一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置及其方法

1.本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置及其方法。


背景技术：

2.传统铸造行业资源消耗大，面临制造周期长、生产工序多、劳动强度大、开发成品昂贵和工作环境恶劣等问题。传统铸造行业亟需工艺绿色化突破与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续发展。采用环境友好型的冷冻砂型铸造工艺与装备，可大幅减少铸造过程中的材料及能源消耗，减少污染物排放，提高铸件成品率，实现铸件高效高质量精确成形。
3.3dp工艺是3d打印工艺的一种，将各类粉末材料，通过喷头用粘接剂(如水、树脂等)将零件的截面“印刷”在单层材料粉末上面，然后层层堆积，使得单层“印刷图案”叠加构成目标件的模型。具体工艺过程如下：某层粘结剂由打印喷头受上位机控制实现喷射打印，打印完一层后，成型平台下降一个层厚的距离，再利用送粉铺粉辊等装置铺平并压实形成新的单层粉末，进行下一层的打印，逐层打印叠加获得所需铸型。在打印过程中未被喷射粘结剂的地方为干粉，起支撑作用，且打印结束后，比较容易去除。仅用粘结剂粘接的零件强度较低，所以还须后处理加强其力学性能。
4.传统打印方法是采用具有不同热物性参数的多材料(普通硅砂、铬铁矿砂和锆英砂等)铺砂打印制造方法对壁厚悬殊大的复杂铸件进行分区域铺设和一体化调控，这种造型方法受限于自动化程度与砂料的互相融合污染，很难实现复杂形状的多区域铺砂的精确控制。本发明提出的冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷方法与装置，采用的是造价成本更低的单一硅砂原材料，通过不同的矩阵制冷装置赋予不同区域的砂型热物性参数，代替传统的利用多材料对其区域进行调控，同时采用辊轮压实与负压吸附装置一体化设计，增加了铺砂层的致密度和冷源介质的穿透力度，同时由于底部负压造成上层冷气对流传导增加了铸型的冷冻效率，提升了铸型性能。调控手段更加简洁有效、调控过程更加绿色环保，调控自动化水平更加智能，数字化集成水平更高，工程化应用前景更强。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置及其方法，该装置能够实现打印层的层间分区域制冷，在喷射了水基粘接剂的位置精确制冷，在未打印区域，相关制冷模块灵活调整温度；在铺砂层面，通过辊轮压实和成型平台底部抽负压一体化协同运行增加砂层致密度，同时由于负压导致型砂上部冷气向下对流传热，增加了制冷效率。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，其特征在于，包括机架、支撑板、矩阵集成式制冷装置、铺砂装置、成型平台和打印喷头，所述机架的一侧固定安装支撑板，所述支撑板上安装有升降导柱和电动缸，所述
电动缸的升降端固定安装矩阵集成式制冷装置，通过电动缸的推拉实现矩阵集成式制冷装置的升降；所述机架上设置导轨，所述导轨上安装铺砂装置，所述铺砂装置的两端分别连接辊轮和打印喷头用于压实铺砂层和喷射水基粘接剂，所述导轨上安装成型平台，所述成型平台由电机驱动在导轨上位移，所述机架周侧均匀布设有多个真空泵，所述真空泵通过导管与成型平台密封连接，通过对真空泵参数的调整可以对不同打印区域施加不同压力的负压吸附，实现铺砂层的紧实，同时提高上方冷气在型砂颗粒中的传输效率。
7.优选地，所述矩阵集成式制冷装置由压板和矩阵式排列的半导体制冷片组成，半导体制冷片固定安装在压板上，压板与升降导柱和电动缸连接，通过电动缸伸缩运动实现矩阵集成式制冷装置的移动。
8.优选地，所述成型平台包括承砂板、边框和底箱体，所述边框固定安装在承砂板的周侧，承砂板的底部固定连接底箱体，成型平台的底板上呈矩阵开设有多个微孔，所述底箱体的周侧通过导管与真空泵密封连接，所述承砂板上矩阵开设有多个微孔，微孔传递真空负压吸附型砂，所述承砂板上上设置致密纱网，所述成型平台通过升降丝杠安装在机架上所述成型平台的底板上设置致密纱网，用于避免铺好的型砂通过底部的微孔渗漏。
9.优选地，所述打印喷头通过丝杠连接在铺砂装置右侧以实现前后移动。铺砂装置左侧安装有辊轮，通过移动滚压实现铺砂层表面平整与紧实，同时通过与成型平台上的负压吸附装置一体化协同工作，进一步增加铺砂层的致密度。
10.一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷的方法，包括以下步骤：
11.s1、根据铸件类型选择合适的型砂，对铸型几何模型进行等厚分层切片处理，确定每层的二维切片信息；
12.s2、将型砂放入铺砂装置中，此时铺砂装置处于导轨的左侧，先在成型平台内铺设底砂，之后根据计算的铺砂厚度向右移动铺砂装置进行单层砂的铺设，在铺砂的同时，打开真空泵，通过负压吸附和辊轮滚压平整铺砂层并增加型砂致密度和砂层的平整度形成第一砂层；
13.s3、当铺砂装置沿导轨向右移动至右侧终点时，完成单层砂的铺砂作业，铺砂装置沿导轨向左侧运动，此时打印喷头根据本层二维切片信息喷射水基粘接剂，进行打印作业；
14.s4、打印喷头喷涂完一层型砂后，矩阵集成式制冷装置通过电动缸控制下降到第一砂层上方保持一定间距，输入端根据第一砂层打印图案所在位置打开矩阵集成式制冷装置对应位置的制冷片并设置制冷温度，实现打印图案快速分区域冷冻成型；
15.s5、成型平台的底板通过成型平台下方丝杠旋转下降一个层厚的距离，重复s2-s4继续打印多层直至完成预设铸型的打印作业
16.s6、取出冷冻砂型运送至砂型梯度制冷储存室进行低温调性，清理工作台。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、本发明通过增加矩阵集成式制冷装置实现打印层的分区域、高精度制冷，减少了能耗，实现绿色化、环境友好型的铸造过程。
19.2、本发明高度可控的冷却方式能够减少水作为粘接剂打印时的流动时间，实现对冷冻打印成形精度及性能的更好控制。
20.3、本发明通过辊轮压实与负压吸附装置一体化设计，增加了铺砂层的致密度，提升了铸型性能，同时由于底部负压造成上层冷气对流传导增加了铸型的冷冻效率。
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
22.图1是本发明的整体结构示意图。
23.图2是本发明中成型平台的结构示意图。
24.图3是本发明中辊轮的结构示意图。
25.图4是本发明中集成式制冷装置的矩阵式半导体制冷片排列结构示意图。
26.图5是本发明的制冷装置连接示意图。
27.附图标记说明：
28.1—支撑板；2—升降导柱；3—电动缸；
29.4—矩阵集成式制冷装置；5—铺砂装置；6—辊轮；
[0030][0031]
7—打印喷头；8—机架；9—真空泵；
[0032]
10—导轨；11—成型平台；12—电机；
[0033]
13—微孔；14—半导体制冷片。
具体实施方式
[0034]
实施例1
[0035]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，包括机架8、支撑板1、矩阵集成式制冷装置4、铺砂装置5、成型平台11和打印喷头7，所述机架8的一侧固定安装支撑板1，所述支撑板1上安装有升降导柱2和电动缸3，所述电动缸3的升降端固定安装矩阵集成式制冷装置4，通过电动缸3的推拉实现矩阵集成式制冷装置的升降；所述机架8上设置导轨10，所述导轨10上安装铺砂装置5，所述铺砂装置5的两端分别连接辊轮6和打印喷头7用于压实铺砂层和喷射水基粘接剂，所述导轨10上安装成型平台11，所述成型平台11由电机12驱动在导轨10上位移，所述机架8周侧均匀布设有多个真空泵9，所述真空泵9通过导管与成型平台11密封连接，通过对真空泵9参数的调整可以对不同打印区域施加不同压力的负压吸附，实现铺砂层的紧实，同时提高上方冷气在型砂颗粒中的传输效率。
[0036]
本实施例中，矩阵集成式制冷装置4由压板和矩阵式排列的半导体制冷片14组成，半导体制冷片14固定安装在压板上，压板与升降导柱2和电动缸3连接，通过电动缸3伸缩运动实现矩阵集成式制冷装置4的移动，升降导柱滑动连接支撑板1用于导向限位。
[0037]
本实施例中，成型平台11包括承砂板、边框和底箱体，所述边框固定安装在承砂板的周侧，承砂板的底部固定连接底箱体，成型平台11的底板上呈矩阵开设有多个微孔13，所述底箱体的周侧通过导管与真空泵密封连接，所述承砂板上矩阵开设有多个微孔13，所述承砂板上上设置致密纱网，所述成型平台11通过升降丝杠安装在机架8上，升降丝杠连接升降电机由电机驱动旋转从而控制成型平台11升降。
[0038]
本实施例中，所述打印喷头7通过丝杠连接在铺砂装置5右侧以实现前后移动。所述辊轮(6)固定安装在铺砂装置左侧，通过电机带动辊轮(6)旋转，铺砂装置(5)通过机架(8)上两侧导轨(10)带动辊轮(6)和打印喷头(7)左右移动实现铺砂、压实和打印。
[0039]
实施例2
[0040]
一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷的方法，包括以下步骤：
[0041]
s1、根据铸件类型选择合适的型砂，对铸型几何模型进行等厚分层切片处理，确定每层的二维切片信息；
[0042]
s2、将型砂放入铺砂装置5中，此时铺砂装置5处于导轨10的左侧，先在成型平台11内铺设5cm底砂，之后根据计算的铺砂厚度向右移动铺砂装置5进行单层砂的铺设铺砂厚度0.3～0.6mm，在铺砂的同时，打开真空泵9，调整吸附流量到10l/min～40l/min，通过负压吸附和辊轮滚压平整铺砂层并增加型砂致密度和砂层的平整度形成第一砂层；
[0043]
s3、当铺砂装置沿导轨10向右移动至右侧终点时，打印喷头7根据二维切片信息打印层图案喷射水基粘接剂；
[0044]
s4、打印喷头7喷涂完一层型砂后，矩阵集成式制冷装置4下降到第一砂层上方保持一定间距，根据第一砂层要求的制冷温度打开矩阵集成式制冷装置4对应位置的制冷片并设置制冷温度，制冷温度设置为-5℃～-40℃，进行打印图案的快速冷冻成形，停留5～15s，随后矩阵集成式制冷装置回升到初始位置；
[0045]
s5、成型平台11下降一个层厚的距离，重复s2-s4继续打印多层直至完成预设铸型的打印作业
[0046]
s6、取出冷冻砂型运送至砂型梯度制冷储存室进行低温调性，清理工作台。
[0047]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，其特征在于，包括机架(8)、支撑板(1)、矩阵集成式制冷装置(4)、铺砂装置(5)、成型平台(11)和打印喷头(7)，所述机架(8)的一侧固定安装支撑板(1)，所述支撑板(1)上安装有升降导柱(2)和电动缸(3)，所述电动缸(3)的升降端固定安装矩阵集成式制冷装置(4)；所述机架(8)上设置导轨(10)，所述导轨(10)上安装铺砂装置(5)，所述铺砂装置(5)的两端分别连接辊轮(6)和打印喷头(7)用于压实铺砂层和喷射水基粘接剂，所述导轨(10)上安装成型平台(11)，所述成型平台(11)由电机(12)驱动在导轨(10)上位移，所述机架(8)周侧均匀布设有多个真空泵(9)，所述真空泵(9)通过导管与成型平台(11)密封连接。2.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，其特征在于，所述矩阵集成式制冷装置(4)由压板和矩阵式排列的半导体制冷片(14)组成，半导体制冷片(14)固定安装在压板上，压板与升降导柱(2)和电动缸(3)连接，通过电动缸(3)伸缩运动实现矩阵集成式制冷装置(4)的移动。3.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，其特征在于，所述成型平台(11)包括承砂板、边框和底箱体，所述边框固定安装在承砂板的周侧，承砂板的底部固定连接底箱体，成型平台(11)的底板上呈矩阵开设有多个微孔(13)，所述底箱体的周侧通过导管与真空泵密封连接，所述承砂板上矩阵开设有多个微孔(13)，所述承砂板上上设置致密纱网，所述成型平台(11)通过升降丝杠安装在机架(8)上。4.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，其特征在于，所述打印喷头(7)通过丝杠连接在铺砂装置(5)右侧，利用电机带动丝杠转动实现打印喷头(7)的前后移动。5.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，其特征在于，所述辊轮(6)固定安装在铺砂装置左侧，通过电机带动辊轮(6)旋转，铺砂装置(5)通过机架(8)上两侧导轨(10)带动辊轮(6)和打印喷头(7)左右移动实现铺砂、压实和打印。6.一种利用权利要求1-5中任一权利要求所述的冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置进行冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据铸件类型选择合适的型砂，对铸型几何模型进行等厚分层切片处理，确定每层的二维切片信息；s2、将型砂放入铺砂装置(5)中，此时铺砂装置(5)处于导轨(10)的左侧，先在成型平台(11)内铺设底砂，之后根据计算的铺砂厚度向右移动铺砂装置(5)进行单层砂的铺设，在铺砂的同时，打开真空泵(9)，通过负压吸附和辊轮滚压平整铺砂层并增加型砂致密度和砂层的平整度形成第一砂层；s3、当铺砂装置沿导轨(10)向右移动至右侧终点时，完成单层砂的铺砂作业，铺砂装置沿导轨向左侧运动，此时打印喷头(7)根据本层二维切片信息喷射水基粘接剂，进行打印作业；s4、打印喷头(7)喷涂完一层型砂后，矩阵集成式制冷装置(4)通过电动缸(3)控制下降到第一砂层上方保持一定间距，输入端根据第一砂层打印图案所在位置打开矩阵集成式制冷装置(4)对应位置的制冷片并设置制冷温度，实现打印图案快速分区域冷冻成型；s5、成型平台(11)的底板通过成型平台(11)下方丝杠旋转下降一个层厚的距离，重复s2-s4继续打印多层直至完成预设铸型的打印作业
s6、取出冷冻砂型运送至砂型梯度制冷储存室进行低温调性，清理工作台。

技术总结
本发明提供了一种冷冻砂型增材制造矩阵分级制冷装置，包括支撑板、升降导柱、电动缸、集成式梯度制冷装置、铺砂装置、辊轮、打印喷头、机架、真空泵、导轨、成型平台和电机。该装置及方法以水为粘结剂，通过可视化、阵列式的调温界面，在打印前设置宽幅面分区域制冷策略，由上位机控制系统内集成的冷却装置，对水基粘接剂喷射区域进行精确及梯度制冷，实现砂型冷冻打印过程中各区域位置的精确控制与调节，提高砂型成形精度与力学性能，同时实现不同砂型区域具有差异化的热物性参数，对铸件精确凝固过程进行主动调控。通过辊轮压实与负压吸附一体化设计，能够增加型砂铺设时表面的平整度及内部的紧实度，提升铸型强度，实现高质量制造。实现高质量制造。实现高质量制造。


技术研发人员：杨浩秦 单忠德 房鑫亮 张学良 罗磊 梁校 董曦曦 廖万能
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/9