【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及铸造砂型的3dp打印及光纤传感测温交叉领域，特别涉及光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印方法与装置。
技术介绍
1、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3dp打印是主要包括砂粒预处理、数字化铺砂、打印成形等工序。该技术首先建立砂型的三维模型，导入切片软件进行分层切片处理；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；将预处理的不同型砂颗粒存放在铺砂槽中进行铺砂，层层喷射树脂粘结剂，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。
2、树脂砂是指以人工合成树脂作为砂粒的粘结剂的铸型或砂芯。用树脂砂制成铸型或型芯后，通过固化剂的作用，树脂发生不可逆的交联反应而固化，从而给予铸型或型芯以铸造强度。树脂砂自身存在一些不足之处：(1)树脂类粘结剂使用量大，这类材料一般为高分子有机物或者强腐蚀性化合物，且大型砂型打印完成后需要进行后处理，经加热处理后树脂砂易挥发出刺激性气味，对环境危害大；(2)废砂回收利用成本高。
3、冷冻砂型是一种用水做砂型铸造用粘结剂，在低温环境下冻结型砂成形砂型。冷冻砂型中熔体过冷度高，凝固过程中熔体温度梯度大，金属铸件经细晶强化，组织致密，力学性能好。砂型在高温熔体冲击下，自然溃散，浇注过程中无强烈刺激性气体产生，可直接回收使用，起到环保的作用，符合现代绿色制造的理念。但单纯的冷冻砂型，在较高温度下的形性保持性较差，接触高温熔体部位型砂往往“一触即溃”，抗冲击性差，外表层型砂也常受冻结粘结剂的升华、融化现象
4、在铸造过程中，铸型是铸件成形的保障。传统铸型是单一砂型结构，这导致了在铸件成形的过程中难以控制铸件冷却，同时铸件在凝固后的冷却效率很低，生产周期长。采用冷冻砂型作为背砂和树脂砂作为面砂结合的复合砂型，可以防止冷冻砂型直接接触高温金属液“一击溃散”的现象，并控制铸件冷却，大幅度地提高铸件冷却效率，控制铸件的应力与变形，细化组织，提高铸件性能，能够显著降低单一树脂砂落砂难度，减少树脂用量，减少废气排放，符合智能化和绿色化的发展方向。
5、现有专利已有将冷冻砂型和树脂砂型两者结合的砂型制造方法专利，如专利号为cn114558989b、cn114453562b和cn114850400a的冷冻树脂复合铸型制造方法专利，但这些专利均未考虑树脂砂型固化效果，树脂和固化剂交联反应温度应当在23℃到300℃之间，过低的温度会导致树脂难以渗透，甚至造成砂型难以成形取出，不能达到需要的铸造强度，且冷冻树脂复合砂型并不能进行传统的后处理加热更加难以保证树脂砂型部分的铸造强度。现阶段已有大量单独进行层间制冷或层间加热的砂型强化方法，但目前并没有在冷冻树脂复合砂型制造过程中将两种层间强化手段结合的相关研究成果。特别是冷冻砂型打印的层间制冷和树脂砂型打印的层间加热并不能够直接简单的结合，冷冻砂型打印过程中需保证砂温控制在-40℃～-5℃的范围内，而树脂砂型打印过程中需保证温度控制在23℃～300℃范围内，他们各自所需的成形温度范围不同，树脂砂型和冷冻砂型结合部位温差过大会导致冷冻砂型和树脂砂型结合面强度下降，进而不能满足浇注需求，因此有必要对砂层温度尤其是结合部位温度进行实时精准监测和控制，而普通的红外测温只能测量砂型表面温度且测量精度不能达到双温打印需求，在测量过程中红外测温还会受到到红外加热的干扰，因此亟需寻找一种具有较高测量柔性且测量灵敏的温度监测手段，能够准确反馈经强化处理的砂层温度。
技术实现思路
1、本专利技术公开了光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印方法与装置，综合考虑冷冻砂型和树脂砂型层间强化手段和成形温度范围，针对铸件高精、高效、高性能的个性化快速响应需求，本专利提出光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印方法与装置，该装置和方法可解决冷冻砂型和树脂砂型复合成形困难、层间强化手段难以结合等问题，能够有效改善冷冻树脂复合砂型的综合力学性能，实现砂型整体打印形性调控，促使生产模式朝着可持续化方向发展，符合制造业绿色发展的要旨，对推动铸造行业的转型升级具有重大意义。
2、为实现上述目的，光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，包括：铺砂机构、树脂打印层间加热一体化机构、冷冻打印层间制冷一体化机构、滚珠丝杠机构、机座支架、打印平台、低温成形室和光纤传感测温机构。。
3、所述打印平台由升降机构控制在垂直方向上进行上下移动，所述低温成形室由冷腔壁和制冷机构组成，保证成形室低温环境，避免外部环境温度对冷冻打印成形过程的干扰；所述铺砂机构和树脂打印层间加热一体化机构采用伺服电机控制横梁下方滑块在滚珠丝杠机构a上实现二维运动；所述冷冻打印层间制冷一体化机构在滚珠丝杠机构b上移动，由气动升降台控制升降，突破二维运动限制从而提高打印柔性；所述光纤传感测温机构设在打印平台侧方，在线性滑轨上移动，便于在不同位置放置光纤；所述机座支架对整个装置起到支撑作用，保证整个打印装置的稳定运作。
4、进一步的，所述铺砂机构由随动砂盒、描边铺砂盒、横梁a和滑动模组组成；所述随动铺砂盒通过滑动模组a实现在横梁a一侧移动，进行大单元格范围定量铺砂；所述描边铺砂盒通过滑动模组b实现在横梁a另一侧移动，沿边界小范围精确铺砂，以明确双温材料匹配界面，提高冷冻树脂复合砂型打印精度。
5、进一步的，所述树脂打印层间加热一体化机构由树脂打印头、横梁b、滑动模组c和层间点阵加热机构组成；所述树脂打印头和层间点阵加热机构由滑动模组c与横梁b相连，分别在横梁b两侧移动，树脂粘结剂喷射完成后，由层间点阵加热机构对树脂打印面进行红外点阵热辐射，以减少冷冻砂型打印温度环境对树脂砂型成形影响，加快树脂交联反应形成更多的粘结桥，提高树脂砂型固化速度和强度。
6、进一步的，所述冷冻打印层间制冷一体化机构由水粘结剂打印头、滑动模组d、横梁c、气动升降台和全幅宽层间制冷机构组成；所述水粘结剂打印喷头通过滑块模组d与横梁c侧轨连接，伺服电机控制与打印头相连的滑块移动，实现喷头移动打印；所述气动升降台由升降台运动支架、固定轴、固定座、铰链、活动气缸、升降台运动轴、升降台轨道和底板组成，上下底板通过固定轴、固定座、铰链和升降运动支架相连接，气缸推动升降台运动轴在升降台轨道上滑动，从而控制升降运动支架带动底板升降，实现冷冻打印层间制冷一体化机构上下移动，从而突破打印喷头和全幅宽层间制冷机构二维运动限制，提高整体集成装置打印柔性，以减少层间加热对冷冻砂型成形影响，并进一步提高冷冻砂型强度，从而实现冷冻树脂复合砂型双温整体打印。
7、进一步的，所述光纤传感测温机构设置在滚珠丝杠机构a内侧，由温度显示控制器、光纤测温系统数据服务器、光纤光源存储机构、光纤输送槽、光纤输送器和线性滑轨组成；所述光纤光源存储机构由光纤输送器与打印平面建立连接，并通过线性滑轨移动至不同打印平面预设位置，以精准测量冷冻砂型成形区域、树脂砂型层间加热区域和冷/热砂型结合界面温度，并及本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，包括机座支架（6），所述机座支架（6）上设有铺砂机构（1）和打印平台（7），其特征在于，所述机座支架（6）上还设有树脂打印层间加热一体化机构（2）、冷冻打印层间制冷一体化机构（3）、滚珠丝杠机构a（4）、滚珠丝杠机构b（5）、低温成形室和光纤传感测温机构；所述打印平台（7）由升降机构（23）控制在垂直方向上进行上下移动，所述低温成形室由冷腔壁（22）和制冷机构（24）组成，所述铺砂机构（1）和树脂打印层间加热一体化机构（2）采用伺服电机控制横梁下方滑块在滚珠丝杠机构a（4）上实现二维运动；所述冷冻打印层间制冷一体化机构（3）在滚珠丝杠机构b（5）上移动，由气动升降台控制升降，突破二维运动限制从而提高打印柔性；所述光纤传感测温机构设在打印平台（7）的侧方，在线性滑轨（30）上移动，便于在不同位置放置光纤。
2.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述铺砂机构（1）由随动砂盒（8）、描边铺砂盒（12）、横梁a（10）和滑动模组a（9）和滑动模组b（11）组成；所述随动铺砂盒（8）通过滑动
3.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述树脂打印层间加热一体化机构（2）由树脂打印头（13）、横梁b（14）、滑动模组c（15）和层间点阵加热机构（16）组成；横梁b（14）的两侧分别设有所述树脂打印头（13）和层间点阵加热机构（16）；其中横梁b（14）与滑动模组c（15）滑动适配。
4.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述冷冻打印层间制冷一体化机构（3）由水粘结剂打印头（17）、滑动模组d（18）、横梁c（19）、气动升降台（20）和全幅宽层间制冷机构（21）组成；所述水粘结剂打印喷头（17）通过滑块模组d（18）与横梁c(19)侧轨连接，伺服电机控制与打印头相连的滑块移动，实现喷头移动打印；所述气动升降台（20）由升降台运动支架（31）、固定轴（32）、固定座（33）、铰链（34）、活动气缸（35）、升降台运动轴（36）、升降台轨道（37）和上底板（38）、下底板（39）组成，上、下底板（38、39）通过固定轴（32）、固定座（33）、铰链（34）和升降运动支架（31）相连接，气缸推动升降台运动轴（36）在升降台轨道（37）上滑动，从而控制升降运动支架带动底板升降，实现冷冻打印层间制冷一体化机构（3）上下移动，从而突破打印喷头（17）和全幅宽层间制冷机构（21）二维运动限制，提高整体集成装置打印柔性。
5.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述光纤传感测温机构设置在滚珠丝杠机构a（4）内侧，由温度显示控制器（25）、光纤测温系统数据服务器（26）、光纤光源存储机构（27）、光纤输送槽（28）、光纤输送器（29）和线性滑轨（30）组成;所述光纤光源存储机构（27）由光纤输送器（29）与打印平面建立连接，并通过线性滑轨（30）移动至不同打印平面预设位置，并及时由温度显示控制器（25）和光纤测温系统数据服务器（26）反馈控制调整；所述光纤输送槽（28）对称设置在打印平台（7）两侧，应根据所需打印分层厚度、打印平台大小和测量光纤直径设计。
6.光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印方法，其特征在于，在所述权利要求1提及的装置中进行处理，该方法包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印方法，其特征在于，所述步骤2和步骤6中铺砂区域划分，对每一层的切片形状进行区域划分，划分为单元格铺砂区域和随形铺砂边界区域，将每一层的切片划分成每个网格尺寸为25mm×25mm系列阵列分布的正方形网格，其中所有完整网格共同构成了单元格铺砂区域，其他不满足方格标准的区域构成了随形铺砂边界区域。
8.根据权利要求6所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印方法，其特征在于，所述步骤5中光纤传感测温方式，应先根据分层厚度选取光纤直径，光纤材料每层放置长度为40cm，每一层测温光纤均根据相应二维图片信息确定测量区域中心点位置，并在测量区域制做光栅，不同测量区域可同时进行测量，温度信息相互不影响和重叠；所述光纤在下降一个分层厚度时会在与成型室金属边界接触的切向力和当前层型砂材料重力共同作用下折断，不影响下一层光纤在打印面的放置。
9.根据权利要求6所...
【技术特征摘要】
1.光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，包括机座支架（6），所述机座支架（6）上设有铺砂机构（1）和打印平台（7），其特征在于，所述机座支架（6）上还设有树脂打印层间加热一体化机构（2）、冷冻打印层间制冷一体化机构（3）、滚珠丝杠机构a（4）、滚珠丝杠机构b（5）、低温成形室和光纤传感测温机构；所述打印平台（7）由升降机构（23）控制在垂直方向上进行上下移动，所述低温成形室由冷腔壁（22）和制冷机构（24）组成，所述铺砂机构（1）和树脂打印层间加热一体化机构（2）采用伺服电机控制横梁下方滑块在滚珠丝杠机构a（4）上实现二维运动；所述冷冻打印层间制冷一体化机构（3）在滚珠丝杠机构b（5）上移动，由气动升降台控制升降，突破二维运动限制从而提高打印柔性；所述光纤传感测温机构设在打印平台（7）的侧方，在线性滑轨（30）上移动，便于在不同位置放置光纤。
2.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述铺砂机构（1）由随动砂盒（8）、描边铺砂盒（12）、横梁a（10）和滑动模组a（9）和滑动模组b（11）组成；所述随动铺砂盒（8）通过滑动模组a（9）实现在横梁a（10）一侧移动，进行大单元格范围定量铺砂；所述描边铺砂盒（12）通过滑动模组b（11）实现在横梁a（10）另一侧移动，沿边界小范围精确铺砂，以明确双温材料匹配界面。
3.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述树脂打印层间加热一体化机构（2）由树脂打印头（13）、横梁b（14）、滑动模组c（15）和层间点阵加热机构（16）组成；横梁b（14）的两侧分别设有所述树脂打印头（13）和层间点阵加热机构（16）；其中横梁b（14）与滑动模组c（15）滑动适配。
4.如权利要求1所述的光纤传感技术协同的砂型智能监测双温打印装置，其特征在于，所述冷冻打印层间制冷一体化机构（3）由水粘结剂打印头（17）、滑动模组d（18）、横梁c（19）、气动升降台（20）和全幅宽层间制冷机构（21）组成；所述水粘结剂打印喷头（17）通过滑块模组d（18）与横梁c(19)侧轨连接，伺服电机控制与打印头相连的滑块移动，实现喷头移动打印；所述气动升降台（20）由升降台运动支架（31）、固定轴（32）、固定座（33）、铰链（34）、活动气缸（35）、升降台运动轴（36）、升降台轨道（37）和上底板（38）、下底板（39）组成，上、下底板（38、39）通过固定轴（32）、固定座（33）、铰链（34）和升降运动支架（31）相连接，气缸推动升降台运动轴（36）在升降台轨道（37）上滑动，从而控制升降运动支架带动底板升降，实现冷冻打印层间制冷一体化机构（3）上下移动，从而突破打印喷头（17）和全幅宽层间制冷机构（21）二维运动限制，提高整体集成装置打印柔性。
5.如权利要求1所述的光纤传感...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，强惠，闫丹丹，陈子宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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