一种多材质砂型3D打印成形方法技术

本发明专利技术属于快速成形设备领域，公开一种多材质砂型3D打印成形方法。该方法是将两种或多种不同材质的3D打印原砂先后经过真空上料机分别进入混砂装置中与固化剂进行均匀搅拌，之后将这两种或多种型砂分别送入两套或多套具有相同结构的阵列铺砂装置中。打印开始后，计算机控制阵列铺砂装置根据打印砂型当前层截面信息，按需铺设两种或多种不同材质的型砂；之后，计算机控制打印喷头，根据打印砂型当前层截面信息，按需喷射树脂粘结剂。当预混了固化剂的原砂遇到树脂粘结剂后发生交联反应，固化型砂。层层铺砂，层层喷射粘结剂，最终完成砂型打印。采用本方法制造铸型具有梯度强度、精度及换热能力的优点，具有推广使用的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种多材质砂型3D打印成形方法
本专利技术属于快速成形设备领域，具体涉及一种多材质砂型3D打印成形方法。
技术介绍
3D打印技术又称为三维打印技术，是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，属于一种增材制造技术，是快速成形领域目前研究的重要方向。它是指将所需成形工件的复杂三维模型通过切片转化为简单的二维截面的组合。利用材料粉末逐层打印，逐层堆积，自下而上形成具有任意复杂结构的三维模型。砂型3D打印是一种主要基于微滴喷射成形的快速成形技术。目前，砂型3D打印设备大都是基于粉床的快速成型设备，成形过程中涉及到了型砂的存放、供给、铺设、回收，树脂粘结剂的按需喷射等工序，当喷射的树脂粘结剂遇到预混了固化剂的型砂后使砂粒粘结固化成所需砂型。铺砂装置作为快速成形设备的重要组成部分，其稳定性和可靠性将直接影响成形件的质量。对于铸造过程来说，铸件在浇铸过程中其温度场变化严重影响着铸件的质量。现有的3D打印设备的铺砂装置都只能铺设单一材料的粉末，整个砂型的导热系数相同，在进行复杂铸件的浇铸过程中需要通过其它辅助手段实现对浇铸过程中温度场的控制。因而铺设单一粉末的铺砂装置往往存在一些不足之处：（1）单一材质的砂型其导热系数相同，无法实现温度场的自适应控制；（2）单一材质的砂型其型砂粒径相同，无法实现砂型强度和精度的控制。
技术实现思路
针对目前砂型3D打印设备无法实现多种材质型砂铺设打印成形的问题，本专利技术提出了一种多材质砂型3D打印成形方法。多材质砂型3D打印成形方法是，打印开始前将不同材质的原砂先后经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行均匀搅拌，然后将混合了固化剂的型砂分别存放在两个或多个结构相同的铺砂装置中。铺砂装置是由许多开口阀门组成的，铺砂时，计算机根据铸型的铸造要求，在不同换热区铺设不同换热系数的型砂，之后计算机控制阵列打印喷头根据砂型当前层的二维截面信息按需喷射粘结剂，层层铺设，层层打印，完成砂型的制作。为实现上述目的，本专利技术的多材质砂型3D打印成形方法按以下步骤进行：步骤1：将工作台下移一段距离后控制铺砂装置铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺砂装置移动回初始位置；步骤2：将石英砂原砂A经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行搅拌，然后将混合了固化剂的石英砂A送入阵列式铺砂装置的铺砂机构a中，该铺砂机构具有多个可以独立开闭铺砂口，之后将锆英砂原砂B经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行搅拌，然后将混合了固化剂的锆英砂B送入阵列式铺砂装置的铺砂机构b中，铺砂机构b与铺砂机构a具有相同的结构，重复该过程直到阵列式铺砂装置的所有铺砂机构装满不同材质的型砂；步骤3:工作台下移一个层厚，阵列式铺砂装置在计算机的控制下，根据当前层的砂型截面形状在不同的位置处开闭对应铺砂机构的铺砂口，按需铺设多种不同材质的型砂；步骤4：型砂铺设完后，阵列式铺砂装置移动回初始位置，计算机控制打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射粘结剂，完成当前层砂型的打印；步骤5：重复步骤3、步骤4，当铺砂装置中的储砂量不多时，铺砂装置回到初始位置并重复步骤2进行装砂；步骤6：重复步骤6，层层打印，直至最终逐层堆叠完成砂型打印；步骤7：清理掉未粘结的型砂，取出砂型。多材质砂型3D打印成形方法，铸型所用砂粉为石英石、锆英砂、陶粒砂、铬铁矿砂或橄榄石砂等铸造用耐火型砂，常用粒度为70/140目。多材质砂型3D打印成形方法，喷射所用的粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂等有机粘结剂或无机粘接剂。采用上述的技术方案，具有以下优点：1、实现导热系数梯度变化砂型的制作，对铸件温度场进行的自适应控制；2、实现变粒径砂型的制作，对砂型强度和精度进行自适应控制。附图说明图1多材质砂型3D打印成形装置图示意图；图2阵列式铺砂装置的铺设机构示意图；图3铺底砂的示意图；图4铺第一层型砂的过程示意图；图5阵列喷头喷射粘接剂的过程示意图；图6多材质砂型3D打印成形的长方形测试试样图。图中:1(a)、储砂罐a；1(b)、储砂罐b；2、真空上料装置；3、混砂装置；4、固化剂存储罐；5(a)、阵列式铺砂装置的铺设机构a；5(b)、阵列式铺砂装置的铺设机构b；6、可移动升降平台；7、阵列喷头；8、成形室；9、铺砂口开闭挡板；10、铺砂料斗；11、刮砂板；12、按需铺砂口；13、不含固化剂的底砂；14、两种材质的砂层；15、工作台；16、长方形测试样件第一层截面；17、长方形测试样件。另图中：A、代表石英砂；B、代表锆英砂；f、铺砂装置铺砂方向以及阵列喷头扫描打印方向。具体实施方式本专利技术提出的一种多材质砂型3D打印成形方法，首先将不同材质的耐火材料原砂先后通过真空上料装置送入混砂装置中，混砂装置连通固化剂料箱在混砂的同时加入一定量的固化剂，搅拌均匀后将不同材质的型砂分别送入阵列式铺砂装置的不同铺砂机构中。打印开始后，工作台下移一定距离，阵列式铺砂装置移动均匀铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完成后，铺砂装置移回初始位置，为下一次铺砂做好准备；工作台根据所打印砂型的需求，在计算机的控制下，下移一个层厚，阵列式铺砂装置同样在计算机的控制下移动，均匀铺砂，阵列式铺砂装置是由两个或多个结构相同的铺砂机构组成的，不同的铺砂机构中装有不同材质的型砂，在计算机的控制下，阵列式铺砂装置根据砂型当前层的轮廓信息互补性的开闭铺砂口进行多材质型砂的铺设；铺砂完毕后，阵列式铺砂装置移动回初始位置，计算机控制打印系统移动，阵列喷头根据砂型当前层的轮廓信息按需喷射树脂粘结剂，完成当前层砂型打印，打印系统同样在完成当前层打印后，移动回初始位置；阵列式铺砂装置检查储砂量，如果储砂量不满足设定阈值，料斗将会往铺砂装置中装填砂砾，直至满足设定阈值；工作台继续下移一个层厚，重复铺砂和打印的过程，层层铺砂，层层打印，最终成形所需砂型。砂型打印完成后，打开成形室，清除掉未粘结的原砂，取出砂型。本专利技术以成形两种材质的长方形测试样件为例，步骤如下：步骤1：准备粒度为70/140目的石英砂和锆英砂，将该石英砂和锆英砂分别装入储砂罐1（a）和1（b）中，作为3D打印铸型所用的原材料；步骤2：打印铸型之前，首先清理3D打印成形装置的成形室8内的浮砂，使工作区域干净、无浮砂；然后，计算机控制传动机构带动可移动工作台6，使与沿g向下移5mm，见图3；阵列式铺砂装置5在计算机的控制下，在工作台上均匀铺设一层底砂，如图3所示，所述底砂用于将成形铸件与工作台分离；然后，阵列铺砂装置移动回初始位置；步骤3：真空上料装置2将储砂罐1（a）中的石英砂砂粉吸入混砂装置3中与固化剂进行搅拌，固化剂存放在固化剂存储罐4中；然后将混好的型砂A送入阵列式铺砂装置的铺砂机构5（a）中；之后，真空上料装置2将储砂罐1（b）中的锆英砂砂粉吸入混砂装置3中与固化剂进行搅拌；然后将混好的型砂B送入阵列式铺砂装置的铺砂机构5（b）中，见图1；步骤4：打印铸型时，计算机控制工作台板6沿g向下移0.5mm；然后计算机驱动阵列式铺粉装置5（a），5（b）沿工作台铺设第1层混合了固化剂的型砂，砂粉厚度为0.5mm，见图4，其中铺砂机构5（a）打开对应成形室左侧的铺砂口，而铺砂机构5（b）打开对应成形室右侧的铺砂口，铺砂完成后铺砂装置移动回初始位置；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多材质砂型3D打印成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤1：将工作台下移一段距离后控制铺砂装置铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺砂装置移动回初始位置；步骤2：将原砂a1经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行搅拌，然后将混合了固化剂的型砂a1送入阵列式铺砂装置的铺砂机构a2中，该铺砂机构具有多个可以独立开闭铺砂口；步骤3：将原砂b1经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行搅拌，然后将混合了固化剂的型砂b1送入阵列式铺砂装置的铺砂机构b2中，铺砂机构b2与铺砂机构a2具有相同的结构，重复该过程直到阵列式铺砂装置的所有铺砂机构装满不同材质的型砂；步骤4:工作台下移一个层厚，阵列式铺砂装置在计算机的控制下，根据当前层的砂型截面形状在不同的位置处开闭对应铺砂机构的铺砂口，按需铺设多种不同材质的型砂；步骤5：型砂铺设完后，阵列式铺砂装置移动回初始位置，计算机控制打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射粘结剂，完成当前层砂型的打印；步骤6：重复步骤4、步骤5，当铺砂装置中的储砂量不多时，铺砂装置回到初始位置并重复步骤2，3进行装砂；步骤7：重复步骤5，层层打印，直至最终逐层堆叠完成砂型打印；步骤8：清理掉未粘结的型砂，取出砂型。...

【技术特征摘要】
1.一种多材质砂型3D打印成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤1：将工作台下移一段距离后控制铺砂装置铺设一层不含固化剂的原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺砂装置移动回初始位置；步骤2：将原砂a1经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行搅拌，然后将混合了固化剂的型砂a1送入阵列式铺砂装置的铺砂机构a2中，该铺砂机构具有多个可以独立开闭铺砂口；步骤3：将原砂b1经过真空上料机送入混砂装置中与固化剂进行搅拌，然后将混合了固化剂的型砂b1送入阵列式铺砂装置的铺砂机构b2中，铺砂机构b2与铺砂机构a2具有相同的结构，重复该过程直到阵列式铺砂装置的所有铺砂机构装满不同材质的型砂；步骤4:工作台下移一个层厚，阵列式铺砂装置在计算机的控制下，根据当前层的砂型截面形状在不同的位置处开闭对应铺砂机构的铺砂口，按需铺设多种不同材质的型砂；步骤5：型砂铺设完后，阵列式铺砂装置移动回初始位置，计算机控制打印喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射粘结剂，完成当前层砂型的打印；步骤6：重复步骤4、步骤5，当铺砂装置中的储砂量不多时，铺砂装置回到初始位置并重复步骤2，3进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，郭智，刘丰，
申请(专利权)人：机械科学研究总院先进制造技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11