多工作箱砂型3D打印機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

周志軍，劉 軼，馬 睿，孫冠琳

(共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021)

鑄造業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。對裝備制造業(yè)而言，鑄件在設(shè)備零部件中的占比非常高，如內(nèi)燃機約占80%，而汽車的關(guān)鍵部件幾乎都是鑄造而成[2]。在奠定現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的同時，鑄造行業(yè)繁雜的工序和過程對環(huán)境造成了極大的污染，能源和原材料消耗高，鑄造專業(yè)人員緊缺，配套設(shè)備落后，與發(fā)達國家相比，我國的鑄造業(yè)還處于粗放生產(chǎn)階段[3-4]。砂型鑄造是鑄造的主要工藝方法，占整個鑄造生產(chǎn)的80%～90%，砂型鑄造技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新是改變鑄造業(yè)現(xiàn)狀的重要手段。近幾年來興起的砂型3D打印采用的是增材制造的方法，為鑄造業(yè)帶來了顛覆性的變革，然而打印效率依然是制約該方法產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸，行業(yè)內(nèi)此類設(shè)備的最高打印效率僅為108 L/h[4]，仍有待提高。

1 砂型3D打印機基本工作原理

砂型3D打印機主要采用3DP(3D printing)工藝，通過打印頭將粘結(jié)劑“印刷”在均勻平鋪的砂子上面[5-6]，其基本工作原理如圖1所示。首先利用相關(guān)軟件對零件模型進行“切片”處理，將零件模型切割成0.1～1.0 mm的片(根據(jù)工藝確定)；然后頂升系統(tǒng)將工作箱底板推至距離工作箱頂部一層切片厚度的位置，鋪砂器橫向運動遍歷整個工作箱，使工作箱底部均勻鋪滿砂子，接著打印頭縱向運動，按照程序指令在特定的區(qū)域噴灑粘結(jié)劑，完成一層的打印工作，一層打印結(jié)束后，頂升系統(tǒng)下降一層切片厚度的高度，重復剛才的打印工作，直至頂升系統(tǒng)降至最低限位，工作箱被填滿，整個打印工作結(jié)束。打印完成后，工作箱內(nèi)零件與砂子被整體取出，吹去未粘結(jié)的砂子，即可得到零件成品。

圖1 砂型3D打印機基本工作原理

2 砂型3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)3DP工作原理，設(shè)計砂型3D打印機，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由混砂罐、上部支架、打印系統(tǒng)、清洗裝置、鋪砂系統(tǒng)、若干工作箱、工作箱輸送系統(tǒng)、工作箱頂升系統(tǒng)、下部支架以及液料系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

圖2 砂型3D打印機整體結(jié)構(gòu)

下部支架和上部支架由鋼結(jié)構(gòu)立柱組裝形成若干個獨立的工作區(qū)域，在每個區(qū)域下部分別安裝一套工作箱頂升系統(tǒng)，每個頂升系統(tǒng)由一個帶剎車的伺服電機驅(qū)動，通過皮帶輪傳動，利用滾珠絲桿帶動頂升系統(tǒng)組件進行Z向運動。每個區(qū)域內(nèi)布置一套工作箱，工作箱的底板為活動底板，與頂升系統(tǒng)組件緊密貼合，在頂升系統(tǒng)的帶動下實現(xiàn)Z向運動，運動精度控制在0.1 mm以內(nèi)。

在下部支架各工作區(qū)域內(nèi)沿Y向獨立鋪設(shè)工作箱輸送系統(tǒng)，由低速交流電機驅(qū)動，通過鏈輪傳動，鏈輪與滾筒連接，帶動工作箱在打印區(qū)域和緩存區(qū)域進行Y向移動，實現(xiàn)打印完成后的滿箱工作箱的輸出以及打印開始前空工作箱的送入。

在下部支架立柱上端沿Y向安裝鋪砂器運行模組，在各工作箱正上方分別布置若干個獨立的鋪砂器，并固定于與鋪砂器運行模組對應(yīng)的滑塊上方，通過驅(qū)動電機可驅(qū)動對應(yīng)的鋪砂器沿Y方向運行。鋪砂器內(nèi)部安裝旋轉(zhuǎn)電機和振動電機，以確保鋪砂器的正常工作。

在上部支架沿X向安裝打印頭運行X向直線電機，X向直線電機下方安裝打印頭運行Y向模組，在X向直線電機和Y向伺服電機的驅(qū)動下，打印頭可實現(xiàn)X和Y兩個方向的運行，以滿足多工作箱的打印要求。

在上部支架頂部固定安裝混砂罐，可為多個鋪砂器供砂。在打印頭Y向一端下方固定布置有清洗裝置及液料系統(tǒng)。清洗裝置負責打印頭的清洗工作，以及非工作時間打印頭的防堵塞保護；液料系統(tǒng)主要為整機提供所需的各種液料，如固化劑、清洗劑等。

設(shè)備的核心部件打印頭懸掛在上部支架上，打印頭在打印過程中沿X方向通過直線電機快速移動，在打印過程中打印頭距離鋪砂面的高度必須嚴格一致，尺寸鏈反推至上部支架的變形量應(yīng)保證在±0.05 mm以內(nèi)，由于直線電機啟動時慣性扭矩非常大，因此對上部支架的精度以及剛性提出了很高的要求。在材料選擇上，經(jīng)過比對Q345B鋼梁以及HT300的抗撓性、自重變形、內(nèi)阻尼(抗振性能)，發(fā)現(xiàn)用Q345B焊接的鋼梁優(yōu)于HT30鑄造梁，且Q345B材料有著更加低廉的成本，因此最終選用Q345B方管進行焊接加工上部支架。

在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計完成后，對框架的下?lián)献冃芜M行仿真分析，得到總變形量為0.208 mm，這個結(jié)果與設(shè)計要求±0.05 mm不符，由圖3均布載荷反映的有限元分析結(jié)果來看，上部支架整體變形呈下凹趨勢，圖4所示未考慮自重時集中載荷下最薄弱部位的下凹變形也達到0.038 mm，因此需要對上部支架橫梁的安裝面進行上凸曲線加工。加工成上凸曲線后，當直線電機、滑枕和打印頭裝配到上部支架橫梁上時，使得均衡橫梁的下凹彎曲變形，從而提高打印頭運動過程中的精度。根據(jù)有限元的分析結(jié)果，并考慮誤差因素，導軌面加工的上凸曲線如圖5所示。

圖3 均布載荷產(chǎn)生的下?lián)献冃?/p>

圖4 集中載荷產(chǎn)生的下?lián)献冃?/p>

圖5 導軌面加工曲線

3 砂型3D打印機工作流程

砂型3D打印機整體工作流程如圖6所示。打印開始前，工作箱在輥道電機驅(qū)動下就位，頂升系統(tǒng)機構(gòu)推動工作箱活動底板升至最高限位處。同時，鋪砂器通過內(nèi)部砂位傳感器檢測鋪砂器內(nèi)砂子是否足夠。若砂子不足，則啟動混砂罐將3D打印用砂子及液料等經(jīng)混砂罐混合后定量加入對應(yīng)的鋪砂器；若砂子充足，則鋪砂器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，鋪砂器驅(qū)動模組同步動作，帶動對應(yīng)鋪砂器沿Y方向同步運行，完成工作箱上方的鋪砂動作后鋪砂器返回原位。打印頭在X向直線電機與Y向伺服電機的驅(qū)動下，在已完成鋪砂的工作箱上方的砂子表面進行一個來回全覆蓋的打印工作后，打印頭復位。接著工作箱頂升系統(tǒng)驅(qū)動工作箱的活動底板下降(根據(jù)工藝要求下降0.1～1.0 mm，優(yōu)選0.2～0.5 mm)，重復上述鋪砂、打印過程，直至工作箱活動底板下降至最低限位，完成整個打印工作。工作箱在輥道電機的驅(qū)動下移出，清砂后即可得到砂型產(chǎn)品。

圖6 砂型3D打印機整體工作流程

本文設(shè)計的3D打印機創(chuàng)新點為在單臺設(shè)備內(nèi)配置有若干獨立的打印區(qū)域，其優(yōu)點是鋪砂器與打印頭可以僅在單個工作箱上進行鋪砂和打印，也可以多個工作箱同時鋪砂和打印，打印靈活性相比單工作箱更大，最高打印效率可達400 L/h。

4 結(jié)束語

目前，砂型3D打印機已投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，最大化地避免了傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的噪聲污染和粉塵污染，降低了能源消耗和原材料消耗，有利于實現(xiàn)個性化定制零件的快速交付，尤其是可縮短新產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計周期，降低模具成本。多工作箱砂型3D打印機的成功研發(fā)推動了3D打印在鑄造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，也加快了我國由鑄造大國向鑄造強國的轉(zhuǎn)變。