一種3D 打印砂型效率提升方案

王佳明，周志軍，毛春生，郝 鵬，王 力，趙 龍，田永剛

（1.共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750001；2.共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

將3D 砂型打印技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，并且實現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)，目前已經(jīng)成為現(xiàn)實。3D 打印具有更少的人工投入、高效、更智能、更便捷以及工作環(huán)境更干凈整潔的特點，更加適合現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

為更好的服務(wù)于工業(yè)領(lǐng)域，3D 砂型打印技術(shù)也在向著更高效率、更大規(guī)模的方向發(fā)展。與此同時，效率的提升需要結(jié)合各個工序的特點，進行整體的優(yōu)化考慮，對于這些問題本文進行了詳細的說明和分析，明確了未來3D 打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域進行效率提升的努力方向。

1 提升3D 打印設(shè)備工作效率

3D 砂型打印技術(shù)，需預(yù)先將要打印的模型進行分層處理，三維模型通過切片軟件進行切片分層，每一層的形狀即為3D 打印機需要完成噴涂的圖形。噴涂的材料為粘合劑，每一層被噴涂部分與相鄰層面噴涂的部分進行粘合，所有層完成噴涂之后，已粘合的部分就組成了完整的模型。

所以，如果僅從提升3D 打印設(shè)備工作效率的方面考慮，需要縮短模型成型時間，提升單位時間內(nèi)模型的成型體積。

1.1 增大設(shè)備規(guī)模

此方法主要通過提升單層成型面積，需要改進鋪砂裝置，加長鋪砂裝置尺寸。與此同時，還需增加打印頭噴射粘合劑的面積。鋪砂面積與打印頭面積同時提升，兩者相互配合。但兩者的結(jié)構(gòu)尺寸僅在一定程度上可提高成型效率，持續(xù)增大兩種部件的尺寸則會帶來其他問題，如精度在設(shè)備長期運行過程中難以保持穩(wěn)定。隨著部件尺寸的增加，機械精度的控制難度也同時增加，為平衡各裝置尺寸增加帶來的問題，單層的成型時間也會受到一定影響。

1.2 控制模型的層厚

通過控制模型的切片層厚，在打印過程中控制每一層鋪設(shè)砂子的厚度。通過增加鋪砂厚度，減少模型分層數(shù)量，也可縮短整體模型的成型時間，提高效率。但同時，最直觀的影響則是成型砂型的精度。

對于打印精度要求不高的砂型，此方法影響不大。打印時間雖然縮短了，但模型的成型精度也隨之降低，未從根本上起到作用，綜合評估此方法不可行。

1.3 縮短成型所需時間

效率（L/H）=成型體積/所需時間=（工作箱長×工作箱寬×層厚）/單層耗時。

可知，若不改變結(jié)構(gòu)，則需要通過縮短單層成型時間提高效率。但在此基礎(chǔ)上，單層鋪砂的均勻性和粘合劑噴涂的速度都是需要改進的難點。

原參數(shù)及指標(biāo)：

鋪砂速度：380mm/s；粘合劑噴涂速度：720mm/s；層耗時20s。

優(yōu)化后參數(shù)及指標(biāo)：

鋪砂速度：600mm/s；粘合劑噴涂速度：900mm/s；層耗時14s。

試驗測算效率提升了30%。

2 優(yōu)化打印流程

3D 打印機的運行分為工作時間和非工作時間。工作時間打印機根據(jù)三維模型切片的圖形，完成每一層的鋪砂和打印，最終堆疊實現(xiàn)完整的砂型。非工作時間，包含打印結(jié)束后成型砂型的清理，設(shè)備的保養(yǎng)和清潔。因此提升3D 打印機的整體工作效率，須縮短打印機的非工作時間，提升工作時間在打印機生產(chǎn)周期內(nèi)的占比。

打印結(jié)束后的清箱和換箱都是需要考慮的提升效率，縮短時間的工序。

圖1 打印流程

2.1 提升換箱效率

打印結(jié)束，工作箱從設(shè)備開出，執(zhí)行清箱工作，清除其他未用于砂型構(gòu)造的砂子，得到完整的砂型。本項工序的效率提升，主要考慮是在將工作箱開出設(shè)備后，更換其他工作箱。實現(xiàn)3D 打印機快速換箱，立即可投入下一個批次的打印任務(wù)，將清箱工作在其他工序完成。

增加換箱輥道可快速的換箱，打印結(jié)束后的工作箱開入換箱輥道，與空箱工位互換。將空箱開入設(shè)備，繼續(xù)執(zhí)行3D 打印任務(wù)。換箱輥道做為3D打印機自身輥道的延伸，可根據(jù)工廠打印機的數(shù)量和布局進行設(shè)計。旨在實現(xiàn)快速更換工作箱，并將打印完成的工作箱送往下一工序進行清砂。換箱過程與設(shè)備聯(lián)動，輥道上安裝檢測工作箱位置的傳感器，將位置信號輸入PLC，實現(xiàn)全流程自動控制。

2.2 提升清砂效率

打印結(jié)束，需要將工作箱內(nèi)的成型砂型與浮砂快速分離。砂型用于鑄造，浮砂回收后再次利用。清砂站可以通過自動和手動兩種控制方式，實現(xiàn)工作箱的運輸和工作箱底板的升降。工作箱底板升到打印開始位，砂型被舉升后，周邊的大部分浮砂自然掉落到工作箱外。清砂站工作臺的鈑金采用多孔設(shè)計，砂子從鈑金上的孔位滑落至清砂站的儲砂斗。砂型表面未脫落的浮砂和儲砂斗的砂子，通過舊砂回收系統(tǒng)回收。清理完成的砂型，繼續(xù)轉(zhuǎn)入下一工序。

2.3 舊砂回收

清箱結(jié)束，工作箱中未成形的砂子回收完成。新砂第一次打印，剩余未使用的砂子還可以再次利用。因此將打印的余砂以及在打印過程中鋪砂和下砂過程中，遺漏在工作箱以外的砂子全部回收進行利用。

由于這些砂子中包含雜質(zhì)，不可以直接投入打印。再次進行使用，需要用指定的篩網(wǎng)對砂子進行篩選，過濾掉砂子中的各種雜質(zhì)。

回收砂的再利用，方法比較簡單。但要通過自動化的方式實現(xiàn)，需要通過程序控制吸砂泵的工作、回收砂罐內(nèi)砂位的檢測，下砂閥門的打開以及篩網(wǎng)震動的執(zhí)行。整個流程的動作，構(gòu)成的一個舊砂回收系統(tǒng)。經(jīng)過回收后的舊砂滿足打印要求，可再次進行使用。

可見在3D 打印的生產(chǎn)過程中，快速換箱的實現(xiàn)，成功將清砂工序和打印工序分開。3D 打印機快速完成換箱繼續(xù)打印，打印結(jié)束的工作箱清砂單獨進行，兩個工序互不影響。每一次打印任務(wù)之間的時間間隔被大大縮短，打印機的投入效率大大提高，顯著提高了產(chǎn)能。

3 結(jié)束語

本文通過對3D砂型打印效率提升涉及的主要問題進行分析，對比了提高3D 砂型打印效率的諸多方法，總結(jié)了效率提升的核心問題。其提效方式，初期可通過提升成型體積，增大單層成型面積。改進后期，提高效率的考慮因素，在于縮短單層成型時間。與此同時，重點需攻克的問題在于縮短單層砂面鋪設(shè)時間以及單層粘合劑的噴涂時間。提升鋪砂速度和粘合劑噴涂速度，經(jīng)試驗測算，目前可以提效30%。

生產(chǎn)層面的效率提升，核心方向在于將3D 打印技術(shù)在生產(chǎn)層面的應(yīng)用盡可能的實現(xiàn)高度自動化。打印、換箱、清砂、舊砂回收全流程的自動化實現(xiàn)，減少了人工的投入，提高了整體工作的效率和產(chǎn)能。

3D 打印作為新的科技領(lǐng)域，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)砂型的打印，目前打印砂型在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分成功。未來的發(fā)展方向，也將是更高效，更智能化。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，逐漸替換原有的生產(chǎn)模式。摒棄傳統(tǒng)工業(yè)的笨重和對環(huán)境的污染，轉(zhuǎn)而變?yōu)檩p巧、智能和環(huán)保的方式。相信未來3D 打印技術(shù)，一定能在工業(yè)領(lǐng)域得到大力推廣。