CN117900377A - 多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多材料体素共面成形增材制造方法与装置，包括打印机壳体、打印机支架、铺砂器、储砂罐、铺砂臂、铺砂笔、铺砂笔库、多材质回收槽等部件。本发明通过对设计铸型进行多区域划分，切片后赋予不同材料标识。铺粉时，首先由铺砂器在打印平台上铺满一层作为主要材料的型砂；然后由铺砂臂带动铺砂笔在第二材料区域吸除多余材料型砂，铺放所需材料型砂；第二材料区域吸排结束后，将铺砂笔及其管路中的多余材料排放干净，铺砂臂带动铺砂笔进行第三材料区域的吸排；以此类推，完成打印区域材料的铺放。本发明装置及方法可实现多材料砂型（芯）快速、一体化成形，完成多功能、多梯度、高性能砂型（芯）制造。

Description

多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置

技术领域

本发明涉及砂型增材制造领域，尤其涉及一种多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置。

背景技术

砂型增材制造技术是通过喷射粘结剂在成形位置，通过物理变化、化学反应等实现粉材粘结，层层堆积形成成形件。但目前砂型增材制造大部分都是单种材质成形，多材料铺粉也都是实现不同层间的材料变化，或者同一层简单的区域划分铺放不同材料。不能够实现任意形状和位置、微小区域精细铺放多种材料，不能实现多功能、多梯度、复合材料的复杂砂型成形。目前存在的多材料铺砂装置及方法存在如下问题：

(1)不能够实现单层多材料铺设，只能在铺设新层时更换材料；

(2)单层多材料铺设时，只能够实现简单形状区域大面积第二种材料铺设，不能够成形具有复杂形状、精细结构的多材料铺设；

(3)装置复杂，操作起来不够灵活。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置，能够实现灵活、准确多材料铺设，实现多功能、多梯度、复合材料的复杂砂型制造。

一种多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置，包括防护内部结构的打印机壳体；可自由升降的打印平台；喷射粘结剂的打印喷头；铺放主要材料的铺砂器；铺设其余材料的铺砂臂和铺砂笔；回收多余材料的回收槽和多材质回收槽，提供材料的储砂罐和多材质储砂罐。

进一步地，所述铺砂臂可带动铺砂笔实现x、y和z三个方向的移动及相应的转动，其运动范围涵盖整个打印平台、回收槽、多材质回收槽和铺砂笔库。铺砂臂内部分有两个管路，一个用来上砂，另一个用来吸排废砂，上砂管路在靠近铺砂笔的部分安装有超声波振动器，辅助铺砂笔铺砂。

进一步地，所述储砂罐用来存放主要材料的型砂，底部有管路连接到铺砂器的铺砂槽上；铺砂器主要由铺砂槽、铺砂辊和铺砂器外架组成，集铺砂、压实、刮平功能于一体。

进一步地，所述铺砂笔内部分为两个管道，与笔尖位置开有的铺砂口和回砂口相对应；铺砂口通过真空上砂器和超声波振动器提供型砂和辅助铺砂；回砂口通过真空上砂器，将多余的型砂吸附去除；铺砂笔及铺砂口和回砂口的形状、大小有多种型号，以适应不同的工况；铺砂笔与铺砂臂靠机械电动卡合固定，铺砂笔上的定位螺纹用来定位铺砂笔内部管路与铺砂臂中的管路对应正确。

进一步地，所述铺砂笔库由笔库防护门保护刀具，隔绝外部环境，只有在更换铺砂笔时，笔库防护门才打开；铺砂笔库内部有铺砂笔槽，铺砂笔槽内有电动卡槽，用来安放不同型号的铺砂笔。

进一步地，所述多材质储砂罐主要分为上下两个部分，上部分为多材质储砂槽，用来储存不同材料的型砂，槽内安装有重力传感器用来监测槽内砂量的多少及每次的下砂量，每个槽都安装有电磁开关；下部分为混砂区，当需要多种材料混合时，将不同比例的材料放到混砂区内，气孔通入高压气流，将不同材料均匀混合；多材质储砂罐通过真空上砂器将砂输送到铺砂臂的上砂管路内。

一种多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据铸件三维数字模型，设计砂型三维数字模型，进行多区域划分，并进行分层切片处理及赋予不同材料标识(切片厚度：0.3mm～1mm可调)，将切片数据传输至控制***；

步骤2：将所有运动部件归置零位，储砂罐给铺砂器上砂；

步骤3：铺砂器首先在打印平台上铺放主要材料型砂，并将多余的型砂刮到回收槽内；

步骤4：铺砂臂带动铺砂笔在第二材料区域运动，铺砂笔回砂口吸除铺放的第一种材料型砂排放到多材质回砂槽内，随后铺砂口在多材质储砂罐供给第二种材料型砂及超声波振动器辅助下，开始铺放第二种材料型砂。

步骤5：第二种材料型砂铺放完毕后，铺砂臂将铺砂笔移动到多材质回收槽上，将管道内多余的第二种材料排放干净，铺砂辊再次将打印平台上的砂层刮平；

步骤6：重复步骤4～5，在对应区域铺放剩余的其它材料；

步骤7：当本层砂层铺放完成后，打印喷头在所需成形位置喷射粘结剂，粘结剂喷射完成后，打印平台下降一个层厚高度；

步骤8：重复步骤3～7，直至砂型打印完成；

步骤9：将打印平台升到顶部，清理散砂，取出砂型；

步骤10：关停机器。

进一步地，所述材料不仅包括型砂，还包括陶瓷粉末、金属粉末、塑料、尼龙等。

进一步地，所述步骤4铺砂笔铺放的其余材料最小壁厚应≥0.5mm。铺砂笔根据不同材料及铺砂层厚，吸砂和排砂的真空度、移动速度、伸入砂层的厚度不同。

进一步地，所述步骤4铺砂臂需要更换铺砂笔时，铺砂臂将当前装卡的铺砂笔放到对应铺砂笔槽中，由电动卡槽卡紧铺砂笔，铺砂臂上的电动卡槽松开铺砂笔，旋转一周，将铺砂笔褪下，随后移动到需要安装的铺砂笔位置，按上述步骤相反顺序操作，即可装上新的铺砂笔。

本发明的有益效果：

本发明可实现多种材料灵活、准确的铺设，不单指大范围、多区域的不同材料铺设，还特别能够实现小范围、复杂曲面、变尺寸的几何形状铺设。可成形具有多种材料的多功能、多梯度、复合材料的复杂砂型。并且具有多种铺砂笔，可实现不同工况下的要求，提高铺设效率及准确度。多材质储砂罐不仅可以储存多种材料，并且还可以实现不同材料、不同比例的均匀混合，进一步增大了材料的范围。基于本发明机械臂和铺砂笔的组合吸砂及铺砂装置、多材质储砂罐及上砂装置、提供多种型号铺砂笔的笔库、砂型成形方法等，可以实现砂型上任意位置，多种材料的成形打印，实现多材料结构交互，几何形状复杂和多梯度及功能的砂型成形。

附图说明

图1为本发明装备整体视图；

图2为本发明装备内部结构正视图；

图3为本发明装备内部结构左视图；

图4为本发明铺砂器上视图；

图5为本发明铺砂笔库示意图；

图6为本发明多材质储砂罐示意图；

图7为本发明多材质储砂罐剖视图；

图8为本发明一种铺砂笔示意图；

图9为本发明实施流程图。

附图标记列表：

1-打印机壳体、2-打印机支架、3-储砂罐、4-铺砂器、401-铺砂槽、402-铺砂辊、403-铺砂器外架、5-铺砂臂、6-铺砂笔、601-铺砂口、602-回砂口、603-定位螺纹、7-铺砂笔库、701-笔库防护门、702-铺砂笔槽、8-多材质回收槽、9-打印平台、10-回收槽、11-多材质储砂罐、1101-气孔、1102-多材质储砂槽、1103-混砂区、1104-重力传感器、1105-电磁开关、12-真空上砂器、13-打印喷头、14-滑动导轨。

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、图2和图3所示为本实施例的一种多材料逐点体素共面成形增材制造装置整体外观及内部结构示意图。主要包括打印机壳体1、打印机支架2、储砂罐3、铺砂器4、铺砂臂5、铺砂笔6、铺砂笔库7、多材质回收槽8、打印平台9、回收槽10、多材质储砂罐11、真空上砂器12、打印喷头13、滑动导轨14。

铺砂臂5可带动铺砂笔6实现x、y和z三个方向的移动及相应的转动，其运动范围涵盖整个打印平台9、回收槽10、多材质回收槽8和铺砂笔库7。铺砂臂5内部分有两个管路，一个用来上砂，另一个用来吸排废砂，上砂管路在靠近铺砂笔6的部分安装有超声波振动器501，辅助铺砂笔6铺砂。

储砂罐3用来存放主要材料，底部有管路连接到铺砂器4的铺砂槽401上；铺砂器主要由铺砂槽401、铺砂辊402和铺砂器外架403组成，集铺砂、压实、刮平功能于一体。

铺砂笔6内部分为两个管道，与笔尖位置开有的铺砂口601和回砂口602相对应；铺砂笔6及铺砂口601和回砂口602的形状、大小有多种型号，以适应不同的工况；铺砂笔6与铺砂臂5靠机械电动卡合固定，铺砂笔6上的定位螺纹603用来定位铺砂笔6内部管路与铺砂臂5中的管路对应正确。

铺砂笔6铺放的其余材料最小壁厚应≥0.5mm。铺砂笔6根据不同材料及铺砂层厚，吸砂和排砂的真空度、移动速度、伸入砂层的厚度不同

铺砂笔库7由笔库防护门701保护刀具，隔绝外部环境，只有在更换铺砂笔6时，笔库防护门701才打开；铺砂笔库7内部有铺砂笔槽702，铺砂笔槽702内有电动卡槽，用来安放不同型号的铺砂笔6。

铺砂臂5需要更换铺砂笔6时，铺砂臂5将当前装卡的铺砂笔6放到对应铺砂笔槽702中，由电动卡槽卡紧铺砂笔6，铺砂臂5上的电动卡槽松开铺砂笔6，旋转一周，将铺砂笔6褪下，随后移动到需要安装的铺砂笔6位置，按上述步骤相反顺序操作，即可装上新的铺砂笔6。

多材质储砂罐11主要分为上下两个部分，上部分为多材质储砂槽1102，用来储存不同材料，槽内安装有重力传感器1104用来监测槽内砂量的多少及每次的下砂量，每个槽都安装有电磁开关1105；下部分为混砂区1103，当需要多种材料混合时，将不同比例的材料放到混砂区1103内，气孔1101通入高压气流，将不同材料均匀混合；多材质储砂罐11通过真空上砂器12将砂输送到铺砂臂5的上砂管路内。

本发明方法与装置不仅可以成形各种型砂材料，还可以成形陶瓷粉末、金属粉末、塑料、尼龙等材料。

本发明多材料逐点体素共面成形增材制造方法，实施步骤如下：

步骤1：根据铸件三维数字模型，设计砂型三维数字模型，进行多区域划分，并进行分层切片处理及赋予不同材料标识(切片厚度：0.3mm～1mm可调)，将切片数据传输至控制***；

步骤2：将所有运动部件归置零位，储砂罐3给铺砂器4上砂；

步骤3：铺砂器4首先在打印平台9上铺放主要材料型砂，并将多余的型砂刮到回收槽10内；

步骤4：铺砂臂5带动铺砂笔6在第二材料区域运动，铺砂笔回砂口602吸除铺放的第一种材料型砂排放到多材质回砂槽5内，随后铺砂口601在多材质储砂罐11供给第二种材料型砂及超声波振动器辅助下，开始铺放第二种材料型砂。

步骤5：第二种材料型砂铺放完毕后，铺砂臂5将铺砂笔6移动到多材质回收槽8上，将管道内多余的第二种材料排放干净，铺砂辊402再次将打印平台9上的砂层刮平；

步骤6：重复步骤4～5，在对应区域铺放剩余的其它材料；

步骤7：当本层砂层铺放完成后，打印喷头13在所需成型位置喷射粘结剂，粘结剂喷射完成后，打印平台下降一个层厚高度；

步骤8：重复步骤3～7，直至砂型打印完成；

步骤9：将打印平台升到顶部，清理散砂，取出砂型；

步骤10：关停机器。

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)

1.一种多材料逐点体素共面成形增材制造装置，包括打印机壳体（1）、打印机支架（2）、储砂罐（3）和铺砂器（4）；其特征在于：还包括铺砂臂（5）、铺砂笔（6）、铺砂笔库（7）、多材质回收槽（8）、打印平台（9）、回收槽（10）、多材质储砂罐（11）、真空上砂器（12）、打印喷头（13）和滑动导轨（14）；所述回收槽（10）安装在打印平台（9）的侧壁面；所述打印机支架（2）上安装有滑动导轨（14），供铺砂器（4）运动铺砂；打印喷头（13）安装在铺砂器（4）上，可在铺砂器（4）上运动；所述铺砂笔库（7）安装在打印机壳体（1）的内部侧壁上；所述铺砂臂（5）安装在打印机壳体（1）内部侧壁上，与铺砂笔库（7）相对；打印机壳体（1）内部顶部分别安装有储砂罐（3）和多材质储砂罐（11）；多材质回收槽（8）放置在铺砂臂（5）的下方；所述铺砂臂（5）的底部连接有铺砂笔（6）。

2.根据权利要求书1所述的多材料逐点体素共面成形增材制造装置，其特征在于：所述铺砂臂（5）可带动铺砂笔（6）实现x、y和z三个方向的移动及相应的转动，其运动范围涵盖整个打印平台（9）、回收槽（10）、多材质回收槽（8）和铺砂笔库（7）；铺砂臂（5）内部分有两个管路，一个用来上砂，另一个用来吸排废砂，上砂管路在靠近铺砂笔（6）的部分安装有超声波振动器（501），辅助铺砂笔（6）铺砂。

3.根据权利要求书1所述的多材料逐点体素共面成形增材制造方法与装置，其特征在于：所述储砂罐（3）用来存放主要材料的型砂，底部有管路连接到铺砂器（4）的铺砂槽（401）上；铺砂器主要由铺砂槽（401）、铺砂辊（402）和铺砂器外架（403）组成，集铺砂、压实、刮平功能于一体。

4.根据权利要求书1所述的多材料逐点体素共面成形增材制造装置，其特征在于：所述铺砂笔（6）内部分为两个管道，与笔尖位置开有的铺砂口（601）和回砂口（602）相对应；铺砂口（601）通过真空上砂器（12）和超声波振动器（501）提供型砂和辅助铺砂；回砂口（602）通过真空上砂器（12），将多余的型砂吸附去除；铺砂笔（6）及铺砂口（601）和回砂口（602）的形状、大小有多种型号，以适应不同的工况；铺砂笔（6）与铺砂臂（5）靠机械电动卡合固定，铺砂笔（6）上的定位螺纹（603）用来定位铺砂笔（6）内部管路与铺砂臂（5）中的管路对应正确。

5.根据权利要求书1所述的多材料逐点体素共面成形增材制造装置，其特征在于：所述铺砂笔库（7）由笔库防护门（701）保护刀具，隔绝外部环境，只有在更换铺砂笔（6）时，笔库防护门（701）才打开；铺砂笔库（7）内部有铺砂笔槽（702），铺砂笔槽（702）内有电动卡槽，用来安放不同型号的铺砂笔（6）。

6.根据权利要求书1所述的多材料逐点体素共面成形增材制造装置，其特征在于：所述多材质储砂罐（11）主要分为上下两个部分，上部分为多材质储砂槽（1102），用来储存不同材料的型砂，槽内安装有重力传感器（1104）用来监测槽内砂量的多少及每次的下砂量，每个槽都安装有电磁开关（1105）；下部分为混砂区（1103），当需要多种材料混合时，将不同比例的材料放到混砂区（1103）内，气孔（1101）通入高压气流，将不同材料均匀混合；多材质储砂罐（11）通过真空上砂器（12）将砂输送到铺砂臂（5）的上砂管路内。

7.一种多材料逐点体素共面成形增材制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：根据铸件三维数字模型，设计砂型三维数字模型，进行多区域划分，并进行分层切片处理及赋予不同材料标识，切片厚度：0.3mm～1mm，将切片数据传输至控制***；

步骤2：将所有运动部件归置零位，储砂罐（3）给铺砂器（4）上砂；

步骤3：铺砂器（4）首先在打印平台（9）上铺放主要材料型砂，并将多余的型砂刮到回收槽（10）内；

步骤4：铺砂臂（5）带动铺砂笔（6）在第二材料区域运动，铺砂笔回砂口（602）吸除铺放的第一种材料型砂排放到多材质回砂槽（8）内，随后铺砂口（601）在多材质储砂罐（11）供给第二种材料型砂及超声波振动器辅助下，开始铺放第二种材料型砂；

步骤5：第二种材料型砂铺放完毕后，铺砂臂（5）将铺砂笔（6）移动到多材质回收槽（8）上，将管道内多余的第二种材料排放干净，铺砂辊（402）再次将打印平台（9）上的砂层刮平；

步骤6：重复步骤4～5，在对应区域铺放剩余的其它材料；

步骤7：当本层砂层铺放完成后，打印喷头（13）在所需成形位置喷射粘结剂，粘结剂喷射完成后，打印平台下降一个层厚高度；

步骤8：重复步骤3～7，直至砂型打印完成；

步骤9：将打印平台升到顶部，清理散砂，取出砂型；

步骤10：关停机器。

8.根据权利要求书7所述的多材料逐点体素共面成形增材制造方法；，其特征在于：所述材料不仅包括型砂，还包括陶瓷粉末、金属粉末、塑料、尼龙。

9.根据权利要求书7所述的多材料逐点体素共面成形增材制造方法，其特征在于：所述步骤4中铺砂笔（6）铺放的其余材料最小壁厚应≥0.5mm；铺砂笔（6）根据不同材料及铺砂层厚，吸砂和排砂的真空度、移动速度、伸入砂层的厚度不同。

10.根据权利要求书7所述的多材料逐点体素共面成形增材制造方法，其特征在于：所述步骤4，铺砂臂（5）需要更换铺砂笔（6）时，铺砂臂（5）将当前装卡的铺砂笔（6）放到对应铺砂笔槽（702）中，由电动卡槽卡紧铺砂笔（6），铺砂臂（5）上的电动卡槽松开铺砂笔（6），旋转一周，将铺砂笔（6）褪下，随后移动到需要安装的铺砂笔（6）位置，按上述步骤相反顺序操作，即可装上新的铺砂笔（6）。