本發(fā)明屬于快速成形設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種多材質(zhì)砂型3d打印成形方法。

背景技術(shù)：

3d打印技術(shù)又稱為三維打印技術(shù)，是指采用打印頭、噴嘴或其它打印技術(shù)沉積材料來制造物體的技術(shù)，屬于一種增材制造技術(shù)，是快速成形領(lǐng)域目前研究的重要方向。它是指將所需成形工件的復(fù)雜三維模型通過切片轉(zhuǎn)化為簡單的二維截面的組合。利用材料粉末逐層打印，逐層堆積，自下而上形成具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維模型。

砂型3d打印是一種主要基于微滴噴射成形的快速成形技術(shù)。目前，砂型3d打印設(shè)備大都是基于粉床的快速成型設(shè)備，成形過程中涉及到了型砂的存放、供給、鋪設(shè)、回收，樹脂粘結(jié)劑的按需噴射等工序，當噴射的樹脂粘結(jié)劑遇到預(yù)混了固化劑的型砂后使砂粒粘結(jié)固化成所需砂型。鋪砂裝置作為快速成形設(shè)備的重要組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性將直接影響成形件的質(zhì)量。對于鑄造過程來說，鑄件在澆鑄過程中其溫度場變化嚴重影響著鑄件的質(zhì)量?，F(xiàn)有的3d打印設(shè)備的鋪砂裝置都只能鋪設(shè)單一材料的粉末，整個砂型的導熱系數(shù)相同，在進行復(fù)雜鑄件的澆鑄過程中需要通過其它輔助手段實現(xiàn)對澆鑄過程中溫度場的控制。因而鋪設(shè)單一粉末的鋪砂裝置往往存在一些不足之處：

（1）單一材質(zhì)的砂型其導熱系數(shù)相同，無法實現(xiàn)溫度場的自適應(yīng)控制；

（2）單一材質(zhì)的砂型其型砂粒徑相同，無法實現(xiàn)砂型強度和精度的控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前砂型3d打印設(shè)備無法實現(xiàn)多種材質(zhì)型砂鋪設(shè)打印成形的問題，本發(fā)明提出了一種多材質(zhì)砂型3d打印成形方法。

多材質(zhì)砂型3d打印成形方法是，打印開始前將不同材質(zhì)的原砂先后經(jīng)過真空上料機送入混砂裝置中與固化劑進行均勻攪拌，然后將混合了固化劑的型砂分別存放在兩個或多個結(jié)構(gòu)相同的鋪砂裝置中。鋪砂裝置是由許多開口閥門組成的，鋪砂時，計算機根據(jù)鑄型的鑄造要求，在不同換熱區(qū)鋪設(shè)不同換熱系數(shù)的型砂，之后計算機控制陣列打印噴頭根據(jù)砂型當前層的二維截面信息按需噴射粘結(jié)劑，層層鋪設(shè)，層層打印，完成砂型的制作。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的多材質(zhì)砂型3d打印成形方法按以下步驟進行：

步驟1：將工作臺下移一段距離后控制鋪砂裝置鋪設(shè)一層不含固化劑的原砂作為底砂，底砂鋪設(shè)完后，鋪砂裝置移動回初始位置；

步驟2：將石英砂原砂a經(jīng)過真空上料機送入混砂裝置中與固化劑進行攪拌，然后將混合了固化劑的石英砂a送入陣列式鋪砂裝置的鋪砂機構(gòu)a中，該鋪砂機構(gòu)具有多個可以獨立開閉鋪砂口，之后將鋯英砂原砂b經(jīng)過真空上料機送入混砂裝置中與固化劑進行攪拌，然后將混合了固化劑的鋯英砂b送入陣列式鋪砂裝置的鋪砂機構(gòu)b中，鋪砂機構(gòu)b與鋪砂機構(gòu)a具有相同的結(jié)構(gòu)，重復(fù)該過程直到陣列式鋪砂裝置的所有鋪砂機構(gòu)裝滿不同材質(zhì)的型砂；

步驟3:工作臺下移一個層厚，陣列式鋪砂裝置在計算機的控制下，根據(jù)當前層的砂型截面形狀在不同的位置處開閉對應(yīng)鋪砂機構(gòu)的鋪砂口，按需鋪設(shè)多種不同材質(zhì)的型砂；

步驟4：型砂鋪設(shè)完后，陣列式鋪砂裝置移動回初始位置，計算機控制打印噴頭根據(jù)砂型當前層截面信息按需噴射粘結(jié)劑，完成當前層砂型的打印；

步驟5：重復(fù)步驟3、步驟4，當鋪砂裝置中的儲砂量不多時，鋪砂裝置回到初始位置并重復(fù)步驟2進行裝砂；

步驟6：重復(fù)步驟6，層層打印，直至最終逐層堆疊完成砂型打?。?/p>

步驟7：清理掉未粘結(jié)的型砂，取出砂型。

多材質(zhì)砂型3d打印成形方法，鑄型所用砂粉為石英石、鋯英砂、陶粒砂、鉻鐵礦砂或橄欖石砂等鑄造用耐火型砂，常用粒度為70/140目。

多材質(zhì)砂型3d打印成形方法，噴射所用的粘結(jié)劑為呋喃樹脂、酚醛樹脂等有機粘結(jié)劑或無機粘接劑。

采用上述的技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點：

1、實現(xiàn)導熱系數(shù)梯度變化砂型的制作，對鑄件溫度場進行的自適應(yīng)控制；

2、實現(xiàn)變粒徑砂型的制作，對砂型強度和精度進行自適應(yīng)控制。

附圖說明

圖1多材質(zhì)砂型3d打印成形裝置圖示意圖；

圖2陣列式鋪砂裝置的鋪設(shè)機構(gòu)示意圖；

圖3鋪底砂的示意圖；

圖4鋪第一層型砂的過程示意圖；

圖5陣列噴頭噴射粘接劑的過程示意圖；

圖6多材質(zhì)砂型3d打印成形的長方形測試試樣圖。

圖中:1(a)、儲砂罐a；1(b)、儲砂罐b；2、真空上料裝置；3、混砂裝置；4、固化劑存儲罐；5(a)、陣列式鋪砂裝置的鋪設(shè)機構(gòu)a；5(b)、陣列式鋪砂裝置的鋪設(shè)機構(gòu)b；6、可移動升降平臺；7、陣列噴頭；8、成形室；9、鋪砂口開閉擋板；10、鋪砂料斗；11、刮砂板；12、按需鋪砂口；13、不含固化劑的底砂；14、兩種材質(zhì)的砂層；15、工作臺；16、長方形測試樣件第一層截面；17、長方形測試樣件。另圖中：a、代表石英砂；b、代表鋯英砂；f、鋪砂裝置鋪砂方向以及陣列噴頭掃描打印方向。

具體實施方式

本發(fā)明提出的一種多材質(zhì)砂型3d打印成形方法，首先將不同材質(zhì)的耐火材料原砂先后通過真空上料裝置送入混砂裝置中，混砂裝置連通固化劑料箱在混砂的同時加入一定量的固化劑，攪拌均勻后將不同材質(zhì)的型砂分別送入陣列式鋪砂裝置的不同鋪砂機構(gòu)中。打印開始后，工作臺下移一定距離，陣列式鋪砂裝置移動均勻鋪設(shè)一層不含固化劑的原砂作為底砂，底砂鋪設(shè)完成后，鋪砂裝置移回初始位置，為下一次鋪砂做好準備；工作臺根據(jù)所打印砂型的需求，在計算機的控制下，下移一個層厚，陣列式鋪砂裝置同樣在計算機的控制下移動，均勻鋪砂，陣列式鋪砂裝置是由兩個或多個結(jié)構(gòu)相同的鋪砂機構(gòu)組成的，不同的鋪砂機構(gòu)中裝有不同材質(zhì)的型砂，在計算機的控制下，陣列式鋪砂裝置根據(jù)砂型當前層的輪廓信息互補性的開閉鋪砂口進行多材質(zhì)型砂的鋪設(shè)；鋪砂完畢后，陣列式鋪砂裝置移動回初始位置，計算機控制打印系統(tǒng)移動，陣列噴頭根據(jù)砂型當前層的輪廓信息按需噴射樹脂粘結(jié)劑，完成當前層砂型打印，打印系統(tǒng)同樣在完成當前層打印后，移動回初始位置；陣列式鋪砂裝置檢查儲砂量，如果儲砂量不滿足設(shè)定閾值，料斗將會往鋪砂裝置中裝填砂礫，直至滿足設(shè)定閾值；工作臺繼續(xù)下移一個層厚，重復(fù)鋪砂和打印的過程，層層鋪砂，層層打印，最終成形所需砂型。砂型打印完成后，打開成形室，清除掉未粘結(jié)的原砂，取出砂型。

本發(fā)明以成形兩種材質(zhì)的長方形測試樣件為例，步驟如下：

步驟1：準備粒度為70/140目的石英砂和鋯英砂，將該石英砂和鋯英砂分別裝入儲砂罐1（a）和1（b）中，作為3d打印鑄型所用的原材料；

步驟2：打印鑄型之前，首先清理3d打印成形裝置的成形室8內(nèi)的浮砂，使工作區(qū)域干凈、無浮砂；然后，計算機控制傳動機構(gòu)帶動可移動工作臺6，使與沿g向下移5mm，見圖3；陣列式鋪砂裝置5在計算機的控制下，在工作臺上均勻鋪設(shè)一層底砂，如圖3所示，所述底砂用于將成形鑄件與工作臺分離；然后，陣列鋪砂裝置移動回初始位置；

步驟3：真空上料裝置2將儲砂罐1（a）中的石英砂砂粉吸入混砂裝置3中與固化劑進行攪拌，固化劑存放在固化劑存儲罐4中；然后將混好的型砂a送入陣列式鋪砂裝置的鋪砂機構(gòu)5（a）中；之后，真空上料裝置2將儲砂罐1（b）中的鋯英砂砂粉吸入混砂裝置3中與固化劑進行攪拌；然后將混好的型砂b送入陣列式鋪砂裝置的鋪砂機構(gòu)5（b）中，見圖1；

步驟4：打印鑄型時，計算機控制工作臺板6沿g向下移0.5mm；然后計算機驅(qū)動陣列式鋪粉裝置5（a），5（b）沿工作臺鋪設(shè)第1層混合了固化劑的型砂，砂粉厚度為0.5mm，見圖4，其中鋪砂機構(gòu)5（a）打開對應(yīng)成形室左側(cè)的鋪砂口，而鋪砂機構(gòu)5（b）打開對應(yīng)成形室右側(cè)的鋪砂口，鋪砂完成后鋪砂裝置移動回初始位置；

步驟5：計算機根據(jù)鑄型的第一層截面數(shù)據(jù)，控制二維運動系統(tǒng)和陣列噴頭7向鑄型區(qū)域噴射樹脂粘接劑，當樹脂粘接劑遇到型砂中的固化劑后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)粘接型砂，獲得長方形測試樣件的第一層截面16，見圖5；然后陣列噴頭7移動回初始位置；

步驟6：計算機根據(jù)鑄型的各個分層數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟4和步驟5，層層打印出鑄型的各截面形狀；當鋪砂裝置中的儲砂量不多時，鋪砂裝置回到初始位置并重復(fù)步驟3進行裝砂；直至最終逐層堆疊形成鑄型17，見圖6；

步驟7：鑄型打印完成后，將未經(jīng)噴設(shè)粘接劑的余砂去除，取出長方形測試樣件實體鑄型。