【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于砂型3d打印，具体涉及多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法。
技术介绍
1、砂型3d打印技术基于微滴喷射原理，逐层铺设预混固化剂的型砂颗粒，采用高分辨率的工业喷头在砂面上选择性喷射树脂粘接剂进行逐层增材制造，在砂型部分进行喷墨，利用树脂与固化剂之间的交联反应，将型砂颗粒很好的粘接起来，直至制备出完整的砂型。该技术省去了传统砂型制造木模/金属模等模样的翻制环节，缩短新产品研制的交付周期，易于在铸型设计中将型芯和浇注系统集成在一块，减少分模次数，能够快速生产具有复杂内部几何结构的零件。
2、砂型打印完成后如果直接进行浇注，最后凝固的部位容易产生缩松、缩孔等缺陷，影响铸件质量。为了实现铸件的定向凝固，现阶段的砂型打印技术中主要有两种技术手段：(1)在打印砂型表面预留收容腔镶装冷铁。冷铁可以有效加快铸件局部的冷却速度，保证铸件的成形质量。但由于3d打印一体成形的限制，冷铁往往只能作为外冷铁镶装在砂型外表面上，而无法安装在型腔内部，对打印砂型的调控能力有限。同时冷铁在长时间使用后表面会变粗糙，甚至会有熔化的金属附在表面，致使冷铁的形状发生一定改变，不能很好的嵌入收容腔中。在专利cn114210944b带冷铁的铸造砂型的复合3d打印制备方法及铸造砂型中提出了一种复合砂型的打印方法，该方法在砂型表面预留的型腔中填入铬铁矿砂并固化，固化的铬铁矿砂起与冷铁相同的调控作用，但这部分起调控作用的组分依旧只存在于砂型表面。(2)在打印砂型中引入其他材料的型砂颗粒起调控凝固速率的作用。近年来兴起的多材料砂型打印技术通过铺设含
3、故提出一种全新的多材料砂型打印方法，在砂型内部随形添加铬铁矿砂等材料调节砂型热物性能，在砂型表面随形镶装冷铁调节凝固速率，高效控制铸件凝固顺序，并结合大数据等新兴技术优化多材料砂型设计、冷铁位置设计等工艺过程，能够进一步提高现阶段砂型打印技术的数字化、智能化水平，对推广砂型打印在高端复杂零件上的进一步验证具有重要的意义。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术公开了多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，使用铸造性能调控专家库、砂型设计专家库和砂型打印工艺参数专家库，借助计算机程序系统的手段高效智能设计多材料砂型及冷铁位置，精准调控喷墨过程。本专利技术提出的成形方法制备出的砂型具有较高的精度与强度，在浇注过程中还具有较强的温度场、凝固速度的调控能力，可以生产出品质优良的铸件。
2、为实现上述目的，多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，该方法包括如下步骤：
3、步骤1：根据铸件的几何结构特征设计包含浇注系统的砂型；
4、步骤2：获取铸造性能调控专家库中已经预设过的或已经存储过的砂型冷铁镶装的预设参数配置，对待打印的砂型根据形状结构特征进行参数配置，配置的参数包括砂型镶装冷铁的数量、每个冷铁的形状尺寸和每个冷铁的镶装位置；在显示终端显示冷铁镶装位置的参数配置，并接收用户对冷铁镶装位置的参数配置的调整，在砂型上留出用于镶装冷铁的收容腔；
5、步骤3：采用蓝光扫描的手段对所有待镶装的冷铁的进行扫描，基于扫描得到的装配面几何形状修改设计好的的砂型模型，将模型中冷铁处的结构修改为经过扫描得到的精确形状，对待打印砂型结构进行校正。
6、步骤4：在预留出收容腔的砂型结构的基础上，将待打印的砂型划分为若干个砂型单元，获取砂型设计专家库中已经预设过的或已经存储过的多材料砂型设计的预设参数配置，对待打印的砂型根据形状结构特征进行参数配置，配置的参数包括每个砂型单元对应的型砂种类、型砂目数、预混的固化剂含量以及落砂量；在显示终端显示多材料砂型设计的参数配置，并接收用户对多材料砂型设计的参数配置的调整；
7、步骤5：输出砂型的stl格式文件，并进行分层切片处理，分层切片结果包括每个打印层厚上不同位置铺设的型砂种类信息，将切片信息导入打印系统，并生成打印命令；
8、步骤6：层层铺设多种材料的型砂颗粒，层层喷射树脂粘接剂，树脂粘接剂喷射过程由具有砂型打印工艺参数专家库的树脂喷墨控制系统控制，实现树脂喷墨量、喷墨速度等工艺参数的在线调控，直至多材料砂型打印完成；
9、步骤7：多材料砂型固化完成后，取出砂型，清理收容腔内的废砂，镶装冷铁；
10、步骤8：熔炼浇注，待金属液完全凝固后，破碎壳型，取出铸件，经精加工后交付验收。
11、作为本方案的进一步地设计，所述步骤2中的冷铁均选用圆台形或棱台形的结构形式，都具有沿组装外表面逐步收缩的形状规律；确保冷铁在多次使用产生变形后依旧保持逐步收缩的形状，这样便于在打印过程中在砂型上预留出呈逐步收缩形状的冷铁镶装收容腔，进而便于安装冷铁；
12、作为本方案的进一步地设计，所述步骤2中冷铁的侧表面装配面上均设置有一个小平面，用于在冷铁安装时定位；
13、作为本方案的进一步地设计，所述步骤3中在进行蓝光扫描时，各冷铁在贴完标记点后，将组装外表面朝向下摆放，仅需针对冷铁的装配面进行扫描，包括一个侧面和一个底面；基于扫描得到的装配面几何形状修改设计好的的砂型模型，将模型中冷铁处的结构修改为经过扫描得到的精确形状，对待打印砂型结构进行校正。
14、作为本方案的进一步地设计，所述步骤3之后还可在待打印砂型中设计预埋热传感器、压力传感器等智能传感机构的位置，具体方式是获取凝固过程监测专家库中已经预设过的或已经存储过的智能传感机构安装位置的预设参数配置，对待打印的砂型根据形状结构特征进行参数配置，配置的参数包括智能传感机构的类型和位置；在砂型打印完成后组装各类型的智能传感机构，用于检测铸件凝固过程，并根据结果对铸造性能调控专家库和砂型设计专家库中的预设参数进行反馈优化；
15、作为本方案的进一步地设计，所述步骤4中常用的砂型种类包括硅砂、铬铁矿砂和锆英砂，常用的型砂目数包括50/100目和70/140目，硅砂常用的固化剂含量区间是1.5～2.5wt.‰，铬铁矿砂常用的固化剂含量区间是2.0～3.0wt.‰，锆英砂常用的固化剂含量区间是2.0～3.0wt.‰；
16、作为本方案的进一步地设计，在设计完打印砂型的结构及各部位砂型材料种类后，应通过有限元仿真的手段对砂型结构进行力学强度校核，有限元仿真软件包括ansys、abaqus等，砂型结构强度应不小于0.8mpa；
17、作为本方案的进一步地设计，所述步骤6中采用多材料精准铺砂器一次性直接铺设出包括多种型砂材料的平整砂面；
18、作为本方案的进一步地设计，所述步骤6中具有砂型打印工艺参数专家库的树脂喷墨控制系统包括一个获取本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤2中的冷铁均选用圆台形或棱台形的结构形式，都具有沿组装外表面逐步收缩的形状规律；确保冷铁在多次使用产生变形后依旧保持逐步收缩的形状，这样便于在打印过程中在砂型上预留出呈逐步收缩形状的冷铁镶装收容腔，进而便于安装冷铁。
3.根据权利要求2所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述冷铁的侧表面装配面上均设置有一个小平面，用于在冷铁安装时定位。
4.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤3中在进行蓝光扫描时，各冷铁在贴完标记点后，将组装外表面朝向下摆放，仅需针对冷铁的装配面进行扫描，包括一个侧面和一个底面；基于扫描得到的装配面几何形状修改设计好的的砂型模型，将模型中冷铁处的结构修改为经过扫描得到的精确形状，对待打印砂型结构进行校正。
5.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，
6.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤4中常用的砂型种类包括硅砂、铬铁矿砂和锆英砂，常用的型砂目数包括50/100目和70/140目，硅砂常用的固化剂含量区间是1.5～2.5 wt.‰，铬铁矿砂常用的固化剂含量区间是2.0～3.0 wt.‰，锆英砂常用的固化剂含量区间是2.0～3.0 wt.‰。
7.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，在设计完打印砂型的结构及各部位砂型材料种类后，应通过有限元仿真的手段对砂型结构进行力学强度校核，有限元仿真软件包括ansys、abaqus等，砂型结构强度应不小于0.8MPa。
8.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤6中采用多材料精准铺砂器一次性直接铺设出包括多种型砂材料的平整砂面。
9.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤6中具有砂型打印工艺参数专家库的树脂喷墨控制系统包括一个获取打印喷头移动速度的移动速度传感器、一个获取打印喷头喷墨量的流量传感器、一个获取打印喷头喷墨速度的喷墨速度传感器、采集电路、数字信号处理器和控制单元；采集电路与移动速度传感器、流量传感器和喷墨速度传感器相连，用于采集打印喷头的移动速度、树脂喷射量、树脂喷射速度；数字信号处理器与采集电路连接的，用于运行控制系统，处理采集电路输出的信号和显示终端上人机交互的信息，并执行控制计算的结果；控制单元在获取用户输入的信息后，查询砂型打印工艺参数专家库的数据存储模块并调用参数控制模块，将推荐的打印喷头移动速度、树脂喷射量、树脂喷射速度等工艺参数输出到控制信号输出模块，进而控制砂型打印的树脂喷射过程。
10.根据权利要求8所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述推荐的打印喷头移动速度区间是30～60 mm/s，树脂喷射量区间是1.5～2.5wt.％，树脂喷射速度区间是3～6 m/s。
...【技术特征摘要】
1.多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤2中的冷铁均选用圆台形或棱台形的结构形式，都具有沿组装外表面逐步收缩的形状规律；确保冷铁在多次使用产生变形后依旧保持逐步收缩的形状，这样便于在打印过程中在砂型上预留出呈逐步收缩形状的冷铁镶装收容腔，进而便于安装冷铁。
3.根据权利要求2所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述冷铁的侧表面装配面上均设置有一个小平面，用于在冷铁安装时定位。
4.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤3中在进行蓝光扫描时，各冷铁在贴完标记点后，将组装外表面朝向下摆放，仅需针对冷铁的装配面进行扫描，包括一个侧面和一个底面；基于扫描得到的装配面几何形状修改设计好的的砂型模型，将模型中冷铁处的结构修改为经过扫描得到的精确形状，对待打印砂型结构进行校正。
5.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤3之后还可在待打印砂型中设计智能传感机构的位置，具体方式是获取凝固过程监测专家库中已经预设过的或已经存储过的智能传感机构安装位置的预设参数配置，对待打印的砂型根据形状结构特征进行参数配置，配置的参数包括智能传感机构的类型和位置；在砂型打印完成后组装各类型的智能传感机构，用于检测铸件凝固过程，并根据结果对铸造性能调控专家库和砂型设计专家库中的预设参数进行反馈优化。
6.根据权利要求1所述的多材料砂型随形打印与冷铁布置智能优化方法，其特征在于，所述步骤4中常用的砂型种类包括硅砂、铬铁矿砂和锆英砂，常用的型砂目数包括50/100目和70/140目，硅砂...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫丹丹，宋魏飞，单忠德，杨浩秦，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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