[发明专利]一种冷冻复合铸型3D打印成形方法及装置

说明书

本发明公开一种冷冻复合铸型3D打印成形方法及装置，属于增材制造与铸造技术交叉领域。该方法将铸造原砂经上料机分别送入混砂装置，一部分原砂与固化剂搅拌均匀，另一部分原砂则与制冷剂混合均匀。将两类型砂分别送入铺砂装置，在负压低温成形室中进行打印。控制系统控制铺砂装置根据打印砂型当前层截面信息，按需铺设两种型砂；并控制多粘结剂打印喷头，按需喷射树脂粘结剂或水基粘结剂。树脂粘结剂与预混固化剂的原砂接触后经交联反应固化型砂；水基粘结剂与预冷原砂接触后相变冻结固化型砂。层层按需铺砂，层层按需喷射粘结剂，最终完成砂型打印，并使砂型在低温成形室中充分固化。采用本方法制造的铸型具有绿色环保、形性可控等优点。

技术领域

本发明属于增材制造与铸造技术交叉领域，具体涉及一种冷冻复合铸型3D打印成形方法及装置。

背景技术

冷冻砂型铸造技术是一种用水做砂型铸造用粘结剂，在低温环境下冻结型砂成形砂型，经浇注熔体后获得铸件的铸造技术。冷冻砂型中熔体过冷度高，凝固过程中熔体温度梯度大，金属铸件经细晶强化，组织致密，力学性能好。砂型在高温熔体冲击下，自然溃散，浇注过程中无强烈刺激性气体产生。但单纯的冷冻砂型，在较高温度下的形性保持性较差，接触高温熔体部位型砂往往“一触即溃”，抗冲击性差，外表层型砂也常受冻结粘结剂的升华、融化现象影响，而影响基础性能和形状尺寸特征。

砂型3D打印是一种主要基于微滴喷射成形的快速成形技术。目前，砂型3D打印设备大都是基于树脂砂铸型的快速成形工艺设备，成形过程中涉及到了型砂的存放、供给、铺设、回收，树脂粘结剂的按需喷射等工序，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所需砂型。这种方式存在一些不足之处：

(1)树脂类粘结剂使用量大，这类材料一般为高分子有机物或者强腐蚀性化合物，易挥发出刺激性气味，对环境危害大；

(2)树脂砂型浇注后落砂困难，且废砂回收利用成本高；

(3)单一种类砂型其各部位物性参数基本相同，无法灵活调控砂型基础性能和浇注过程铸件凝固温度场

发明内容

针对目前冷冻砂型增材制造和铸造中所存在问题，本发明提出了一种冷冻复合铸型3D打印成形方法及装置，本发明能够解决增材制造砂型树脂类粘结剂使用量过大，污染严重且砂型性能调控困难的问题。

冷冻复合铸型3D打印成形方法是，首先使成形室处于低温负压或低温常压环境里，打印开始前将打印原砂分别与固化剂、制冷剂均匀混合，并将预混固化剂的原砂和预混制冷剂剂的原砂分别存放在两个或多个结构相同的铺砂装置中，铺砂装置具有多个开闭独立的铺砂槽，铺砂时控制系统根据砂型当前层的二维截面信息在需要树脂砂成形的地方由一个铺砂装置铺设预混了固化剂的原砂，在需要冷冻砂成形的地方由另一个铺砂装置铺设预混制冷剂的原砂，多粘结剂打印喷头同样在控制系统的控制下根据砂型当前层的二维截面信息按需喷射树脂粘结剂及水基粘结剂，层层按需铺砂，层层按需打印，完成砂型的制作。

为实现上述目的，本发明的冷冻复合铸型3D打印成形方法按以下步骤进行：

步骤1：开启调压装置，调压装置与成形室内压力调节器相连，将负压低温成形室压力调定到合适的压力状态；开启制冷装置，制冷装置与特制的制冷腔壁相联，通过逆热机循环将负压低温成形室温度调定至合适的低温状态；

步骤2：将原砂通过上料机上料，一部分原砂送入混砂装置中，与固化剂进行搅拌；其余原砂送入另一混砂装置中，与干冰或液氮等制冷剂混合预冷至所需温度；

步骤3：分别将两个混砂装置中的型砂送入两个相同的铺砂装置中，将工作台下移一段距离后控制铺砂装置铺设一层预冷原砂作为底砂，底砂铺设完后，铺砂装置移动回初始位置；

步骤4：工作台下移一个层厚，铺砂装置将在控制系统的控制下，根据当前层的砂型截面信息按需铺设预混固化剂型砂或预混制冷剂型砂；