CN114289685B - 一种多材质复合砂型成形方法及装置 - Google Patents

一种多材质复合砂型成形方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造领域，公开一种多材质复合砂型成形方法及装置。该装置包括型砂预处理***、真空上砂***、多材质铺砂***、打印***、红外加热***、升降平台装置。该方法通过3D打印（3DP）技术进行增材制造，结合3D打印（3DP）技术柔性化制造能力强、成形质量高、效率快的优势实现多材质复合砂型制备，具有较大创新、应用、推广使用价值。

Description

一种多材质复合砂型成形方法及装置
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种多材质复合砂型成形方法及装置。
背景技术
基于砂型3D打印的增材制造技术,具有柔性化制造能力强、尺寸精度高、节能减材的特点。但是，成形材料受限且单一。单一造型材料不能兼备优良的强度、透气性、发气量等铸造性能，同时铸型局部的导热系数、界面换热系数、热膨胀性等参数较低，导致复杂铸件组织性能、力学性能差、尺寸精度低，难以满足高端复杂铸件的高性能铸造需求。亟待创新、开发新设备、探索新工艺，开发新型复合材料，完成多材质、多功能复合砂型的制备。
3D打印（3DP）技术是通过将树脂砂粘结成整体来制作零部件， 3D打印（3DP）技术成形时首先建立铸型的三维模型，计算机对打印砂型的三维几何模型进行分层切片处理；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；将预混了固化剂的砂粒存放在铺砂槽中进行铺砂，打印喷头按照截面信息喷射树脂粘结剂，树脂粘结剂与固化剂发生胶联反应，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。基于3D打印（3DP）技术成形的砂型有以下不足之处：（1）材料受限且单一；（2）铺砂***只能铺放单一材质型砂颗粒。
发明内容
为解决上述问题，结合3D打印（3DP）技术柔性化制造能力强、成形砂型强度高等优势提出了一种多材质复合砂型成形方法及装置。
为实现上述目的，本发明提出的一种多材质复合砂型成形方法，是按以下步骤进行：
步骤1：根据三维模型，选取型砂配方；
步骤2：计算机对三维几何模型进行分层切片处理，得到每层二维切片信息；
步骤3：对所需3D打印,3DP技术的切片信息进行处理，根据切片特性对切片数据实施变换，得到最终切片信息；设置分层厚度，无特殊结构的砂型，先铺设打印一定层厚n，0≤n≤10，提高成形效率；有特殊结构的砂型，进行单层增材单层减材制作，提高砂型精度；
步骤4：砂型制备时，首先进行增材制造;将配比后的原砂颗粒通过真空上砂***抽进混砂机中，使固化剂通过蠕动泵将进入混砂机中；其中原砂颗粒存放在原砂颗粒存储箱中，固化剂存储在固化剂存储箱中；
步骤5：将混砂机中原砂颗粒与固化剂的进行均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；
步骤6：将预混了固化剂的型砂颗粒通过落砂口均匀装入多材质复合型砂铺砂***铺砂槽内，装砂工序完成；
步骤7：多材质复合铺砂***从左侧向右侧移动，将铺砂槽内预混了固化剂的型砂颗粒通过振动落砂装置在升降平台装置上进行铺砂工序；
步骤8：多材质复合铺砂***右侧向左侧移动，通过铺粉辊将预混了固化剂的型砂颗粒在升降平台装置上铺平；
步骤9：打印***从右侧向左侧移动，阵列喷头进行当前层树脂喷射；
步骤10：打印平台装置下降一个层厚；
步骤11：重复步骤3至步骤10，层层制造，直至完成复合砂型的制备；
步骤14：清理废砂，取出砂型。
本发明进一步优选：每一层型砂铺设、打印结束后，都会进行扫描加热，加快当前层砂型的固化速度。
本发明进一步优选：多材质复合型砂铺砂***采用振动落砂装置与铺粉辊组合的方式。
本发明进一步优选：所用型砂可以是石英砂、陶粒砂、铬铁矿砂、锆英砂、镁砂、橄榄石砂中的一种或几种。
本发明进一步优选：所用型砂为铸造耐火型砂，常用粒度为70/140目。
本发明进一步优选：所用粘结剂为呋喃树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂、无机粘结剂的其中一种。
本发明进一步优选：砂型制备过程中，加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性。
一种多材质复合砂型成形装置，该装置包括原砂颗粒储存箱、固化剂储存箱；真空上砂***、多材质复合砂型铺砂***、打印***、红外加热***、升降平台装置；其中原砂颗粒储存箱和固化剂储存箱的出料管均与真空上砂***连接；真空上砂***的底部设有落砂口；其中多材质复合砂型铺砂***位于落砂口的下方；所述多材质复合砂型铺砂***位于所述升降平台装置的一侧旁且底部侧边设有铺粉辊；升降平台装置的上方设有打印***；打印***安装在红外加热***的左侧；其中红外加热***中红外加热管的温度为275℃-374℃。
本发明公开了首先根据型砂模型选择所需复合型砂材料；计算机对三维几何模型进行分层切片处理，得到每层二维切片信息；然后通过真空上砂***将按一定配比后的原砂颗粒抽进混砂机中，通过蠕动泵使固化剂进入混砂机中，将混砂机中原砂颗粒与固化剂的进行均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；再将预混了固化剂的型砂颗粒通过落砂口均匀装入多材质复合型砂铺砂***的铺砂槽内；进一步多材质复合型砂铺砂***从左侧向右侧移动，将铺砂槽内预混了固化剂的型砂颗粒通过振动落砂装置进行落砂工序；多材质复合型砂铺砂***从右侧向左侧移动，通过铺粉辊将预混了固化剂的型砂颗粒铺平；计算机控制打印***从右侧向左侧移动，阵列喷头进行当前层树脂喷射，红外加热***进行当前层加热固化，行程结束后回到起始位置，红外加热***进行当前层二次加热固化；此时完成一层多材质复合砂型制备；升降平台下降一个层厚；重复步骤，层层增材复合，直至完成复合砂型的制备；最后，清理废砂，取出复合砂型。
采用上述的技术方案，本发明的有益效果：
（1）填补砂型3D打印材料受限、单一的空缺；
（2）多材质复合铸型通过砂型3D打印技术成形，实现多功能、梯度砂型制备，实现铸型高效、高精度制备，完成对铸件微观组织及力学性能综合调控。
附图说明
图1 一种多材质复合砂型成形装置示意图；
其中1-原砂颗粒存储箱；2-固化剂存储箱；3-真空上砂***；4-落砂口；5-多材质复合型砂铺砂***；6-铺粉辊；7-升降平台装置；8-打印***；9红外加热***。
图2 一种多材质复合砂型成形方法流程图。
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。
图1所示，该装置包括原砂颗粒储存箱1、固化剂储存箱2；真空上砂***3、多材质复合砂型铺砂***5打印***8、红外加热***9、升降平台装置7；其中原砂颗粒储存箱1和固化剂储存箱2的出料管均与真空上砂***3连接；真空上砂***3的底部设有落砂口4；其中多材质复合砂型铺砂***5位于落砂口4的下方；所述多材质复合砂型铺砂***5位于所述升降平台装置7的一侧旁且底部侧边设有铺粉辊6；升降平台装置7的上方设有打印***8；打印***8安装在红外加热***9的左侧。
如图1和2所示，本实施例的一种多材质复合砂型成形方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：根据三维模型，选取型砂配方；
步骤2：计算机对三维几何模型进行分层切片处理，得到每层二维切片信息；
步骤3：对所需3D打印,3DP技术的切片信息进行处理，根据切片特性对切片数据实施变换，得到最终切片信息；设置分层厚度，无特殊结构的砂型，先铺设打印一定层厚n，0≤n≤10，提高成形效率；有特殊结构的砂型，进行单层增材单层减材制作，提高砂型精度;
步骤4：砂型制备时，首先进行增材制造;将配比后的原砂颗粒通过真空上砂***3抽进混砂机中，使固化剂通过蠕动泵将进入混砂机中；其中原砂颗粒存放在原砂颗粒存储箱1中，固化剂存储在固化剂存储箱2中；
步骤5：将混砂机中原砂颗粒与固化剂的进行均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；
步骤6：将预混了固化剂的型砂颗粒通过落砂口4均匀装入多材质复合型砂铺砂***5的铺砂槽内，装砂工序完成；
步骤7：多材质复合铺砂***5从左侧向右侧移动，将铺砂槽内预混了固化剂的型砂颗粒通过振动落砂装置在升降平台装置7上进行铺砂工序；
步骤8：多材质复合铺砂***5右侧向左侧移动，通过铺粉辊6将预混了固化剂的型砂颗粒在升降平台装置7上铺平；
步骤9：打印***8从右侧向左侧移动，阵列喷头进行当前层树脂喷射；红外加热***9进行加热，红外加热***9中红外加热管的温度为275℃-374℃；外加热***进行当前层加热固化，行程结束后回到起始位置，红外加热***进行当前层二次加热固化。
步骤10：打印平台装置7下降一个层厚；其中每一层型砂铺设、打印结束后，都会进行扫描加热，加快当前层砂型的固化速度。
步骤11：重复步骤3至步骤10，层层制造，直至完成复合砂型的制备；
步骤14：清理废砂，取出砂型。
所用型砂可以是石英砂、陶粒砂、铬铁矿砂、锆英砂、镁砂、橄榄石砂中的一种或几种；所用型砂为铸造耐火型砂。
所用粘结剂为呋喃树脂粘结剂、酚醛树脂粘结剂、无机粘结剂的其中一种。
其中砂型制备过程中，加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性。
本实施例计算机对三维几何模型进行分层切片处理，得到每层二维切片信息；然后通过真空上砂***3将按一定配比后的原砂颗粒抽进混砂机中，通过蠕动泵使固化剂储存箱2进入混砂机中，将混砂机中原砂颗粒与固化剂的进行均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；再将预混了固化剂的型砂颗粒通过落砂口4均匀装入多材质复合型砂铺砂***5的铺砂槽内；进一步多材质复合型砂铺砂***从左侧向右侧移动，将铺砂槽内预混了固化剂的型砂颗粒通过振动落砂装置进行落砂工序；多材质复合型砂铺砂***5从右侧向左侧移动，通过铺粉辊将预混了固化剂的型砂颗粒铺平；计算机控制打印***8从右侧向左侧移动，阵列喷头进行当前层树脂喷射，红外加热***进行当前层加热固化，行程结束后回到起始位置，红外加热***9进行当前层二次加热固化；此时完成一层多材质复合砂型制备；升降平台下降一个层厚；重复步骤，层层增材复合，直至完成复合砂型的制备；最后，清理废砂，取出复合砂型。
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 (4)

1.一种多材质复合砂型成形方法，其特征在于，利用一种多材质复合砂型成形装置，该装置包括原砂颗粒储存箱（1）、固化剂储存箱（2）；真空上砂***（3）、多材质复合砂型铺砂***（5）、打印***（8）、红外加热***（9）、升降平台装置（7）；其中原砂颗粒储存箱（1）和固化剂储存箱（2）的出料管均与真空上砂***（3）连接；真空上砂***（3）的底部设有落砂口（4）；其中多材质复合砂型铺砂***（5）位于落砂口（4）的下方；所述多材质复合砂型铺砂***（5）位于所述升降平台装置（7）的一侧旁且底部侧边设有铺粉辊（6）；升降平台装置（7）的上方设有打印***（8）；打印***（8）安装在红外加热***（9）的左侧；红外加热***（9）中红外加热管的温度为275℃-374℃；
该方法包括如下步骤：
步骤1：根据三维模型，选取型砂配方；
步骤2：计算机对三维几何模型进行分层切片处理，得到每层二维切片信息；
步骤3：对所需3D打印技术的切片信息进行处理，根据切片特性对切片数据实施变换，得到最终切片信息；设置分层厚度，无特殊结构的砂型，先铺设打印一定层厚n，0≤n≤10，提高成形效率；有特殊结构的砂型，进行单层增材单层减材制作，提高砂型精度；
步骤4：砂型制备时，首先进行增材制造;将配比后的原砂颗粒通过真空上砂***（3）抽进混砂机中，使固化剂通过蠕动泵进入混砂机中；其中原砂颗粒存放在原砂颗粒存储箱（1）中，固化剂存储在固化剂存储箱（2）中；
步骤5：将混砂机中原砂颗粒与固化剂的进行均匀搅拌，得到预混了固化剂的型砂颗粒；
步骤6：将预混了固化剂的型砂颗粒通过落砂口（4）均匀装入多材质复合型砂铺砂***（5）铺砂槽内，装砂工序完成；
步骤7：多材质复合铺砂***（5）从左侧向右侧移动，将铺砂槽内预混了固化剂的型砂颗粒通过振动落砂装置在升降平台装置（7）上进行铺砂工序；
步骤8：多材质复合铺砂***（5）右侧向左侧移动，通过铺粉辊（6）将预混了固化剂的型砂颗粒在升降平台装置（7）上铺平；
步骤9：打印***（8）从右侧向左侧移动，阵列喷头进行当前层树脂喷射；红外加热***进行当前层加热固化，行程结束后回到起始位置，红外加热***进行当前层二次加热固化；
步骤10：打印平台装置（7）下降一个层厚；
步骤11：重复步骤3至步骤10，层层制造，直至完成复合砂型的制备；
每一层型砂铺设、打印结束后，都会进行扫描加热，加快当前层砂型的固化速度；砂型制备过程中，加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性；
步骤12：清理废砂，取出砂型。
2.根据权利要求1所述的一种多材质复合砂型成形方法，其特征在于，多材质复合型砂铺砂***（5）采用振动落砂装置与铺粉辊（6）组合的方式。
3.根据权利要求1所述的一种多材质复合砂型成形方法，其特征在于，所用型砂可以是石英砂、陶粒砂、铬铁矿砂、锆英砂、镁砂、橄榄石砂中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种多材质复合砂型成形方法，其特征在于，所用型砂为铸造耐火型砂。
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