[发明专利]一种水玻璃砂三维打印太阳光固化装置及方法

说明书

本发明涉及一种水玻璃砂三维打印太阳光固化装置及方法，本发明的装置包括型架、寻光聚焦机构、漏砂机构、粘结剂雾化喷嘴机构、水平两轴移动机构和可升降工作台，水平两轴移动机构和可升降工作台均设置在型架上，可升降工作台设置在水平两轴移动机构的正上方，水平两轴移动机构用于带动寻光聚焦机构、漏砂机构和粘结剂雾化喷嘴机构水平前后移动或左右移动，寻光聚焦机构用于根据阳光的方向转动位置并将光线聚焦在可升降工作台上表面。本发明采用能自动寻光聚焦装置追踪太阳光，太阳光通过菲涅尔透镜聚焦在升降工作台上，实现砂料迅速成型固化，提升工作效率，所采集的太阳光作为打印砂材成型的能量源从而大大节约打印中所消耗的能量。

技术领域

本发明涉及三维打印领域，具体涉及的是一种水玻璃砂三维打印太阳光固化装置及方法。

背景技术

在砂型铸造过程中，铸件的质量与铸造砂型的质量密切相关。传统的砂型制造方法加工周期在4周甚至更长，而且制造工艺相对复杂。生产大型复杂铸件的砂型时，需要由多个砂型拼接组合而成，每个砂型的整体尺寸和空间位置的微小偏差都可能导致铸造产品报废，从而导致次品率增加和生产效率低下。

目前，三维打印技术发展迅速。常见的三维打印技术有SLA光敏树脂选择性固化、SLS粉末材料选择性激光烧结、FDM熔融沉积、3DP3D喷射打印、PUG真空注塑型。激光立体成型、选择性激光烧结等高能量源的三维打印技术正逐渐趋于成熟，可以实现砂料的快速成型，在模具制造、铸造等领域具有广阔的应用前景，但也存在能耗高、成本高、易开裂等缺点。

利用三维打印技术，采用分层制造，层层叠加，可以加工异形、中空、悬臂等复杂结构，大大简化了砂型制造的工艺流程。目前三维打印快速制备砂型结构的工艺方法从铸造工艺上可以分为间接制造和直接制造。间接制造是利用三维打印增材制造技术制作与所需铸件形状和尺寸相同的模型，利用模型制作铸造所需的砂型，这种方法简化了铸造图案的制造工艺，间接提高了后续铸造砂型的加工质量。

选择性激光烧结技术Selective Laser Sintering，SLS是一种利用激光的能量对打印材料进行熔融凝结的3D打印技术，它最早由美国Texas大学Austin分校(UT-Austin)的Carl.R.Decard在JoeBeaman教授的指导下提出，随后注册成立DeskTop Manufacturing公司(DTM，现己并入美国3DSystem公司)，并逐步将选择性激光烧结SLS设备推向市场。以石蜡粉、塑料粉、金属粉和陶瓷粉为原料，以环氧树脂等为粘结剂，由于该技术生产工艺简单、应用领域广阔，而且能够适应多种粉末材料的打印，已经成为当前发展最快的3D打印快速成型方法之一。但由于粉末流动性质需要专门实验室环境，维护费用高昂，在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5-10小时冷却，预热和冷却时间长，总的成形周期长，成形件强度和表面质量较差，精度低。表面粗糙度的高低受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。

基于选择性激光烧结技术，德国EOS公司开发了激光烧结砂型打印设备。设备工作时，首先在成型筒内铺设一层铸造用酚醛树脂砂，然后激光束根据事先采集处理好的三维模型的分层轮廓数据，扫描照射轮廓封闭区域内的树脂砂粉末。辐照产生200℃左右的高温会将树脂砂中的树脂材料熔化，从而粘合砂粒，实现该层轮廓结构的印刷，将工作台降低分层厚度的距离，铺设一层分层厚度的树脂砂，继续进行激光扫描和辐照烧结。不断重复这一过程，最终制作出一个三维工件。

德国Voxeljet公司推出的“酚醛直接粘接技术”(PDB)，是一种将增材制造技术与传统砂型铸造相结合的制造方法。通过一层一层铺设砂粉材料，用打印头喷胶进行选择性粘结，即可得到所需的铸造砂型。该公司先后推出了从VX200到VX4000的各种型号的砂型打印设备，其中VX4000的造型空间为4000×2000×1000mm，也是目前世界上最大的铸造砂型三维打印设备。该设备独特的集成阵列喷嘴结构，不仅可以实现单个大尺寸砂型的快速制造，还可以用于多个小尺寸砂型的批量生产。