的料斗中；

步驟2：分別將兩個料斗中的型砂送入鋪粉裝置的兩個相同的鋪粉機構中，將可升降的工作平臺下移一段距離后控制鋪粉裝置鋪設一層不含固化劑的原砂作為底砂，底砂鋪設完后，鋪粉裝置移動回初始位置；

步驟3：將成形室調定到合適的負壓或常壓環境下；

步驟4:可升降的工作平臺下移一個層厚，鋪粉裝置將在計算機的控制下，根據當前層的砂型截面形狀按需鋪設兩種不同的型砂；

步驟5：型砂鋪設完后，鋪粉裝置移動回初始位置，計算機控制打印噴頭根據砂型當前層截面信息按需噴射粘結劑，完成當前層砂型的打印；

步驟6：重復步驟4、步驟5，當鋪粉裝置中的儲砂量不多時，鋪粉裝置回到初始位置進行裝砂；

步驟7：重復步驟6，層層打印，直至最終逐層堆疊完成砂型打印；

步驟8：清理掉未粘結的型砂，取出砂型。

自適應砂型3D打印成形方法，鑄型所用砂粉為石英石、陶粒砂、鉻鐵礦砂或橄欖石砂等鑄造用耐火型砂，常用粒度為70/140目。

自適應砂型3D打印成形方法，噴射所用的粘結劑為酚醛樹脂粘結劑。

采用上述的技術方案，有以下優點：

1、樹脂粘結劑用量少，綠色環保。

2、根據砂型層片信息按需鋪設型砂，由于原砂流動性好，使得砂型打印完畢后，易于清理剩余原砂。

3、砂型成形處于負壓環境中，提高了所鋪設型砂的緊實度，有利于提高最終砂型的強度。

附圖說明

圖1自適應砂型3D打印成形裝置示意圖；

圖2自適應按需鋪粉裝置示意圖。

圖3負壓成形室示意圖。

圖中:1、儲砂罐；2、真空上料裝置；3、料斗；4、固化劑存儲罐；5、鋪粉裝置；6、可升降的工作平臺；7、陣列噴頭；8、成形室；9、螺旋送粉機構；10、砂礫儲存箱；11、平沙板；12、按需鋪粉口。

具體實施方式

本發明提出的一種自適應砂型3D打印成形方法，首先將制造砂型用的耐火材料原砂通過真空上料裝置送入料斗中，一個料斗是含有混砂裝置的，混砂裝置連通固化劑料箱在混砂的同時加入一定量的固化劑，攪拌均勻后送入鋪粉裝置中；另一個料斗不含混砂裝置將原砂直接送入鋪粉裝置中。打印開始后，可升降的工作平臺下移一定距離，鋪粉裝置移動均勻鋪設一層不含固化劑的原砂作為底砂，底砂鋪設完成后，鋪粉裝置移回初始位置，為下一次鋪砂做好準備；啟動成形室真空泵，調整成形室壓力處于一定的負壓狀態，將鋪設的型砂吸附到可升降的工作平臺上；可升降的工作平臺根據所打印砂型的需求，在計算機的控制下，下移一個層厚，鋪粉裝置同樣在計算機的控制下移動，均勻鋪砂，鋪粉裝置是由兩個結構相同的鋪粉機構組成的，一個里面裝入預混了固化劑的原砂，另一個里面裝入沒有預混固化劑的原砂，在計算機的控制下，鋪粉裝置根據砂型當前層的輪廓信息按需鋪砂；鋪砂完畢后，鋪粉裝置移動回初始位置，計算機控制打印系統移動，根據砂型當前層的輪廓信息按需噴射樹脂粘結劑，完成當前層砂型打印，打印系統同樣在完成當前層打印后，移動回初始位置；鋪粉裝置檢查儲砂量，如果儲砂量不滿足設定閾值，料斗將會往鋪粉裝置中裝填砂礫，直至滿足設定閾值；可升降的工作平臺繼續下移一個層厚，重復鋪砂和打印的過程，層層鋪砂，層層打印，最終成形所需砂型。砂型打印完成后，打開成形室，清除掉未粘結的原砂，取出砂型。本發明提出的一種自適應砂型3D打印成形鑄造砂型的裝置，如圖1所示。該裝置包括:儲砂罐1，在打印砂型前存放足夠的型砂，儲砂罐1與真空上料裝置2連接，真空上料裝置2將型砂吸入料斗3中，其中含有混砂裝置的料斗3還與固化劑儲存罐4連接，固化劑儲存罐4將液態樹脂固化劑送入混砂箱與型砂一起進行攪拌，此過程中使得型砂與固化劑混合均勻。然后同時將預混了固化劑的型砂和沒有預混固化劑的型砂送入鋪粉裝置5的鋪粉機構中。當計算機控制可升降的工作平臺6下降一個層厚時，鋪粉裝置5將從左至右水平移動均勻鋪砂，鋪砂過程中，兩個鋪粉機構將根據砂型當前層的輪廓信息，在計算機的控制下按需打開各自的陣列鋪粉閥門，鋪砂完成后再從右至左水平移動回初始位置。然后，計算機控制陣列噴頭7沿著X軸導軌和Y軸導軌進行二維平面移動，按砂型截面數據噴射樹脂粘結劑，樹脂粘結劑遇到預混了固化劑的型砂，與固化劑發生交聯反應固化型砂。重復鋪砂和噴射樹脂粘結劑固化出鑄型的各個截面，最終在成形室8中形成完整鑄型。采用自適應砂型3D打印成形方法制成的鑄型不使用模具，根據鑄型的CAD模型，可以快速制造出所需鑄型。按需鋪粉裝置，如圖2所示。主要由螺旋送粉機構9，砂礫儲存箱10，平沙板11，按需鋪粉閥12組成。按需鋪粉閥12在計算機的控制下，根據打印砂型截面信息，打開、關閉各個鋪粉口實現砂型自適應鋪砂。負壓成形室，如圖3所示。主要由成形室8和可升降的工作平臺6組成。可升降的工作平臺6上布滿了直徑小于砂礫的小孔，真空泵使得成形室處于一定的負壓狀態，當可升降的工作平臺6上面鋪設好型砂后，負壓將型砂吸附在可升降的工作平臺6上，在打印過程中增加了型砂的緊實度。所述的小孔也可以位于成形室的側壁上。