一种3D打印成形装置的制作方法

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种3d打印成形装置。

背景技术：

砂型3d打印技术是一种基于分层制造原理的砂型快速制造技术。目前，砂型3d打印技术大都是基于粉床的快速成形方法，成形过程中需要先将型砂颗粒与一定量的固化剂进行混合搅拌，并将型砂装入铺砂料斗中，之后可升降工作平台下降固定高度，铺砂料斗在可升降工作平台上进行移动铺砂，铺砂完成后，计算机控制打印喷头根据砂型当前层轮廓信息在砂层表面按需喷射粘接剂，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当前层砂型，接着可升降工作平台下降固定层厚，重复铺砂和打印工序，层层制作最终打印成所需砂型。砂型制造完成后需要在常温下固化2到3小时以获得较高的砂型强度方可取出。

目前的砂型3d打印成形装置仍存在砂型制造工序多、成形效率低、砂型性能差等问题，不能满足企业的生产需求。

技术实现要素：

针对目前的砂型3d打印成形装置仍存在砂型制造工序多、成形效率低、砂型性能差等问题，本发明提出了一种3d打印成形装置。

本发明中的3d打印成形装置包括：型砂预处理系统(1)、真空上砂及供料系统(2)、铺砂打印一体化系统(3)、移动平台(4)以及控制系统(5)；

其中，所述型砂预处理系统(1)位于铺砂打印一体化系统(3)的外侧，与真空上砂及供料系统(2)连接，用于提供混合了固化剂的型砂颗粒；所述真空上砂及供料系统(2)固定连接在铺砂打印一体化系统(3)的一端，用于存放混合了固化剂的型砂颗粒，并将混合了固化剂的型砂颗粒均匀装入铺砂打印一体化系统(3)中；所述移动平台(4)位于铺砂打印一体化系统(3)的底部中间位置位置，作为打印砂型成形平台，并且可以水平移动。

本发明中的3d打印成形装置工作时，型砂预处理系统(1)、真空上砂及供料系统(2)、铺砂打印一体化系统(3)、移动平台(4)都在控制系统(5)的控制下各自独立的进行运行状态初始化、检测及运行。其中，型砂预处理系统(1)负责将原砂颗粒与固化剂进行定量混合搅拌，并将搅拌后的型砂存放到型砂存储箱中，当型砂存储箱中的型砂存储量达到额定数值时，真空上砂及供料系统(2)可以进行上砂工序，当型砂存储箱中的型砂存储量达到最大数值时，型砂预处理系统(1)停止工作。真空上砂及供料系统(2)根据上砂盒中型砂存放量进行真空上砂及供料工序，当上砂盒中型砂存储量不足时，真空上砂及供料系统(2)检测型砂预处理系统(1)的型砂存储状态，当型砂存储量达到额定数值，真空上砂及供料系统(2)开始工作，当上砂盒中型砂存放量达到额定值，真空上砂及供料系统(2)停止工作。铺砂打印一体化系统(3)检测移动平台初始化状态及多个铺砂槽中型砂存储量，当移动平台移动到工作位置后，并且铺砂槽中型砂存储量到达额定值后，铺砂打印一体化系统(3)开始独立运行多层铺砂打印工序，每完成一次多层铺砂打印工序，铺砂打印一体化系统(3)沿z方向上升预设层砂型厚度的距离。当铺砂槽中的型砂存储量不足时，铺砂打印一体化系统(3)移动到初始位置，真空上砂及供料系统(2)对铺砂槽进行装砂工序。

进一步地，所述铺砂打印一体化系统(3)位于移动平台(4)上方，包括x向横梁(3-1)、x向移动模块(3-2-1)、(3-2-2)、x向移动电机(3-3-1)、(3-3-2)、铺砂打印动龙门(3-4)、铺砂打印装置(3-5)、铺砂打印z向移动模块(3-6-1)、(3-6-2)、铺砂打印z向移动电机(3-7-1)、(3-7-2)；其中，所述x向移动电机(3-3-1)、(3-3-2)安装在铺砂打印动龙门(3-4)上，与安装在x向横梁(3-1)上的x向移动模块(3-2-1)、(3-2-2)连接，用于驱动铺砂打印动龙门(3-4)沿着x向横梁(3-1)运动；所述铺砂打印z向移动模块(3-6-1)、(3-6-2)和所述铺砂打印z向移动电机(3-7-1)、(3-7-2)都安装在铺砂打印动龙门(3-4)上，并彼此连接，所述铺砂打印装置(3-5)与铺砂打印z向移动模块(3-6-1)、(3-6-2)连接，并在铺砂打印z向移动电机(3-7-1)、(3-7-2)的驱动下实现z向的升降运动。

进一步地，所述铺砂打印装置(3-5)包括多个全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、多个铺砂槽(3-5-2)、多个红外加热管(3-5-3)、多个铺粉辊(3-5-4)，用于一次铺砂打印行程实现多层砂型的铺设和打印成形，所述红外加热管(3-5-3)与全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)固定连接，用于打印砂型的快速固化。

进一步地，所述全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、铺砂槽(3-5-2)、红外加热管(3-5-3)、铺粉辊(3-5-4)成套固定连接，用于实现铺砂打印一体化成形。

进一步地，所述铺粉辊(3-5-4-1)固定连接在所述铺砂槽(3-5-2-1)的左侧，所述铺砂槽(3-5-2-1)固定连接在所述红外加热管(3-5-3-1)左侧，所述红外加热管(3-5-3-1)固定连接在所述全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1-1)左侧，所述全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1-1)固定连接在所述红外加热管(3-5-3-2)左侧，所述红外加热管(3-5-3-2)固定连接在所述铺砂槽(3-5-2-2)的左侧，所述铺砂槽(3-5-2-2)固定连接在所述铺粉辊(3-5-4-2)的左侧，所述铺粉辊(3-5-4-2)固定连接在所述铺砂槽(3-5-2-3)的左侧，所述铺砂槽(3-5-2-3)固定连接在所述红外加热管(3-5-3-3)的左侧，红外加热管(3-5-3-3)固定连接在所述全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1-2)的左侧，所述全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1-2)固定连接在所述红外加热管(3-5-3-4)的左侧，所述红外加热管(3-5-3-4)固定连接在所述铺砂槽(3-5-2-4)的左侧，所述铺砂槽(3-5-2-4)固定连接在所述铺粉辊(3-5-4-3)的左侧，用于实现两层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形。

进一步地，所述两层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形需要两个全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、四个铺砂槽(3-5-2)、四个红外加热管(3-5-3)、三个铺粉辊(3-5-4)。

进一步地，所述三层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形需要四个全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、六个铺砂槽(3-5-2)、六个红外加热管(3-5-3)、五个铺粉辊(3-5-4)。

进一步地，所述铺砂打印装置(3-5)中的全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、铺砂槽(3-5-2)、红外加热管(3-5-3)、铺粉辊(3-5-4)的数量与层数n之间的关系分别是2n-2、2n、2n、2n-1，用于优化结构布局。

进一步地，所述铺砂打印一体化装置(3-5)的多个铺粉辊距离移动平台(4)上表面的高度差值不完全相同。

进一步地，所述多个全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、多个铺砂槽(3-5-2)、多个红外加热管(3-5-3)以及多个铺粉辊(3-5-4)关于中间的某个铺粉辊呈镜像布局安装，用于实现多层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形。

进一步地，所述型砂预处理系统(1)包括原砂存储库(1-1)、垂直上料机(1-2)、定料桶(1-3)、电动蝶阀(1-4)、固化剂存储桶(1-6)、固化剂计量泵(1-5)、混砂机(1-7)、型砂存储箱(1-8)；其中，所述垂直上料机(1-2)与原砂存储库(1-1)和定料桶(1-3)固定连接，用于将存放在原砂存储库(1-1)中的原砂颗粒送入定料桶(1-3)中；所述电动蝶阀(1-4)安装在定料桶(1-3)下方出口处，用于开闭定料桶出口，控制进入混砂机(1-7)中的原砂质量；所述固化剂计量泵(1-5)与固化剂存储桶(1-6)和混砂机(1-7)固定连接，用于将存放在固化剂存储桶(1-6)中的固化剂定量送入混砂机(1-7)中；所述型砂存储箱(1-8)安装在混砂机(1-7)出口处，用于存放混合了固化剂的型砂颗粒。

进一步地，所述真空上砂及供料系统(2)与铺砂打印一体化系统(3)固定连接，且位于铺砂打印一体化系统(3)的一端，包括真空上砂机(2-1)、真空上料桶(2-2)、上砂盒(2-3)、上砂梁(2-4)、上砂龙门(2-5)、上砂梁z向移动模块(2-6-1)、(2-6-2)、上砂梁z向移动电机(2-7-1)、(2-7-2)、上砂龙门(2-5)；其中，所述真空上砂机(2-1)与型砂存储箱(1-8)、真空上料桶(2-2)连接，用于将存放在型砂存储箱(1-8)中的型砂颗粒吸入真空上料桶(2-2)中；所述上砂盒(2-3)安装在上砂梁(2-4)上，并与真空上料桶(2-2)连接，用于存放型砂颗粒；所述上砂梁z向移动模块(2-6-1)、(2-6-2)安装在上砂龙门(2-5)上，并与上砂梁(2-4)固定连接，可以实现z向的移动；所述上砂梁z向移动电机(2-7-1)、(2-7-2)安装在上砂龙门(2-5)上，与上砂梁z向移动模块(2-6-1)、(2-6-2)连接，用于驱动上砂梁z向移动模块(2-6-1)、(2-6-2)运动；所述上砂龙门(2-5)与铺砂打印一体化系统(3)固定连接。

进一步地，所述移动平台(4)位于铺砂打印一体化系统(3)的x向横梁(3-1)的中间，包括可移动平台小车(4-1)、x向移动滑轨(4-2)，用于实现移动平台在打印工作位置和砂型清理工作位置的往复运动。

进一步地，所述控制系统(5)用于实现所述3d打印成形装置的自动运行。

本发明具有以下优点：

1、成形装置采用模块化独立运行，架构简单，适合大型化设备；

2、多层砂型单工序一次成形，砂型制造效率高。

附图说明

图13d打印成形装置结构图；

图2型砂预处理系统结构图；

图3真空上砂及供料系统结构图；

图4铺砂打印一体化系统结构图；

图5铺砂打印一体化系统结构图；

图6移动平台结构图；

图7x+方向两层砂型往复双向铺砂打印一体化成形过程图；

图8x-方向两层砂型往复双向铺砂打印一体化成形过程图；

图中:1-型砂预处理系统；2-真空上砂及供料系统；3-铺砂打印一体化系统；4-移动平台；5-控制系统；

1-1原砂存储箱；1-2垂直上料斗；1-3定料桶；1-4电动蝶阀；1-5固化剂计量泵；1-6固化剂存储桶；1-7混砂机；1-8型砂存储箱；2-1真空上砂机；2-2真空上料桶；2-3上砂盒；2-4上砂梁；2-5上砂龙门；2-6-1上砂梁z向移动模块；2-6-2上砂梁z向移动模块；2-7-1上砂梁z向移动电机；2-7-2上砂梁z向移动电机；3-1x向横梁；3-2-1x向移动模块；3-2-2x向移动模块；3-3-1x向移动电机；3-3-2x向移动电机；3-4铺砂打印龙门；3-5铺砂打印装置；3-5-1全幅面组合式打印喷头模块；3-5-2多个铺砂槽；3-5-3多个红热加热管；3-5-4多个铺粉棍；3-5-1-1全幅面组合式打印喷头模块；3-5-1-2全幅面组合式打印喷头模块；3-5-2-1铺砂槽；3-5-2-2铺砂槽；3-5-2-3铺砂槽；3-5-2-4铺砂槽；3-5-3-1红外加热管；3-5-3-2红外加热管；3-5-3-3红外加热管；3-5-3-4红外加热管；3-5-4-1铺粉棍；3-5-4-2铺粉棍；3-5-4-3铺粉棍；3-6-1铺砂打印z向移动模块；3-6-2铺砂打印z向移动模块；3-7-1铺砂打印z向移动电机；3-7-2铺砂打印z向移动电机；4-1可移动平台小车；4-2x向移动滑轨；a打印部分；b铺砂部分。

具体实施方式

一种3d打印成形装置包括型砂预处理系统(1)、真空上砂及供料系统(2)、铺砂打印一体化系统(3)、移动平台(4)以及控制系统(5)五个部分。3d打印成形装置工作时，型砂预处理系统(1)、真空上砂及供料系统(2)、铺砂打印一体化系统(3)、移动平台(4)都在控制系统(5)的控制下各自独立的进行运行状态初始化、检测及运行。

本发明提出的一种3d打印成形装置,其中两层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形具体实施方式如下：

步骤一：3d打印成形装置工作前，首先对所需打印模型进行三维建模，再对三维模型进行分层切片，然后铺砂打印一体化系统(3)根据切片信息进行模型打印。

步骤二：铺砂打印工序开始前，先将储存在原砂储存箱(1-1)中的原砂颗粒通过垂直上料机(1-2)绞龙螺旋结构输送进入定料桶(1-3)，电动蝶阀(1-4)用于开闭定料桶(1-3)出口，控制进入混砂机(1-7)中的原砂质量；将存放固化剂存储桶(1-6)中的固化剂通过固化剂计量泵(1-5)定量送入混砂机(1-7)中；原砂颗粒与固化剂在混砂机(1-7)中混合搅拌，预混固化剂的型砂颗粒的砂型存放在型砂存储箱(1-8)中。

步骤三：真空上砂机(2-1)将存放在型砂存储箱(1-8)中的型砂颗粒吸入真空上料桶(2-2)中，真空上料桶(2-2)中预混好固化剂的型砂颗粒存放在上砂盒(2-3)中。

在工作过程中，当型砂存储箱中的型砂存储量达到额定数值时，真空上砂及供料系统(2)可以进行上砂工序，当型砂存储箱中的型砂存储量达到最大数值时，型砂预处理系统(1)停止工作。真空上砂及供料系统(2)根据上砂盒中型砂存放量进行真空上砂及供料工序，当上砂盒中型砂存储量不足时，真空上砂及供料系统(2)检测型砂预处理系统(1)的型砂存储状态，当型砂存储量达到额定数值，真空上砂及供料系统(2)开始工作，当上砂盒中型砂存放量达到额定值，真空上砂及供料系统(2)停止工作。铺砂打印一体化系统(3)检测移动平台初始化状态及多个铺砂槽中型砂存储量，当移动平台移动到工作位置后，并且铺砂槽中型砂存储量到达额定值后，铺砂打印一体化系统(3)开始独立运行多层铺砂打印工序，每完成一次多层铺砂打印工序，铺砂打印一体化系统(3)沿z方向上升预设层砂型厚度的距离。当铺砂槽中的型砂存储量不足时，铺砂打印一体化系统(3)移动到初始位置，真空上砂及供料系统(2)对铺砂槽进行装砂工序。

步骤四：装砂工序完成后，将上砂盒(2-3)中混合了固化剂的型砂颗粒均匀的装入铺砂打印一体化系统(3)多个铺砂槽中(3-5-2)中；两层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形装置包括两个全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、四个铺砂槽(3-5-2)、四个红外加热管(3-5-3)、三个铺粉辊(3-5-4)。

步骤五：铺砂打印装置工作工作前，首先在打印平台(4-1)预先铺设预混了固化剂的型砂颗粒如图7(a)所示,铺砂层厚为h，h≥h。

步骤六：当铺砂打印装置向沿着x正方向移动时，打印喷头(3-5-1-2)首先在预混了固化剂的型砂颗粒表面进行树脂喷射，红外加热管(3-5-3-3)进行当前层砂型加热固化如图7(b)所示；然后铺砂槽(3-5-2-3)打开进行落砂工序，铺粉辊(3-5-4-2)进行当前层的铺砂处理，使当前层的型砂铺平如图7(c)所示，铺粉辊(3-5-4-2)与当前铺砂面的距离为h。进而，打印喷头(3-5-1-1)进行树脂喷射，红外加热管(3-5-3-1)进行当前层砂型加热，使当前层砂型具有一定强度如图7(d)所示；最后，砂箱铺砂槽(3-5-2-1)打开，继续第二次落砂，铺粉棍(3-5-4-1)进行第二层型砂处理，使第二层的型砂铺平如图7(e)所示。此时，x正方向铺砂打印过程结束，完成两层打印，两次层铺砂如图8(a)所示。

步骤七：当铺砂打印装置向沿着x负方向移动时，首先铺砂打印装置(3-5)向z正方向升高2h。然后打印喷头(3-5-1-1)进行当前层的树脂喷射，完成当前层打印，红外加热管(3-5-3-2)进行当前层砂型加热，使当前层砂型具有一定强度如图8(b)所示；进而铺砂槽(3-5-2-2)打开进行落砂工序、铺粉辊(3-5-4-2)进行当前层(第三层)的铺砂处理，使当前层的型砂铺平如图8(c)所示。随后，打印喷头(3-5-1-2)进行树脂喷射，红外加热管(3-5-3-4)进行当前层砂型加热，使当前层砂型具有一定强度如图8(d)所示；最后，砂箱铺砂槽(3-5-2-1)打开，继续第四次落砂如图8(e)所示，铺粉棍(3-5-4-1)进行第四层型砂处理，使第四层的型砂铺平。此时，x负方向铺砂打印过程结束，完成两层打印，两次层铺砂，两层砂型的往复双向铺砂打印过程全部完成。打印效率是之前的四倍。

其中，铺砂打印装置(3-5)中全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、铺砂槽(3-5-2)、红外加热管(3-5-3)、铺粉辊(3-5-4)的数量与层数n之间的关系分别是2n-2、2n、2n、2n-1，用于优化结构布局。铺砂打印一体化装置(3-5)的多个铺粉辊距离移动平台(4)上表面的高度差值不完全相同。多个全幅面组合式打印喷头模块(3-5-1)、多个铺砂槽(3-5-2)、多个红外加热管(3-5-3)以及多个铺粉辊(3-5-4)关于中间的某个铺粉辊呈镜像布局安装，用于实现多层砂型的往复双向铺砂打印一体化成形。

步骤八：根据根据切片信息进行往复打印，层层叠加，进而打印完成所需砂型。

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