一种3D打印粘土型砂铸型的装置
技术领域
本实用新型属于铸造技术领域，涉及一种3D打印粘土型砂铸型的装置。
背景技术
目前，在现有技术中，基于3D打印（分层制造技术）快速制造铸型的常用方法，基本都是通过喷射树脂粘结剂和固化剂，然后将型砂粘结在一起，形成树脂砂铸型。
这种树脂砂铸型分层制造的具体方法，是将被加工对象分解为多个平行的薄层，将这些薄层逐层制造并叠加从而完成整个铸型的制造过程。常用的制造方法主要有以下两种：一种是用激光对树脂覆膜砂进行选择性烧结。采用的基本方法是：在工作台上铺一层树脂覆膜砂，并加热至略低于树脂膜熔点温度，然后使用激光束按照薄层形状进行扫描。被扫描到的覆膜砂表层树脂膜先熔化后凝固后将覆膜砂粘接成一体，从而形成与扫描形状一致的薄层实体。然后在该实体上方再铺一层覆膜砂，厚度与薄层厚度一致，再进行下一层薄层的激光选择性烧结。新形成的薄层与之前的薄层也是通过烧结过程粘结成一体，通过薄层逐层的制造直至完成整个树脂砂铸型的制造。该方法的缺点是树脂砂铸型发气量大，制造成本高，制造效率低，铸件清理去砂难度高，且树脂会对环境造成固体和气体污染。
另一种是采用喷头对覆有树脂或固化剂的型砂喷射固化剂或树脂后选择性固化成形。其基本方法是：在工作台上铺一层覆有树脂或固化剂的型砂，使用喷头按照薄层形状在型砂表面喷射固化剂或树脂，被喷射到的型砂发生固化反应后粘接成一体，从而形成与扫描形状一致的薄层实体。然后在该实体上方再铺一层覆有树脂或固化剂的型砂，其厚度与薄层厚度一致，再进行下一层薄层的选择性喷射成形，新形成的薄层与之前的薄层也是通过固化作用粘结成一体，通过薄层逐层的制造直至完成整个树脂砂铸型的制造。该方法的缺点是树脂砂铸型发气量大，原材料成本高，铸件清理去砂难度高，且树脂会对环境造成固体和气体污染。
由于以上方法使用树脂进行铸型的制造，存在原材料成本高，溃散性差和铸件不易清理等问题，而且对于表面质量要求较高的铸件，往往要求制造铸型过程使用更为细小的型砂，需要加入更多的树脂，制造的细砂铸型树脂含量高，不但进一步增加了铸件清理的难度，而且这种铸型透气性差，内部的树脂会分解产生更多的气体，这些气体进入液态金属形成气孔缺陷，铸件因气孔缺陷报废问题十分突出。
粘土型砂铸型目前通过模具制作的方法制造，存在发气量小和原材料成本低的优点，采用细砂制造表面质量高的铸型，能保持低透气性和低发气量的特点，降低铸件中出现气孔的可能性。通过模具制造粘土型砂铸型的方法需要将型砂、粘土和水等混合后固化成形。目前已公开的树脂砂3D打印设备仅仅针对树脂砂铸型，固化手段采用树脂和固化剂，而不是粘土和水。采用树脂砂3D打印设备，将树脂和固化剂更换成粘土和水来打印粘土型砂铸型，不能满足正常的固化过程，所打印的铸型强度会很低，而且除设备的不足以外，还缺少粘土型砂铸型3D打印成形方法。
实用新型内容
针对3D打印树脂砂铸型所存在的问题，本实用新型目的在于提出一种3D打印粘土型砂铸型的装置。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下所述技术方案：
一种3D打印粘土型砂铸型的装置，包括：计算机及控制系统、成形系统、铺粉系统、粘土型砂铸型；计算机及控制系统分别与成形系统和铺粉系统相连接，成形系统设置在铺粉系统上部，成形系统能够沿着铺粉系统的铺粉方向移动，粘土型砂铸型设置在铺粉系统中部。
所述成形系统包括：溶液喷射系统、溶液喷射系统移动装置、烘干系统和成形系统移动装置；溶液喷射系统内部填充有水溶液，溶液喷射系统与溶液喷射系统移动装置相连接，两个烘干系统安装在溶液喷射系统的两边，溶液喷射系统、溶液喷射系统移动装置和烘干系统均与成形系统移动装置相连接。
所述铺粉系统包括：成形区底板升降装置、成形区底板、粉末、补粉区底板升降装置、补粉区底板和铺粉装置；粉末位于成形区底板和补粉区底板上方，成形区底板升降装置与成形区底板相连接，补粉区底板升降装置与补粉区底板相连接，铺粉装置安装在溶液喷射系统和烘干系统之间，并与成形系统移动装置相连接。
3D打印粘土型砂铸型的方法：将制造粘土型砂铸型用的粉末装入设备的铺粉系统备用，粉末可以是在型砂表面覆一层粘土膜后烘干制成的覆膜砂粉末，也可以是型砂和粘土混合后制成的混合式粉末。将需要制造的铸型信息模型进行计算机切面分层处理。用设备中的铺粉系统，先在工作台上铺一层粉末，然后计算机根据铸型切面形状数据信息，驱动设备的喷射系统喷射水或者水溶剂，在此过程中，设备的烘干系统进行粉末层表面的快速烘干，在喷水或水溶液的区域，形成铸型模型的第一层；完成第一层成形后，工作台下降一个层高，再进行第二层的铺粉、喷射。重复上述步骤，直至最终完成全部切片层。将整个堆叠体取出并去除没有固化的粉末后，进行加热固化、脱水，就得到所需铸型。
本实用新型采用以上所述的技术方案可达到如下有益效果：
1、与3D打印的树脂砂铸型相比，制成的粘土型砂铸型去除了粘结剂中的水分、挥发物等发气物质，从而在浇注液态金属的过程中不再产生气体，避免了铸件产生气孔的可能性，显著提高复杂铸件的成品率；
2、与3D打印的树脂砂铸型相比，粘土型砂铸型使用粘土作为粘结剂，使用水作为分散介质，对人体无害，绿色环保；
3、与3D打印的树脂砂铸型相比，粘土型砂铸型的粘结剂所用的原材料粘土，材料价格低廉，能够降低生产成本；
4、与3D打印的树脂砂铸型相比，粘土型砂铸型为采用细砂制成的粘土砂细砂砂型，兼具表面质量高和铸型发气量低的特点；
5、与3D打印的树脂砂铸型相比，粘土型砂铸型溃散性好，铸件易清砂；
6、进行小批量制造时，与通过模具制作的方法制造粘土型砂铸型的方法相比，3D打印粘土型砂铸型无需模具，因此制造周期短，成本低；
7、进行小批量制造时，与通过模具制作的方法制造粘土型砂铸型的方法相比，3D打印粘土型砂铸型精度高，没有拔模斜度，设计过程分模数量少，可实现多个铸型的整体成形。
附图说明
图1是本实用新型一种3D打印粘土型砂铸型的装置的工作状态结构示意图；
图2是本实用新型一种3D打印粘土型砂铸型的装置的俯视结构示意图；
图3是图2的A-A剖面结构示意图。
图中：1、计算机及控制系统；2、成形系统； 2-1溶液喷射系统；2-2、溶液喷射系统移动装置；2-3、烘干系统；2-4、成形系统移动装置；3、铺粉系统；3-1、成形区底板升降装置；3-2、成形区底板；3-3、粉末；3-4、补粉区底板升降装置；3-5、补粉区底板；3-6铺粉装置；4、粘土型砂铸型。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1~3所示，一种3D打印粘土型砂铸型的装置，包括：计算机及控制系统1、成形系统2、铺粉系统3、粘土型砂铸型4；计算机及控制系统1分别与成形系统2和铺粉系统3相连接，成形系统2设置在铺粉系统3上部，粘土型砂铸型4设置在铺粉系统3中部。
所述成形系统2包括：溶液喷射系统2-1、溶液喷射系统移动装置2-2、烘干系统2-3和成形系统移动装置2-4；溶液喷射系统2-1内部填充有水或水溶液，溶液喷射系统2-1与溶液喷射系统移动装置2-2相连接，两个烘干系统2-3安装在溶液喷射系统2-1的两边，溶液喷射系统2-1、溶液喷射系统移动装置2-2和烘干系统2-3均与成形系统移动装置2-4相连接。
所述铺粉系统3包括：成形区底板升降装置3-1、成形区底板3-2、粉末3-3、补粉区底板升降装置3-4、补粉区底板3-5和铺粉装置3-6；粉末3-3位于成形区底板3-2和补粉区底板3-5上方，成形区底板升降装置3-1与成形区底板3-2相连接，补粉区底板升降装置3-4与补粉区底板3-5相连接，铺粉装置3-6安装在溶液喷射系统2-1和烘干系统2-3之间，并与成形系统移动装置2-4相连接，优选的，铺粉装置3-6可以使用铺粉辊或者刮片。
3D打印粘土型砂铸型的方法：将制造粘土型砂铸型4用的粉末3-3装入设备中的铺粉系统3备用，粉末3-3可以是在型砂表面覆盖一层粘土膜后烘干制成的覆膜砂粉末，也可以是型砂和粘土混合后制成的混合式粉末。将需要制造的铸型信息模型进行计算机切面分层处理。用设备中的铺粉系统3，先在工作台上铺一层粉末3-3，然后计算机及控制系统1根据铸型切面形状数据信息，驱动设备中的溶液喷射系统2-1喷射水或者水溶液，在此过程中，设备中的烘干系统2-3进行粉末层表面的快速烘干，在喷水或水溶液的区域，形成粘土型砂铸型4模型的第一层；完成第一层成形后，工作台下降一个层高，再进行第二层的铺粉、喷射。重复上述步骤，直至最终完成全部切片层。将整个堆叠体取出并去除没有固化的粉末后，进行加热固化、脱水，就得到所需铸型。具体步骤如下：
步骤1：底部铺底粉。首先通过计算机及控制系统1控制成形区底板升降装置3-1，将成形区底板3-2升至顶部，成形区底板3-2的顶部位于铺粉装置3-6底部的下方，然后将成形区底板3-2下移5mm以上，位于铺粉系统3一端的补粉区底板3-5在补粉区升降装置3-4作用下上移一定高度后，铺粉装置3-6在成形系统移动装置2-4的带动下向另一端移动，将补粉区底板3-5上方多余的粉末3-3铺到成形区底板3-2上方，补粉区域底板3-5上移的高度要保证铺粉装置3-6能够将补粉区底板3-5和成形区底板3-2上方的粉末3-3铺成一个平面；
步骤2：铺单层粉末。成形区底板3-2下移0.2~2mm ，采用与步骤1相同的方法，用铺粉装置3-6将成形区底板3-2和补粉区底板3-5上方的粉末3-3铺成一个平面，优选的，粉末粉末3-3层厚度0.2~1mm；
步骤3：单层的成形。在计算机及控制系统1的控制下，溶液喷射系统移动装置2-2和成形系统移动装置2-4分别沿着前后方向和左右方向移动，由溶液喷射系统2-1按照粘土型砂铸型4该层切面形状数据信息向铸型区域喷射水或者水溶液，粉末3-3在水或者水溶液的固化作用下成形；
步骤4：单层的强化。烘干系统2-3快速烘干粉末3-3表面，粉末3-3在水或者水溶液的固化过程中粘接成一体，在烘干作用的强化下形成第一个单层；该步骤的烘干系统能够将溶液喷射系统移动装置2-2所喷射的水或者水溶液及时烘干，而且能够提高成形后铸型的强度，而传统的树脂砂铸型3D打印成形过程不需要进行树脂的烘干；
步骤5：多层的制造。重复步骤2至步骤4，进行下一层的铺粉、喷射水或者水溶液固化成形、进行单层的烘干强化，直至最终完成堆叠，形成成形后的粘土型砂铸型4；
步骤6：将成形后的粘土型砂铸型4取出，去除没有固化的粉末3-3，去除的粉末3-3可以重复使用，将成形后的粘土型砂铸型4放在烘箱中进行进一步的加热固化、脱水，就得到所需铸型，优选的加热温度可设置为110℃。
3D打印粘土型砂铸型的方法，所述粉末3-3为铸造用耐火型砂的覆盖粘土粉末或者铸造用耐火型砂与粘土的机械混合粉末。铸造用耐火型砂为石英砂、陶粒砂、铬铁矿砂或橄榄石砂等，优选的型砂粒度为70/140目。
3D打印粘土型砂铸型的方法，所述喷射系统喷射所用的液体为水或以水为主的溶液。
以上技术方案能够直接打印出粘土型砂铸型，使用粘土和水溶液为原材料，使用烘干系统进行烘干水分实现固化成形和铸型强化，与背景技术里3D打印树脂砂铸型的方法相比，制作的粘土型砂铸型存在发气量小和原材料成本低的优点，采用细砂制造高表面质量铸型的过程，能保持低透气性和低发气量的特点，降低铸件中出现气孔的可能性。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的思路启示之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利保护范围之内。
