轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法

1.本发明属于增材制造与铸造技术交叉领域，具体涉及一种轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法。


背景技术：

2.铸造业是现代工业发展的基础，在装备制造业中，铸件占比非常高。砂型铸造是铸造工艺主要方法，占整个铸造生产的80%至90%。砂型3d打印技术作为传统砂型制造技术的发展，实现了铸造产业的智能化升级。
3.砂型3d打印技术是一种基于微滴喷射原理的无模砂型快速制造技术，采用逐层叠加制造的思想，可以实现复杂铸型的单件以及小批量的快速制造。冷冻砂型3d打印技术以纯水为粘接剂，进行微滴喷射逐层打印。以此种方法制得的砂型用于砂型铸造过程得到的铸件组织细化，力学性能良好，制造过程绿色化。同时废砂可以直接回收利用。
4.与此同时，采用上述打印方法也存在以下缺点：（1）冷冻砂型增材过程中消耗大量的型砂原材料，同时在回收过程中造成砂粒损失，很难实现良好经济效益和低成本制造。
5.（2）冷冻砂型3d打印整体结构或镂空结构会影响砂型成形精度和砂型性能，影响铸件的高性能成形，此外冷冻砂型强度过低也会导致细小部分连接处的断裂，影响冷冻砂型整体结构强度。
6.因此，如何提升冷冻砂型3d打印轻量化结构的强度，消除单一冷冻砂型存在形性保持能力差、抗高温冲击性差的缺点，实现复杂铸件的高性能铸造是当前冷冻砂型3d打印技术的发展方向。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明公开了为解决上述问题，本发明公开了轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法与装置。该复合结构能够解决单一冷冻砂型强度不足的问题，同时也可以减轻冷冻砂型的重量，实现铸件的高精度、绿色化成形。
8.本发明提出的轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法与装置，按照复杂砂型型腔轮廓要求设计冷冻砂型面砂和冰模支撑结构作为背砂的复合结构，分别将冷冻砂型和冰模结构三维模型导入专用分层切片软件中，利用切片软件制成该复合结构的截面信息。将水粘接剂和纯水分别植入微滴喷射装置和直写打印装置，将原砂放入铺砂装置，完成打印前的准备工作。柔性铺砂装置在控制系统的控制下冷冻砂型按照切片信息在底面铺设一层原砂，同时采用微滴喷射系统将水粘接剂按照切片信息打印到原砂上，直写打印装置沿着砂型边缘随形打印冰模支撑结构。依照顺序，层层铺砂打印直至打印完成。本发明提出的冰模支撑结构的复合打印方法是通过双喷头随形打印，实现冷冻砂型的高效低成本成形。
9.为实现上述目的，本发明的轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法与
装置，按以下步骤进行：步骤1：针对复杂铸件结构设计所需打印的铸型结构示意图，在型腔外侧与高温金属液体直接接触部分设计为一定厚度的冷冻砂型作为面砂，紧靠着冷冻砂型外侧的支撑结构为冰模结构，该冰模结构可以为镂空结构冰模、拓扑结构冰模、随形结构冰模等任意轻量化结构。
10.步骤2：分别调节喷墨打印和低温直写喷头成形参数，考虑到冰模成形与冷冻砂型成形方式不同，选择具有特定参数的微滴喷射打印喷头和低温直写打印喷头、调整压力大小、喷头运动速度等参数进行打印工艺调节。
11.步骤3：冰模和冷冻砂型需要维持在低温环境下进行成形，在打印平台通入液氮、冷风、干冰或蓄冷材料等维持低温环境。
12.步骤4：定位喷墨打印铺砂位置，每一层所需铺设型砂图案不同，在铺设每一层型砂之前都需对柔性铺砂装置进行调整和对当前铺设位置进行定位，同时和直写打印冰模图案进行层间连接；保证了砂型与冰模之间连接的紧密性。
13.步骤5：将原砂送入铺砂装置，在所需铺设原砂部位由控制装置控制铺砂装置铺设一层原砂，原砂铺设完毕后，铺砂装置移动回到初始位置。
14.步骤6：控制系统分别控制两个喷头系统以不同参数喷射水粘接剂及纯水，在冷冻砂型和冰模的连接处，通过制冷剂和低温冷冻平台低温制冷进行冷冻砂型和轻量化冰模结构的固化与连接。
15.步骤7：当前层打印完成后，工作台向下下降一个层厚，重复步骤4、5、6，当铺砂装置中型砂不够时铺砂装置回到上砂位置，自混砂料斗中装填型砂。
16.步骤8：层层打印，直至逐层堆叠完成砂型打印，清理废砂。
17.进一步的，所述打印方式采用双喷头打印，冰模支撑结构通过直写喷头喷射纯水完成，冷冻砂型补充打印通过微滴喷射的形式喷射纯水。直写喷头采用单喷嘴，微滴喷射采用多喷嘴喷射。
18.进一步的，所述步骤1中冰模支撑结构可以位于冷冻砂型内部，也可在冷冻砂型外轮廓处与之相连。该冰模结构可以为镂空结构冰模、拓扑结构冰模、随形结构冰模等任意轻量化结构。
19.进一步的，铺砂装置口装有定位用的光电传感器，当铺砂装置移动至规划好的型砂图案处时，传感器接收到信号反馈到控制装置打开铺砂口铺设型砂。
20.进一步的，直写喷头外部与制冷机箱相连，直写喷头喷出纯水后由制冷剂和低温制冷平台直接冷却。通过在冰模与冷冻砂型界面处形成冰晶将界面连接。
21.进一步的，为维持冷冻砂型及冰模打印过程中低温环境，需在打印过程中向低温成形室持续通入液氮等低温介质，将低温成形室的温度维持在0℃~-30℃可调节。
22.进一步的，所述直写打印喷头与微滴喷射喷头运动过程互不干涉，微滴喷射头在打印装置的作用下沿着x轴和y轴移动；直写打印喷头在打印装置的作用下沿着x轴、y轴和z轴移动。
23.进一步的，微滴喷射和直写打印喷头打印的是纯水或去离子水，在冷冻环境下与原砂结合形成冷冻砂型，并在直写喷头工作过程中将水转化成冰进行逐层打印。
24.本发明将冷冻砂型面砂和冰模支撑结构作为背砂的复合结构；直写打印装置沿着
砂型边缘随形打印冰模支撑结构；冰模打印镂空结构；砂与冰模连接部分用液氮或干冰冷却；本发明冰模支撑结构冷冻砂型作为将冷冻砂型的一部分替换为冰模，冰模部分作为远离铸件的部分实现了砂型的减重，后续处理保护环境。靠近铸件的部分采用冷冻砂型提升热导率，实现铸件的精确成型。
25.本发明的有益效果：1能够进一步解决冷冻砂型打印过程中的精度问题，冰模打印的精度高于水与原砂冷冻后形成的精度，与此同时，由于冷冻砂型冰晶与原砂之间存在间隙，冰模的结构强度也远高于冷冻砂型。砂型的强度得到了显著提高。
26.2、能够进一步减少原砂的利用，冰模结构由于打印的是纯水，不需要与原砂结合，因此在浇注结束之后直接融化不会产生废砂的浪费，该种方法也具有型砂回收率高、工艺绿色环保的优点。
附图说明
27.图1是一种冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法流程图图2是冰模支撑结构冷冻砂型结构示意图图3是一种冰模支撑结构的冷冻砂型打印装置示意图图4是直写喷头打印装置示意图图5是直写喷头截面示意图图中的附图标记：1、制冷剂；2、纯水；3、z轴滑块；4、直写打印装置y轴滑块；5、铺砂装置y轴滑块；6、x轴滑杆；7、制冷出口；8、冷冻打印平台；9、打印平台滑杆；10、位置传感器；11、铺砂槽；12、微滴喷射装置；13、第一步进电机；14、第二步进电机；15、联轴器；16、z轴滑块；17、滑杆；18、活塞；19、推杆；20、制冷装置；21、腔室。
实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
29.本发明提出的一种冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，如图1所示。
30.首先，按照要求设计砂型模型，将三维模型导入切片软件中，利用软件制成该结构的截面信息。
31.将水基粘接剂和纯水分别放入微滴喷射装置和直写打印装置中，原砂放入铺砂槽11，完成打印前的准备工作。
32.原砂放入铺砂槽11后，铺砂槽11在电机的控制下沿着x轴和y轴运动，此时铺砂槽11下部有一个位置传感器10，到达确定位置位置传感器10得到信号控制铺砂槽11开合，原砂落至打印平台8，在底面铺设一层原砂，刮板刮去突出的砂粒。
33.随后，微滴打印喷头12沿着x轴和y轴运动喷射水粘接剂到原砂上，制冷出口7喷出液氮等制冷物。在液氮的作用下该层很快冻结，液氮使得打印平台8温度始终维持在0℃~-30℃。微滴打印喷头12回到原点。接着，直写打印喷头在电机13的控制下沿着x轴、y轴运动，
在电机14的控制下沿着z轴紧贴着砂型边缘打印冰模结构。
34.其中，微滴打印喷头12和直写打印喷头互不干涉，直写打印喷头有两根导管分别连接纯水2和制冷剂1。其中制冷剂1通过固定在直写喷头下部的制冷装置20喷出。直写打印喷头只有一个喷嘴，电机推动活塞18运动，活塞18推动推杆19将纯水2由腔室21中挤出。纯水2由直写打印喷头喷出后在制冷装置20和制冷平台8的作用下变为冰。实现了轻量化支撑冰模的高效成形。
35.微滴打印喷头12和直写打印喷头打印好当前一层后，平台8下降一个高度。铺砂槽11和刮板此时已回到零点位置。
36.层层铺砂，层层打印，直至打印完成。当打印装置分别完成冷冻砂型打印和冰模打印后，将打印好后的复合砂型放入冰柜中进行超过冷控性直至浇注获得典型零部件。
37.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

技术特征：
1.一种冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1：针对复杂铸件结构设计所需打印的铸型结构示意图，在型腔外侧与高温金属液体直接接触部分设计为一定厚度的冷冻砂型作为面砂，紧靠着冷冻砂型外侧的为背砂，其中背砂为冰模结构；步骤2：分别调节喷墨打印和低温直写喷头成形参数，考虑到冰模成形与冷冻砂型成形方式不同，选择具有与其工艺相适配的的微滴喷射打印喷头和低温直写打印喷头；步骤3：冰模和冷冻砂型需要维持在低温环境下进行成形，在打印平台通入液氮、冷风、干冰或蓄冷材料其中维持低温环境；步骤4：定位喷墨打印铺砂位置，每一层所需铺设型砂图案不同，在铺设每一层型砂之前都需对柔性铺砂装置进行调整和对当前铺设位置进行定位，同时和直写打印冰模图案进行层间连接;步骤5：将原砂送入铺砂装置，在所需铺设原砂部位由控制装置控制铺砂装置铺设一层原砂，原砂铺设完毕后，铺砂装置移动回到初始位置；步骤6：控制系统分别控制两个喷头系统以不同参数喷射水粘接剂及纯水，在冷冻砂型和冰模的连接处，通过冷冻平台低温制冷进行冷冻砂型和轻量化冰模结构的固化与连接；步骤7：当前层打印完成后，冷冻打印平台8向下下降一个层厚，重复步骤4、5、6，当铺砂装置中型砂不够时铺砂装置回到上砂位置，自混砂料斗中装填型砂；步骤8：层层打印，直至逐层堆叠完成砂型打印，清理废砂。2.根据权利要求1所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于：所述步骤2中，打印方式采用双喷头打印，冰模支撑结构通过直写喷头喷射纯水并低温冻结完成，冷冻砂型通过微滴打印喷头（12）的喷射水粘接剂；将水基粘接剂和纯水分别放入微滴打印喷头（12）和直写打印喷头中，原砂放入铺砂槽（11）后，铺砂槽（11）在电机的控制下沿着x轴滑杆（6）和y轴运动，铺砂槽（11）下部设有位置传感器（10），到达确定的位置时，位置传感器（10）得到信号控制铺砂槽（11）开合，原砂落至打印平台（8），在底面铺设一层原砂，刮板刮去突出的砂粒。3.根据权利要求2所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于：所述x轴滑杆（6）的底部滑动设置在y轴滑块（5）上。4.根据权利要求1所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于：所述步骤4具体为：微滴打印喷头（12）沿着x轴和y轴运动喷射水粘接剂到原砂上，打印平台（8）的周围设有制冷出口（7）；在设备内设有制冷出口（7）；制冷出口（7）喷出制冷物质；在制冷物质的作用下该层很快冻结，；微滴打印喷头（12）回到原点；接着，直写打印喷头在第一步进电机（13）的控制下沿着x轴、y轴运动，在第二步进电机（14）的控制下沿着z轴紧贴着砂型边缘打印冰模结构。5.根据权利要求1所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于：所述微滴打印喷头（12)和直写打印喷头互不干涉，微滴喷射头在打印装置的作用下沿着x轴滑杆（6）和y轴移动；直写打印喷头在打印装置的作用下沿着x轴、y轴和z轴移动。6.根据权利要求1所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于：直写打印喷头有两根导管分别连接纯水（2）和制冷剂（1）；其中制冷剂（1）通过固定在直写喷头下部的
制冷装置（20）喷出；直写打印喷头只有一个喷嘴，电机推动活塞（18）运动，活塞（18）推动推杆（19）将纯水（2）由腔室（21）中挤出；纯水（2）由直写打印喷头喷出后在制冷装置（20）和制冷平台（8）的作用下变为冰。7.根据权利要求1所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于，所述步骤1中轻量化冰模支撑结构位于冷冻砂型内部或在冷冻砂型外轮廓处与之相连；该冰模结构可以为镂空结构冰模、拓扑结构冰模、随形结构冰模的任意轻量化结构，满足冷冻砂型支撑要求。8.根据权利要求1所述的轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于，为维持冷冻砂型及冰模打印过程中低温环境，需在打印过程中向低温成形室不停通入液氮、干冰等低温介质，将低温成形室的温度维持在0℃～-30℃。9.根据权利要求1所述的冰模支撑结构的冷冻砂型打印方法，其特征在于，微滴喷射和直写打印喷头打印的是纯水或去离子水，在冷冻环境下与原砂结合形成冷冻砂型，并在直写喷头工作过程中将水转化成冰进行逐层打印。

技术总结
本发明提供轻量化冰模支撑结构的冷冻砂型增材制造成形方法，按照复杂砂型型腔轮廓要求设计冷冻砂型面砂和冰模支撑结构作为背砂的复合结构，分别将冷冻砂型和冰模结构三维模型导入专用分层切片软件中，利用切片软件制成该复合结构的截面信息。将水粘接剂和纯水分别植入微滴喷射装置和直写打印装置，将原砂放入铺砂装置，柔性铺砂装置在控制系统的控制下冷冻砂型按照切片信息在底面铺设一层原砂，同时采用微滴喷射系统将水粘接剂按照切片信息打印到原砂上，直写打印装置沿着砂型边缘随形打印冰模支撑结构。本发明实现冷冻砂型的高效低成本成形。通过冰模打印镂空结构的设计，实现了砂型的轻量化减重，绿色化成形和低成本制造。造。造。


技术研发人员：杨浩秦 单忠德 戴宇峰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/9