3DP 打印機清砂裝置研究

白 雪，劉志超，王俊杰，任東東，王永恩

(共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021)

0 引言

3D 打印是一種通過逐層添加材料獲得三維制件的增材制造技術(shù)。通常所見的3D 打印材料有絲狀、粉末狀的砂子、陶瓷、金屬、塑料等。在3D 打印的諸多材料中，粉末狀材料尤其是金屬粉末、砂子、陶瓷粉末材料應(yīng)用最為廣泛。

目前3D 打印成型方法主要有激光燒結(jié)成型、紫外光固化成型、化學(xué)反應(yīng)成型等。成型后，工作箱內(nèi)產(chǎn)品的周圍會有大量散砂需要清理，目前常用的清砂方法是將工作箱舉升后，部分散砂自然掉落至砂斗內(nèi)，砂斗中的砂子落滿后，人工手動用吸塵器將砂斗內(nèi)砂子清理干凈，這種方法消耗人工且費時，只適用于成型尺寸小的機型。當(dāng)成型尺寸變大時，人工手動用吸塵器吸砂的工作量變得巨大。本清砂裝置通過自動傳送裝置（皮帶輸送裝置、管鏈輸送裝置、螺旋輸送裝置）及舉升結(jié)構(gòu)等機械結(jié)構(gòu)組合及邏輯組合，實現(xiàn)砂箱中浮砂的自動清理及舊砂的自動回收，可有效提升產(chǎn)品清砂效率，保證過程質(zhì)量穩(wěn)定、降低產(chǎn)品制造成本。

1 清砂裝置技術(shù)方案

1.1 自動傳送裝置組成

一種清砂裝置，通過自動傳送裝置（皮帶輸送裝置、管鏈輸送裝置、螺旋輸送裝置）及舉升結(jié)構(gòu)等機械結(jié)構(gòu)組合及邏輯組合，實現(xiàn)砂箱中浮砂的清理及舊砂的自動回收。

自動傳送裝置中的皮帶輸送裝置如圖1 所示，主要由兩端的驅(qū)動輪及套在上面的閉合輸送帶組成。帶動輸送帶轉(zhuǎn)動的稱為主動輪；另一個改變輸送帶運動方向的稱為從動輪。主動輪由電機驅(qū)動，輸送帶依靠主動輪與輸送帶之間的摩擦力拖動。主動輪一般都裝在卸料端，以增大牽引力，有利于拖動[1]。砂子由從動輪端喂入，落在轉(zhuǎn)動的輸送帶上，依靠輸送帶帶動砂子在卸料端卸出。輸送帶根據(jù)摩擦傳動原理而運動，具有輸送量大、輸送距離長、輸送平穩(wěn)，砂子與輸送帶沒有相對運動，噪聲較小，結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點。

圖1 皮帶輸送裝置示意圖

自動傳送裝置中的管鏈輸送裝置如圖2 所示，在密閉管道內(nèi)，用鏈片做傳動部件帶動砂子沿管道運動。當(dāng)水平輸送時，砂子顆粒受到鏈片沿運動方向的推力。當(dāng)砂子間的內(nèi)摩擦力大于砂子與管壁的外摩擦力時，砂子就隨鏈片向前運動，形成穩(wěn)定的輸送流。當(dāng)垂直輸送時，管內(nèi)砂子受鏈片向上推力，因為下部給砂子阻止上部砂子下滑，產(chǎn)生了橫向側(cè)壓力，所以增強了砂子的內(nèi)摩擦力，當(dāng)砂子間的內(nèi)摩擦力大于砂子與管內(nèi)壁外摩擦力及砂子自重時，砂子就隨鏈片向上輸送，形成連續(xù)輸送流。管鏈輸送裝置易于實現(xiàn)集中控制，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，全封閉狀態(tài)，無粉塵泄露。

圖2 管鏈輸送裝置示意圖

自動傳送裝置中的螺旋輸送裝置如圖3 所示，螺旋輸送裝置一般由輸送槽體、進(jìn)料口、卸料口、螺旋軸和驅(qū)動裝置組成，螺旋軸由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，砂子放入進(jìn)料口，電機轉(zhuǎn)動，螺旋輸送至卸料口，可以用于水平或傾斜輸送粉狀、粒狀和小塊物料。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、橫截面尺寸小、密封性好、工作可靠，便于中間裝料和卸料，輸送方向可逆等。而且在輸送過程中還可以對砂子進(jìn)行攪拌、混合、加熱和冷卻等。

圖3 螺旋輸送裝置示意圖

清砂站中舊砂自動回收輸送裝置如圖4 所示，舊砂回收輸送裝置可由皮帶、管鏈、螺旋輸送方式在水平方向與豎直方向任意組合，水平輸送裝置可采用皮帶輸送或者螺旋輸送，豎直輸送裝置可采用管鏈輸送，利用各種輸送方式的優(yōu)勢進(jìn)行組合，得出完全滿足使用需求的裝置結(jié)構(gòu)。

圖4 舊砂回收輸送裝置示意圖

1.2 舉升結(jié)構(gòu)組成

清砂站中的舉升結(jié)構(gòu)采用三軸或多軸舉升[2]，如圖5 所示，三軸舉升機構(gòu)由三個單軸舉升裝置（圖6）依次排列構(gòu)成。圖6 所示，清砂時，舉升機構(gòu)上升，電機轉(zhuǎn)動，帶動絲桿轉(zhuǎn)動并上升，絲桿軸端裝有編碼器，時時反饋舉升位置信息，保證舉升時工作箱準(zhǔn)停的精度。圖5 中單軸舉升裝置1 中的電機負(fù)載為主動軸，單軸舉升裝置2 和單軸舉升裝置3 中的電機負(fù)載為從動軸，運動參數(shù)在主動軸電機的控制變頻器中設(shè)置，從動軸中不設(shè)置參數(shù)，從而實現(xiàn)三軸的同步聯(lián)動舉升[3]。當(dāng)工作箱變大，需要多軸舉升時，此控制方式及機械結(jié)構(gòu)同樣適用。

圖5 舉升裝置示意圖

圖6 單軸舉升裝置示意圖

1.3 清砂裝置結(jié)構(gòu)組成及運行邏輯

該清砂站裝置整體示意圖如圖7、圖8。清砂裝置的工作流程如下：當(dāng)工作箱從打印機開出至清砂站準(zhǔn)停后，按下舉升機構(gòu)上升按鈕，系統(tǒng)控制舉升電機1、舉升電機2、舉升電機3 正轉(zhuǎn)，工作箱底板上升，打印好的砂型周圍散砂下落至砂斗1～10 斗。砂斗下方留有敞開方口，砂斗中的砂子沿方口下落至砂斗下方的傳送裝置1、傳送裝置2、傳送裝置3、傳送裝置4 上，傳送裝置在各自電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，將傳送裝置上的砂子傳送至斗提裝置，斗提裝置在電機的驅(qū)動下將砂子輸送至儲砂斗，按此流程循環(huán)往復(fù)至砂斗1～10 斗的蝶閥，直到砂子落完為止[2]。

圖7 清砂站俯視圖

圖8 清砂站爆炸圖

清砂站清砂邏輯如下:

工作箱在清砂站準(zhǔn)停后，按下工作箱上升按鈕，舉升電機1、舉升電機2、舉升電機3 被驅(qū)動，電機正轉(zhuǎn)，工作箱底板上升，打印好的砂型周圍散砂下落至砂斗1～10 斗。工作箱停止舉升后，系統(tǒng)控制先打開砂斗1、砂斗2、砂斗3、砂斗4、砂斗5、砂斗9 的蝶閥，同時驅(qū)動傳送裝置1、傳送裝置2 的電機，使傳送裝置1、傳送裝置2 開始傳送，砂斗中的砂子下落至傳送裝置1、傳送裝置2 上，被傳送至斗提裝置內(nèi)。系統(tǒng)控制再打開砂斗2、砂斗6、砂斗7、砂斗8、砂斗10 的蝶閥，同時驅(qū)動傳送裝置3、傳送裝置4 的電機，砂斗中的砂子下落至傳送裝置3、傳送裝置4 上，被傳送至斗提裝置內(nèi)。砂斗蝶閥打開時，斗提裝置的電機被同時驅(qū)動，開始輸送傳動裝置上的舊砂，每個砂斗上安裝低砂位檢測傳感器，當(dāng)砂斗中砂位低至低砂位傳感器檢測位時，傳送裝置的電機停止轉(zhuǎn)動。斗提裝置的電機同時停止轉(zhuǎn)動，當(dāng)所有砂斗中低砂位傳感器均有信號輸入至系統(tǒng)時，砂斗中舊砂下落完畢，舊砂回收流程結(jié)束。該清砂裝置節(jié)省了清砂流程中的時間，降低了清砂過程中的人工成本的損耗，整體降低了設(shè)備的制造成本。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的清砂裝置解決了人工手動完成舊砂回收耗時耗力、清砂流程慢等問題，有效提升清砂速度、節(jié)省人力、降低產(chǎn)品制造成本，為砂型3DP 打印機連續(xù)可靠性和高質(zhì)量打印提供了保障。