多工作箱砂型3D打印机机械结构设计

周志军，刘 轶，马 睿，孙冠琳

(共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏 银川 750021)

铸造业是现代工业发展的基础[1]。对装备制造业而言，铸件在设备零部件中的占比非常高，如内燃机约占80%，而汽车的关键部件几乎都是铸造而成[2]。在奠定现代工业基础的同时，铸造行业繁杂的工序和过程对环境造成了极大的污染，能源和原材料消耗高，铸造专业人员紧缺，配套设备落后，与发达国家相比，我国的铸造业还处于粗放生产阶段[3-4]。砂型铸造是铸造的主要工艺方法，占整个铸造生产的80%～90%，砂型铸造技术的发展与创新是改变铸造业现状的重要手段。近几年来兴起的砂型3D打印采用的是增材制造的方法，为铸造业带来了颠覆性的变革，然而打印效率依然是制约该方法产业化应用的瓶颈，行业内此类设备的最高打印效率仅为108 L/h[4]，仍有待提高。

1 砂型3D打印机基本工作原理

砂型3D打印机主要采用3DP(3D printing)工艺，通过打印头将粘结剂“印刷”在均匀平铺的砂子上面[5-6]，其基本工作原理如图1所示。首先利用相关软件对零件模型进行“切片”处理，将零件模型切割成0.1～1.0 mm的片(根据工艺确定)；然后顶升系统将工作箱底板推至距离工作箱顶部一层切片厚度的位置，铺砂器横向运动遍历整个工作箱，使工作箱底部均匀铺满砂子，接着打印头纵向运动，按照程序指令在特定的区域喷洒粘结剂，完成一层的打印工作，一层打印结束后，顶升系统下降一层切片厚度的高度，重复刚才的打印工作，直至顶升系统降至最低限位，工作箱被填满，整个打印工作结束。打印完成后，工作箱内零件与砂子被整体取出，吹去未粘结的砂子，即可得到零件成品。

图1 砂型3D打印机基本工作原理

2 砂型3D打印机结构设计

根据3DP工作原理，设计砂型3D打印机，其整体结构如图2所示，主要由混砂罐、上部支架、打印系统、清洗装置、铺砂系统、若干工作箱、工作箱输送系统、工作箱顶升系统、下部支架以及液料系统等部分构成。

图2 砂型3D打印机整体结构

下部支架和上部支架由钢结构立柱组装形成若干个独立的工作区域，在每个区域下部分别安装一套工作箱顶升系统，每个顶升系统由一个带刹车的伺服电机驱动，通过皮带轮传动，利用滚珠丝杆带动顶升系统组件进行Z向运动。每个区域内布置一套工作箱，工作箱的底板为活动底板，与顶升系统组件紧密贴合，在顶升系统的带动下实现Z向运动，运动精度控制在0.1 mm以内。

在下部支架各工作区域内沿Y向独立铺设工作箱输送系统，由低速交流电机驱动，通过链轮传动，链轮与滚筒连接，带动工作箱在打印区域和缓存区域进行Y向移动，实现打印完成后的满箱工作箱的输出以及打印开始前空工作箱的送入。

在下部支架立柱上端沿Y向安装铺砂器运行模组，在各工作箱正上方分别布置若干个独立的铺砂器，并固定于与铺砂器运行模组对应的滑块上方，通过驱动电机可驱动对应的铺砂器沿Y方向运行。铺砂器内部安装旋转电机和振动电机，以确保铺砂器的正常工作。

在上部支架沿X向安装打印头运行X向直线电机，X向直线电机下方安装打印头运行Y向模组，在X向直线电机和Y向伺服电机的驱动下，打印头可实现X和Y两个方向的运行，以满足多工作箱的打印要求。

在上部支架顶部固定安装混砂罐，可为多个铺砂器供砂。在打印头Y向一端下方固定布置有清洗装置及液料系统。清洗装置负责打印头的清洗工作，以及非工作时间打印头的防堵塞保护；液料系统主要为整机提供所需的各种液料，如固化剂、清洗剂等。

设备的核心部件打印头悬挂在上部支架上，打印头在打印过程中沿X方向通过直线电机快速移动，在打印过程中打印头距离铺砂面的高度必须严格一致，尺寸链反推至上部支架的变形量应保证在±0.05 mm以内，由于直线电机启动时惯性扭矩非常大，因此对上部支架的精度以及刚性提出了很高的要求。在材料选择上，经过比对Q345B钢梁以及HT300的抗挠性、自重变形、内阻尼(抗振性能)，发现用Q345B焊接的钢梁优于HT30铸造梁，且Q345B材料有着更加低廉的成本，因此最终选用Q345B方管进行焊接加工上部支架。

在结构初步设计完成后，对框架的下挠变形进行仿真分析，得到总变形量为0.208 mm，这个结果与设计要求±0.05 mm不符，由图3均布载荷反映的有限元分析结果来看，上部支架整体变形呈下凹趋势，图4所示未考虑自重时集中载荷下最薄弱部位的下凹变形也达到0.038 mm，因此需要对上部支架横梁的安装面进行上凸曲线加工。加工成上凸曲线后，当直线电机、滑枕和打印头装配到上部支架横梁上时，使得均衡横梁的下凹弯曲变形，从而提高打印头运动过程中的精度。根据有限元的分析结果，并考虑误差因素，导轨面加工的上凸曲线如图5所示。

图3 均布载荷产生的下挠变形

图4 集中载荷产生的下挠变形

图5 导轨面加工曲线

3 砂型3D打印机工作流程

砂型3D打印机整体工作流程如图6所示。打印开始前，工作箱在辊道电机驱动下就位，顶升系统机构推动工作箱活动底板升至最高限位处。同时，铺砂器通过内部砂位传感器检测铺砂器内砂子是否足够。若砂子不足，则启动混砂罐将3D打印用砂子及液料等经混砂罐混合后定量加入对应的铺砂器；若砂子充足，则铺砂器驱动电机旋转，铺砂器驱动模组同步动作，带动对应铺砂器沿Y方向同步运行，完成工作箱上方的铺砂动作后铺砂器返回原位。打印头在X向直线电机与Y向伺服电机的驱动下，在已完成铺砂的工作箱上方的砂子表面进行一个来回全覆盖的打印工作后，打印头复位。接着工作箱顶升系统驱动工作箱的活动底板下降(根据工艺要求下降0.1～1.0 mm，优选0.2～0.5 mm)，重复上述铺砂、打印过程，直至工作箱活动底板下降至最低限位，完成整个打印工作。工作箱在辊道电机的驱动下移出，清砂后即可得到砂型产品。

图6 砂型3D打印机整体工作流程

本文设计的3D打印机创新点为在单台设备内配置有若干独立的打印区域，其优点是铺砂器与打印头可以仅在单个工作箱上进行铺砂和打印，也可以多个工作箱同时铺砂和打印，打印灵活性相比单工作箱更大，最高打印效率可达400 L/h。

4 结束语

目前，砂型3D打印机已投入产业化应用，最大化地避免了传统铸造生产过程中产生的噪声污染和粉尘污染，降低了能源消耗和原材料消耗，有利于实现个性化定制零件的快速交付，尤其是可缩短新产品的研发、设计周期，降低模具成本。多工作箱砂型3D打印机的成功研发推动了3D打印在铸造行业的产业化应用，也加快了我国由铸造大国向铸造强国的转变。