一种适用于铸造生产线的大型砂型3DP砂型打印设备及工艺的制作方法

本发明属于铸造增材制造与自动化生产线集成，具体涉及一种集3dp砂型打印、埋箱、涂刷、浇注、除砂一体化的大型砂型铸造全流程工艺中的大型砂型3dp砂型打印设备，适用于工程机械、机床、航空航天、重型装备等大型复杂铸件的连续化、自动化、规模化生产。

背景技术：

1、砂型3d打印（3dp）技术是增材制造技术与传统铸造工艺深度融合的重要产物，近年来在全球范围内获得了快速发展。该技术通过逐层堆积粘结剂与型砂材料实现砂型的数字化无模成形，无需模具设计与制造即可直接完成复杂砂型的快速制备。与传统砂型铸造相比，3dp砂型打印技术显著提升了铸件的设计自由度与材料利用率，大幅缩短了产品开发周期，同时改善了铸造生产环境、降低了气固液排放，已在汽车工业、航空航天、国防军工、工程机械等领域获得日益广泛的工业应用。随着大型铸件制造需求的持续增长以及增材制造装备能力的不断提升，砂型3d打印技术正从中小型铸件试制向大型复杂铸件的规模化生产方向拓展，大型砂型3d打印设备及与之配套的智能化产线成为行业发展的重点方向。然而，现有大型砂型3dp打印设备在实际应用中仍面临诸多技术挑战，具体体现在以下方面。

2、大型铸件传统制造依赖模具造型、制芯、合箱、埋箱、涂刷、浇注、落砂清理等工序，工序分散、人工依赖度高、周期长、精度一致性差。

3、现有3dp砂型打印技术虽可实现无模快速成型，但普遍存在以下问题：

4、1.3dp打印设备为独立单机，与埋箱、涂刷、浇注、除砂等铸造工序物理割裂，无法形成连续生产线；

5、2.大型砂型多为分块打印，后进行配箱埋箱，转运困难，易磕碰破损，转运时间长，制约生产节拍，增加生产成本；

6、3.浇注后除砂困难，旧砂无法在线回收循环，材料利用率低；

7、目前公开技术多聚焦3dp打印本身，极少公开覆盖3d打印→埋箱→涂刷→浇注→除砂全流程的一体化工艺与产线布局，无法满足大型铸件高效、稳定、绿色铸造需求。

技术实现思路

1、为解决上述背景中的问题，故提出适用于大型砂型3dp砂型打印设备及工艺，该设备打印砂型采用地坑造型，造型完成后原地进行后续铸铁浇铸流程，不需要对砂型进行转运等一系列操作，可以将3dp砂型打印与铸造流程联系到一起，不仅降低生产成本，还能消除砂型转运过程中磕碰所造成的损伤，提高生产效率，节约生产时间。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种适用于铸造生产线的大型砂型3dp砂型打印设备，包括：

4、地轨、横梁、铺砂器滑座、打印头滑座、铺砂器滑枕、打印头滑枕、铺砂器、打印头横梁、打印单元、刮砂板清洁站、打印头清洁站、加砂站、氮气平衡系统、铺砂器横梁以及供砂系统；

5、所述横梁安装于所述地轨上，所述横梁包括一组所述打印头横梁和两组所述铺砂器横梁，所述打印头横梁和所述铺砂器横梁均采用箱中箱结构，所述横梁设置有凸起结构，所述凸起结构用于在安装时通过精修调整所述横梁的水平度；

6、所述铺砂器滑枕通过齿轮齿条与所述横梁连接，所述铺砂器滑座安装于所述铺砂器滑枕上，所述铺砂器安装于所述铺砂器滑座上；

7、所述打印头滑枕通过齿轮齿条与所述横梁连接，所述打印头滑座安装于所述打印头滑枕上，所述打印单元安装于所述打印头滑座上；

8、所述氮气平衡系统分别与所述铺砂器滑枕和所述打印头滑枕连接；

9、所述刮砂板清洁站、所述打印头清洁站及所述加砂站分别固定于所述3dp砂型打印设备的两端；

10、所述地轨用于承载所述横梁并带动所述3dp砂型打印设备在多个地坑之间移动。

11、进一步地，所述加砂站通过焊接和螺母固定方式固定于所述3dp砂型打印设备的一端，所述刮砂板清洁站和所述打印头清洁站通过焊接和螺母固定方式固定于所述3dp砂型打印设备的另一端。

12、进一步地，所述打印单元包括墨盒，所述墨盒配置有自动加料模块、自动供料模块、自动过滤模块和废液回收模块。

13、所述氮气平衡系统设置为在所述铺砂器滑枕和所述打印头滑枕沿z轴方向运动时提供平衡气压力。

14、进一步地，所述刮砂板清洁站包括清洁执行机构，所述清洁执行机构用于对所述铺砂器的刮砂板进行清洁；所述打印头清洁站包括清洁执行机构，所述清洁执行机构用于对所述打印单元的打印头进行清洁和保湿。

15、本发明还包括一种适用于铸造生产线的大型砂型3dp砂型打印工艺，采用上述任一项所述的适用于铸造生产线的大型砂型3dp砂型打印设备，步骤如下：

16、s1：通过所述加砂站对砂箱进行进出料控制、到位锁紧控制和所述铺砂器的加砂控制，当所述铺砂器的砂量达到设定位置时，所述加砂站停止运行；

17、s2：通过所述刮砂板清洁站对所述铺砂器的刮砂板进行清洁；

18、s3：所述铺砂器沿所述横梁移动并执行铺砂操作，所述铺砂器每运行一个行程，所述刮砂板清洁站执行一次清洁任务；

19、s4：当所述铺砂器运行出干涉区后，所述打印单元开始打印操作；

20、s5：在所述打印单元完成一个打印循环后，所述打印头清洁站执行清洁程序，对所述打印单元的打印头进行清洁；

21、s6：所述铺砂器和所述打印头通过z轴方向滑枕控制单层打印厚度，重复执行铺砂和打印操作直至完成砂型打印。

22、进一步地，所述步骤s1中通过所述加砂站对所述铺砂器进行加砂控制，具体包括：

23、s11：测距传感器检测所述铺砂器的料位并转化为电信号传输至数控系统；

24、s12：当所述铺砂器到达加砂位置且所述测距传感器3检测到料位为最大距离时，所述数控系统发送指令，中间料仓的搅拌器工作，所述中间料仓的气缸动作打开下料阀，开始向所述铺砂器加料；

25、s13：当所述铺砂器的料位达到高料位时，所述测距传感器3检测到高料位并反馈至所述数控系统，所述数控系统发送指令，所述中间料仓的搅拌器停止工作，所述气缸动作关闭所述下料阀，完成加料。

26、进一步地，所述步骤s3中的铺砂操作具体包括：

27、s31：所述数控系统执行打印程序并发送指令，所述铺砂器从待料位向换向位运动，同时振动器开始工作；

28、s32：当所述铺砂器从所述待料位运动到所述换向位时，一次铺砂行程完成，所述振动器停止工作；

29、s33：所述铺砂器反向从所述换向位向所述待料位运动，同时所述振动器开始工作，到达所述待料位时铺砂完成；

30、s34：所述铺砂器在每完成两个往复循环后，从所述待料位到达清洁位，对刮砂板进行清洁，清洁完成后返回所述待料位；

31、s35：所述铺砂器每次到达所述待料位时，所述测距传感器检测所述铺砂器的料位，当料位低于设定值时，由所述中间料仓进行补料。

32、进一步地，所述步骤s4中的打印操作具体包括：

33、s41：打印前，所述打印单元的打印头到达零位，自动清洗打印头；

34、s42：当所述铺砂器运行出干涉区后，所述打印头从零位开始沿x轴方向运动，同时执行喷墨打印；

35、s43：当所述打印头沿x轴运行到位后，沿y轴运动到中间位，再沿x轴反向运动到位后，沿y轴运动到换向位，再沿x轴运动到达待料换向位，完成单层铺砂面的正向打印；

36、s44：当所述铺砂器执行反向铺砂且离开所述打印头的干涉区后，所述打印头从所述待料换向位向零位方向反向运动，同时执行喷墨打印；

37、s45：所述打印头完成正向打印和反向打印后为一个打印循环，所述打印头在每完成一个打印循环后进行清洗。

38、进一步地，所述步骤s11至s13中的中间料仓的加砂控制，具体包括：

39、s111：测距传感器2检测所述中间料仓的料位并转化为电信号传输至所述数控系统；

40、s112：当所述测距传感器2检测到料位为最大距离时，所述数控系统控制设备料仓执行加砂程序，所述设备料仓的电动蝶阀打开，振动器工作，所述中间料仓的螺旋送料器工作，将物料输送至所述中间料仓的各部位；

41、s113：当所述测距传感器2检测到料位达到最小距离时，反馈至所述数控系统，所述数控系统控制所述振动器停止工作、所述电动蝶阀关闭，完成所述中间料仓加料；

42、s114：在所述中间料仓加料过程中，当所述设备料仓检测到物料状态时，所述中间料仓停止加料，待所述设备料仓加料完成后重新执行所述中间料仓加料程序。

43、本发明的有益效果：

44、与现有技术相比，本发明所述的适用于铸造生产线的大型砂型3dp砂型打印设备及工艺具有以下技术特点和有益效果：

45、1.本发明通过采用地轨承载横梁并带动打印设备在多个地坑之间移动，使砂型打印完成后设备可直接移出打印位置，砂型原地停留进行后续清砂、涂刷及浇铸操作，实现了大型砂型3d打印设备与铸造浇铸全流程的物理衔接与工序贯通，消除了常规大型砂型打印后需转运至浇铸工位所带来的转运成本和磕碰破损风险，提高了生产效率和铸件成品率；

46、2.本发明通过采用由一组打印头横梁和两组铺砂器横梁构成的三组箱中箱结构，并在横梁上设置用于在安装时通过精修调整水平度的凸起结构，有效应对了大型设备长行程工况下横梁因自重及应力产生的下弯变形问题，保证了铺砂器和打印头沿横梁移动的直线度与水平度，为大型砂型的高精度打印提供了结构基础；

47、3.本发明通过在铺砂器滑枕和打印头滑枕上分别设置氮气平衡系统，在铺砂器及打印头沿z轴方向运动时提供平衡气压力，抵消了大型铺砂器和打印头因自重产生的z向载荷，保证了铺砂厚度的一致性和打印喷墨的精确性，提高了大型砂型的成型质量；

48、4.本发明通过在设备两端分别设置刮砂板清洁站和打印头清洁站，铺砂器每运行一个行程后刮砂板清洁站即自动执行一次清洁任务，打印头每完成一个打印循环后打印头清洁站即自动执行清洁和保湿程序，使大型砂型逐层打印过程中刮砂板和打印头始终保持清洁状态，避免了因刮砂板附着物堆积导致的铺砂不平整以及因打印头堵塞导致的喷墨缺陷，提高了设备的运行可靠性和打印成品率；

49、5.本发明通过加砂站的测距传感器与数控系统配合实现设备料仓、中间料仓和铺砂器三级自动加砂控制，中间料仓作为缓存环节在设备料仓与铺砂器之间形成物料缓冲，当铺砂器到达加砂位置时由中间料仓快速补料，当中间料仓缺料时由设备料仓向其补料，实现了大型砂型连续打印过程中铺砂器的在线自动供砂，保障了长时间、大砂量打印作业的供砂连续性和稳定性；

50、6.本发明采用地坑内直接打印成型的方式，砂型在打印位置原地完成硬化后即可在原位进行清砂、涂刷和浇铸操作，无需对大型砂型进行配箱和转运，使大型复杂铸件的砂型实现了整体一次成型，消除了常规大型铸件砂型分块打印后配箱过程中产生的配合误差和缺陷，提升了大型铸件的尺寸精度和内部质量一致性。