一种冷冻砂型打印低温喷头气体随动扫描装置

1.本发明属于冷冻砂型3d打印技术领域，具体涉及一种冷冻砂型打印低温喷头气体随动扫描装置。


背景技术：

2.传统铸造方法需要依靠木模、金属模等来翻制砂型进行铸造，在小批量个性化产品的制造上，生产柔性差，制造周期长，资源浪费多。同时广泛应用于铸造行业的树脂，水玻璃等粘结剂又存在着毒性大，废弃物排放多，落砂溃散困难等问题。冷冻砂型3d打印技术以水的冻结来替代型砂中的硬化剂，生产清洁废弃物排放少；以逐层堆积材料的方式制造产品原型，其制造过程柔性高，生产周期短，材料利用率高。所以说冷冻砂型3d打印技术兼具铸造技术优势与成形技术优势，符合制造业绿色发展要求。
3.在实践冷冻砂型3d打印技术的过程中，我们发现在逐层扫描过程中充当硬化剂的水冻结效果并不理想。依靠含水型砂颗粒在打印过程的低温环境自然冻结得到的砂型强度较差，在浇注阶段产生熔融金属还未固定而冷冻砂型就提前溃散的现象，严重影响铸件的成形质量。故如何及时强化充当硬化剂的水的冻结，是当前冷冻砂型3d打印技术急需解决的重要问题。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种冷冻砂型打印低温喷头气体随动扫描装置；该装置可以随打印喷头一起移动，在打印喷头喷射出微小水滴在一层型砂上时，及时有效地将水滴冻结，通过降低水滴冻结时的环境温度来增强打印砂型的整体强度，有效防止冷冻打印砂型在浇注时提前溃散，提高铸件的性能。
5.为实现上述装置的功能，一种冷冻砂型打印低温喷头气体随动扫描装置，包括打印喷头、安装打印喷头的机架、气体喷头及其固定支架、送气管和高压氮气提供装置；所述气体喷头上端设置有直进气管用以连接固定支架；所述直进气管内设置气流通道用以输送气体；直进气管上设置有气管接头，气管接头与送气管连接；所述高压氮气提供装置包括氮气罐、设于所述氮气罐出口处的高压阀，以及设置在连接所述氮气罐和气体喷头管路之间的过滤器；所述气体喷头内设置有与气流通道相通的氮气容纳腔；所述气体喷头下端均匀分布多个喷口，所述喷口通过喷气通道与氮气容纳腔相通。
6.本发明进一步改进在于：所述喷头设置为扁平结构，截面为矩形，内部从上到下设置气流通道、氮气容纳腔和喷气通道且依次连通。
7.本发明进一步改进在于：所述喷头下端均匀排列分布喷口，且喷口形状设置为椭圆形，每个所述喷口的尺寸相同；喷口的外形为椭圆形，与圆形喷口相比，在当量直径相同的情况下，椭圆形的喷口更容易使低气体流动方式为层流，保证喷口出气流稳定，使打印表面均匀降温。
8.本发明进一步改进在于：所述喷气通道的宽度从上到下逐渐变窄; 通过气体节流
效应产生冷却作用，使喷出的气体温度降低。
9.本发明进一步改进在于：所述气管接头与送气管通过内外螺纹配合连接，且在连接处设置有密封垫片；采用密封垫片，保证气密性。
10.本发明进一步改进在于：所述高压阀是电气比例阀，可以通过电压或者电流信号控制阀门的气体流量和压力。
11.本发明进一步改进在于：所述喷头通过固定支架固定在打印喷头附近或机架上。
12.本发明进一步改进在于：所述固定支架是具有多个活动关节的连杆状支架，活动关节为球接或铰接，并且依靠关节摩擦力实现姿态固定。
13.本发明进一步改进在于：所述喷口处的低温氮气温度不应超过-50℃，所述低温氮气的气流压力为300-500kpa。
14.本发明的工作原理是：1、本发明的气体喷头通过固定支架固定在机架上，在打印前调节固定支架使气体喷头正对扫描区域。在计算机的控制下打开氮气罐处的高压阀，并可调节供气的气压和流量大小，直到喷口出气流的应力在300-500kpa且温度不高于-50℃时，开始冷冻砂型的打印。
15.2、本发明依靠直进气管上设置的气管接头通过螺纹连接送气管，使氮气罐8中的高压低温氮气经过滤器由送气管进入气体喷头，再从喷口喷出，为扫描打印区域降温；氮气容纳腔中的高压氮气经过多个喷气通道喷到喷头外部，氮气急速膨胀温度下降。
16.本发明的有益效果是：1、用于解决现有技术中水滴固化不及时不充分、冷冻打印出的砂型强度不高、冷冻打印砂型浇注时过早溃散等问题。
17.2、本设计采用低温氮气降温砂型，可极大的减轻对环境的污染；可通过控制阀有效调节喷出气体的流量和压力，使用的固定装置可灵活调整气体喷头的位置和姿态，结构简单，操作方便实用；3、本装置随打印喷头随扫随吹，及时有效地对扫描区域进行降温冷冻，有效解决冷冻打印砂型强度不够的问题。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图。
19.图2为本发明气体喷头的主视剖视图。
20.图3为本发明气体喷头的仰视图。
21.图中，1-打印喷头、2-机架、3固定支架、4-气体喷头、5-过滤器、6-送气管、7-高压阀、8-氮气罐、9-喷气通道、10-氮气容纳腔、11-气流通道、12-直进气管、13-气管接头、14-密封垫片、15-喷口。
具体实施方式
22.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。
23.如图1、图2和图3所示，本实施例的一种冷冻砂型打印低温喷头气体随动扫描装置，包括打印喷头1、安装打印喷头1的机架2、气体喷头4及其固定支架3、送气管6和高压氮气提供装置；所述气体喷头上端设置有直进气管12用以连接固定支架3；所述直进气管12内设置气流通道11用以输送气体；直进气管12上设置有气管接头13，气管接头13与送气管6连接；所述高压氮气提供装置包括氮气罐8、设于所述氮气罐8出口处的高压阀7，以及设置在连接所述氮气罐8和气体喷头4管路之间的过滤器5；所述气体喷头内设置有与气流通道9相通的氮气容纳腔10；所述气体喷头4下端均匀分布多个喷口15，所述喷口15通过喷气通道9与氮气容纳腔10相通。
24.本发明采用的气体喷头4设置为扁平结构，截面为矩形且喷口15位置按纵横方向排列。冷冻砂型的打印喷头1由于其本身的形状结构，一般的圆形截面气体喷头在与打印喷头1配合工作时，距离过近会产生干涉，距离过远降温效果会变差。且一般气体喷头的喷口分布按圆周方向排列，在待降温表面上低温气体分布不均匀。本发明采用的扁平结构气体喷头4，喷头的长度与打印喷头1的长度尺寸相当，吹出的等温氮气很好的覆盖打印喷头1扫描过的区域。本发明设计的喷口15位置按纵横方向排列，可以稳定均匀地吹出低温氮气。无论从防碰撞干涉角度还是降温效果上来说都是喷口纵横排列、结构扁平的喷头更好。
25.本发明设计的气体喷头4内部从上到下设置气流通道11、氮气容纳腔10和喷气通道9且依次连通。依靠直进气管12上设置的气管接头13通过螺纹连接送气管6，使氮气罐8中的高压低温氮气经过滤器5由送气管6进入气体喷头4，再从喷口15喷出，为扫描打印区域降温。优选地，应在可能漏气的部位如直进气管12与送气管6连接处采用密封垫片14，保证气密性。
26.需要说明的是，所述气体喷头4内部喷气通道9和氮气容纳腔10的设计运用了气体节流效应。氮气容纳腔10中的高压氮气经过多个喷气通道9喷到喷头外部，氮气急速膨胀温度下降。通过气体节流冷效应实现扫描区域中的水滴快速冻结。除此之外也可用直接采用液氮进行降温。
27.本发明的喷口15外形为椭圆形，与圆形喷口相比，在当量直径相同的情况下，椭圆形的喷口15更容易使低气体流动方式为层流，保证喷口15出气流稳定，使打印表面均匀降温。
28.本发明的气体喷头4通过固定支架3固定在机架2上，在打印前调节固定支架3使气体喷头4正对扫描区域。在计算机的控制下打开氮气罐处的高压阀7，并可调节供气的气压和流量大小，直到喷口15出气流的应力在300-500kpa且温度不高于-50℃时，开始冷冻砂型的打印。
29.本发明的喷头气体扫描装置吹出低温氮气与打印喷头1喷出微滴一起进行，实现随动扫描，吹出的低温氮气适用于冷冻砂型打印过程的降温要求，增强冷冻打印砂型的整体强度，极大减轻造型过程对环境的污染。
30.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。