【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及砂型增材制造领域，尤其涉及一种绿色化冷冻砂型增材成形系统装备与方法。
技术介绍
1、冷冻砂型增材制造技术是采用水基粘接剂在低温下冻结的特点，实现型砂粘接成形。冷冻砂型在和高温熔体接触后，缓慢自然溃散，浇注过程中不产生有毒、刺激性气味，型砂回收率高。该方法不使用树脂，粘接剂主要成分是水，制造和浇注过程绿色无污染，符合现代绿色制造理念。
2、现有的冷冻砂型增材制造技术，一部分依赖于利用低温环境使喷射的粘接剂冻结，此方法营造的环境温度偏低，粘接剂冻结速度慢，极大增加了成形时间；另一部分依赖于采用低温介质对型砂预冷，大幅度降低型砂温度，此方法对型砂的温度精准控制难，容易出现温度过低，粘接剂未能及时渗透便已冻结的现象，或打印量较大时后半部分型砂温度又偏高的情况，导致打印效果差；并且以上方法在打印完成清理落砂过程中，仍需保持低温环境，否则可能因清理时间较长导致砂型不可逆转的破坏。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术公开了一种绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备与方法，本专利技术对型砂及墨水只做简单预冷处理，采用多层间快速制冷方式，高效快速制冷，并且打印完成后直接将整个砂床取出送至冷库处理，极大地提高了成形效率、减少了能源浪费，并且设计的混砂、铺砂装置可成形多材料砂型。
2、一种绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，包括隔热密闭的打印机壳体；可拆卸的多功能打印平台；具有调温功能的供墨系统；具有隔热功能的打印组件；铺砂量可调节的铺砂器；可调节的层间制冷器
3、进一步地，所述打印机壳体留有唯一操作开口，由两扇平开门实现开闭，当门关闭时，整个系统处于密闭隔热状态，只能通过制冷机组实现内部温度、湿度调节及气流交换，成形过程中，门关闭锁死，只可通过门上的玻璃窗观察内部打印进程。
4、进一步地，所述多功能打印平台由打印平台外壳、打印平台内壳两层壳体组成，打印平台外壳开有气孔与内部连通，打印平台内壳开有气窗，气窗孔径足够小，既不使型砂漏出又允许气体流动；打印平台外壳固定连接在打印机壳体底板上，前侧壳板通过卡槽与整体连接，可拆卸；打印板坎合连接在升降固定板上，四周安装密封胶圈，与打印平台内壳紧密接触；打印平台内壳在顶部通过螺栓与打印平台壳体连接，可与打印板整体拆卸下来。
5、进一步地，所述回收槽与回收槽升降架坎合连接，可实现升降，回收槽比多功能打印平台稍宽，确保型砂的回收率。
6、进一步地，所述负压离心机通过软管与内部多功能打印平台上打印平台外壳气孔连接，提供负压抽吸动力。
7、进一步地，所述铺砂器的铺砂槽通过伺服电机控制调节挡板开闭，范围为0mm～10mm，实现不同的下砂速度，其内安装有激光测距传感器和螺旋挤压杆，将铺砂槽内部型砂输送均匀及促进落砂，并且实时监测砂量；铺砂器中部安装有铺砂辊，由电机驱动与铺砂方向相反的旋转，实现砂层刮平、压实；铺砂器后部为导轨支架供打印组件平移运动。
8、进一步地，所述层间制冷器安装在升降架上，通过电机控制实现升降；层间制冷器通过软管与制冷源储存罐连接，由电磁阀控制制冷源进入层间制冷器，调压阀控制制冷源的流速；制冷源通过层间制冷器的喷射板形成液态喷雾，直接对砂层进行高效快速制冷；层间制冷器的喷射板均匀开有圆形(或栅格、方形、椭圆形、不规则形状等)小孔，以满足不同打印工况需求。
9、进一步地，所述供墨系统内部安装有半导体制冷器和加热电阻丝，实现粘接剂温度调节；供墨系统通过隔热软管与打印组件连接，为打印喷头提供循环粘接剂。
10、进一步地，所述打印组件外壳具有良好的隔热性能，防止外界环境温度的急剧变化影响喷头内墨水的温度状态；打印组件内部可安装多个喷头，形成喷头阵列，实现快速打印。
11、进一步地，所述混砂装置固定安装在打印机壳体内部，通过软管与外部砂源连接，通过真空上砂供给砂源；混砂装置内部分为多个区域，分别用来放置不同类型及目数的型砂，每个区域底部都开有落砂口，根据需要的型砂类型，相应落砂口打开；混砂装置通过螺杆搅动型砂及风扇送风，保证型砂温度均匀及顺利落砂；混砂装置底部安装重量传感器，可实时监测砂量，提醒加砂。
12、本专利技术一种绿色化冷冻砂型增材制造成形方法，步骤如下：
13、步骤1：根据铸件三维数字模型，设计砂型三维数字模型，并进行分层切片处理(切片厚度：0.3mm～1mm)，将切片数据上传至控制软件；
14、步骤2：打开打印平台外壳侧板，将打印板和打印平台内壳安装好，装回打印平台外壳侧板，将回收槽安装在回收槽升降架上，并调节至合适高度；
15、步骤3：关闭打印机壳体的门，开启制冷机组，先进行除湿至湿度小于等于0.1％rh，进行制冷，使得环境温度达到-10℃～-3℃；
16、步骤4：将打印板、铺砂器、层间制冷器、打印组件归置零位；
17、步骤5：在打印板上预铺一层砂，填补打印板与多功能打印平台之间存在的空隙；
18、步骤6：打印板下降一个切片厚度，铺砂器铺砂；
19、步骤7：打印组件在所需部位喷射粘接剂；
20、步骤8：按照程序设定，当打印1～10层后，层间制冷器下降至距多功能打印平台一定距离，释放制冷源，同时负压离心机对多功能打印平台抽负压，使得制冷源快速充分对打印层制冷；
21、步骤9：重复步骤6～步骤8，直至完成砂型成形；
22、步骤10：将打印板降至最低，停机操作，快速打开仓门，将回收槽支架降低到适当位置，拆卸回收槽和打印平台外壳侧板，用叉车将打印板和打印平台内壳整体取出送至冷库清理保存；
23、步骤11：关停制冷机组，清理打印机内部。
24、进一步地，所述采用的粘接剂为水基粘接剂，水含量达90％以上，冻结温度在0℃左右。
25、进一步地，所述步骤6，当铺砂器需铺放另一种型砂时，铺砂器首先移动到回收槽上方，铺砂口开至最大，将内部型砂排干净，随后回到原位，由混砂装置输送所需类型的型砂，然后再进行铺砂过程。
26、进一步地，所述步骤7，打印组件喷射的粘接剂温度由供墨系统调节到0℃～3℃范围。
27、进一步地，所述步骤8，喷射的制冷源可为液氮、干冰、氩气等制冷介质。
28、本专利技术的有益效果：
29、1、本专利技术通过对打印粘接剂和型砂初步预冷，采用层间制冷作为最后冻结的制冷方式，将制冷源直接喷射到砂层，可实现单层或多层批次制冷，快速使粘接剂冻结，大大提高了砂型成形效率、能源利用率，提高砂型层间强度及精度。
30、2、本专利技术多功能打印平台具有抽吸负压功能，提高了层间制冷效率，制冷介质对砂层的渗入更加均匀一致，粘接剂冻结更加均匀，减少了砂型因粘接剂冻结不均匀产生的变形、开裂。并且砂型打印完成后，打印平台内壳和打印板可直接拆卸下来，减少了因清理落砂导致额外的能源浪费及可能的砂型损坏。
31、3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，包括打印机壳体（1）和制冷机组（2）；其特征在于：还包括多功能打印平台（3）、回收槽（4）、负压离心机（5）、支撑框架（6）、铺砂器（7）、层间制冷器（8）、升降架（9）、供墨系统（10）、打印组件（11）、混砂装置（12）和制冷源储存罐（13）；所述回收槽（4）紧贴多功能打印平台（3）；所述支撑框架（6）上安装有平行导轨，供铺砂器（7）运动铺砂；其中所述多功能打印平台（3）和支撑框架（6）均位于所述打印壳体（1）内；所述升降架（9）固定连接在打印机壳体（1）的顶部且下方连接层间制冷器（8）；所述制冷机组（2）、负压离心机（5）、供墨系统（10）、制冷源储存罐（13）均安装在打印机壳体（1）的外部。
2.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述打印机壳体（1）留有唯一操作开口，由两扇平开门实现开闭，当门关闭时，整个系统处于密闭隔热状态，只能通过制冷机组（2）实现内部温度、湿度调节及气流交换，成形过程中，门关闭锁死，只可通过门上的玻璃窗观察内部打印进程；所述多功能打印平台（3）由打印平台外壳（
3.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备与方法，其特征在于：所述回收槽（4）的底部与回收槽升降架（401）连接，实现升降，回收槽（4）的宽度大于多功能打印平台（3）的宽度，确保型砂的回收率。
4.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述负压离心机（5）通过软管与内部多功能打印平台（3）的打印平台外壳（301）气孔连接，提供负压抽吸动力。
5.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述铺砂器（7）的铺砂槽（705）通过伺服电机控制调节挡板（701）开闭，范围为0mm～10mm，实现不同下砂速度，其内安装有激光测距传感器（702）和螺旋挤压杆（703），使铺砂槽（705）内部型砂均匀分布及促进落砂，并实时监测砂量；铺砂器（7）中部安装铺砂辊（704），由电机驱动与铺砂方向相反方向旋转，实现砂层刮平、压实；铺砂器（7）后部为导轨支架（706）供打印组件（11）平移运动。
6.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述层间制冷器（8）安装在升降架（9）上，通过电机控制实现升降；层间制冷器（8）通过软管与制冷源储存罐（13）连接，封闭状态处于超低温与高压工况，由电磁阀控制制冷源进入层间制冷器，调压阀控制制冷源的流速；当电磁阀打开时，制冷介质通过层间制冷器的喷射板形成液态喷雾，将制冷介质均匀的喷至砂层，实现粘接剂快速冻结。
7.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述供墨系统（10）内部安装有半导体制冷器和加热电阻丝，实现粘接剂温度调节；供墨系统（10）通过隔热软管与打印组件（11）连接，为打印喷头提供循环粘接剂。
8.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述打印组件（11）的外壳具有隔热性能，打印组件（11）内部可安装多个喷头，形成喷头阵列，实现快速打印；所述混砂装置（12）固定安装在打印机壳体（1）内部，通过软管与外部砂源连接，通过真空上砂供给砂源；混砂装置（12）内部分为多个区域，分别用来放置不同类型及目数的型砂，每个区域底部都开有落砂口，根据需要的型砂类型，相应落砂口打开；混砂装置（12）通过螺杆搅动型砂及风扇送风，保证型砂温度均匀及顺利落砂；混砂装置（12）底部安装重量传感器，可实时监测砂量，提醒加砂。
9.一种绿色化冷冻砂型增材制造成形方法，其特征在于，该成形包括如下步骤：
10.根据权利要求书9所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备与方法，其特征在于：所述采用的粘接剂为水基粘接剂，水含量达90%以上，冻结温度在-5℃-0℃右；所述步骤6，当铺砂器（7）需铺放另一种砂时，铺砂器（7）首先移动到回收槽（4）上方，铺砂口开至最大，将内部型砂排干净，随后回到原位，由混砂装置（12）输送所需类型的型砂，然后再进行铺砂过程；所述步骤7，打印组件（11...
【技术特征摘要】
1.一种绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，包括打印机壳体（1）和制冷机组（2）；其特征在于：还包括多功能打印平台（3）、回收槽（4）、负压离心机（5）、支撑框架（6）、铺砂器（7）、层间制冷器（8）、升降架（9）、供墨系统（10）、打印组件（11）、混砂装置（12）和制冷源储存罐（13）；所述回收槽（4）紧贴多功能打印平台（3）；所述支撑框架（6）上安装有平行导轨，供铺砂器（7）运动铺砂；其中所述多功能打印平台（3）和支撑框架（6）均位于所述打印壳体（1）内；所述升降架（9）固定连接在打印机壳体（1）的顶部且下方连接层间制冷器（8）；所述制冷机组（2）、负压离心机（5）、供墨系统（10）、制冷源储存罐（13）均安装在打印机壳体（1）的外部。
2.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述打印机壳体（1）留有唯一操作开口，由两扇平开门实现开闭，当门关闭时，整个系统处于密闭隔热状态，只能通过制冷机组（2）实现内部温度、湿度调节及气流交换，成形过程中，门关闭锁死，只可通过门上的玻璃窗观察内部打印进程；所述多功能打印平台（3）由打印平台外壳（301）、打印平台内壳（303）两层壳体组成，打印平台外壳（301）开有气孔与内部连通，打印平台内壳（303）开有气窗，气窗孔径足够小，既不使型砂漏出又允许气体流动；打印平台外壳（301）的前侧壳板通过卡槽与整体连接，可拆卸；打印板（302）的底部嵌合连接在升降固定板（304）上，四周安装密封胶圈，与打印平台内壳（303）紧密接触；打印平台内壳（303）在顶部通过螺栓与打印平台外壳（301）连接，可与打印板（302）整体拆卸分离。
3.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备与方法，其特征在于：所述回收槽（4）的底部与回收槽升降架（401）连接，实现升降，回收槽（4）的宽度大于多功能打印平台（3）的宽度，确保型砂的回收率。
4.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述负压离心机（5）通过软管与内部多功能打印平台（3）的打印平台外壳（301）气孔连接，提供负压抽吸动力。
5.根据权利要求书1所述的绿色化冷冻砂型增材制造成形系统装备，其特征在于：所述铺砂器（7）的铺砂槽（705）通过伺服电机控制调节挡板（701）开闭，范围为0mm...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，时皓铭，闫丹丹，罗磊，梁校，
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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