提高落料口效率的方式研究

劉 涵，劉 軼，王佳明

（共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

將3D 砂型打印技術應用于工業領域，并且實現規模化的生產，目前已經成為現實。3D 打印具有人工投入少、高效、智能、便捷，以及工作環境干凈整潔的特點，更加適合現代化工業領域的應用。為更好的服務于工業領域，砂型3D 打印技術也在向著更高效率、更大規模的方向發展。與此同時，效率的提升需要結合各個工序的特點，進行整體的優化考慮，本文針對下料口效率提升進行了詳細的闡述。

1 技術背景

砂型3D 打印技術屬于快速成型技術中的一種，它的工作原理是，砂型3D 打印設備由鑄型CAD 模型的STL 文件選擇厚度分層，得到截面圖形。當打印機工作時，固化劑與原砂在混料倉均勻地攪拌，噴頭按照截面圖形精確地噴射粘結劑，粘結劑與固化劑發生膠聯反應，一層層固化型砂堆積成形。粘結劑和固化劑共同作用的型砂被固化在一起，固化一層后再粘結下一層，所有的層粘結完之后就得到一個空間實體。型砂在固化劑沒有噴射的地方仍是散砂，比較容易清除。清理出中間未固化的散砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型，在鑄型的表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆注金屬。3D 打印機利用吸砂泵將砂子吸入到儲砂罐中，利用安裝在儲砂罐下部的稱重傳感器反饋當前下砂量，當達到系統設定砂量時，反饋PLC信號使下砂口蝶閥關閉進而停止供應原材料。設備接收到下砂信號后，下砂蝶閥打開，通過稱重傳感器檢測下砂量并反饋給PLC 信號，控制蝶閥的關斷，實現對所需下砂量的控制。砂子流到混砂罐后，需要添加與實際下砂量所對應的固化劑（固化劑加入量通過實際下砂重量計算得出），下砂量的準確性會影響到混砂的均勻性，最直觀的表現為打印出來的砂型表面色差明顯，影響砂型的表面質量，現從下砂量入手去解決下砂不準確的問題。

2 提升下砂口工作效率及精度

2.1 考慮方向

由于現用下砂口無法控制下料口大小，只能通過稱重傳感器反饋值控制下砂時間從而控制下砂量。在控制下砂量時，受到稱重傳感器和變送器自身誤差與反應時間、蝶閥關斷反應時間等因素影響，實際下砂量往往超出設定下砂量，偏差較大，會造成在加入固化劑后，混砂罐中砂子與固化劑攪拌不均勻，實際需求的固化劑加入比例與加入的固化劑量不符合計算結果，打印出的砂型表面色差明顯，嚴重影響到砂型的表面質量。目前常采用的方法是更換較小口徑的變徑部，從而減小實際下砂量，縮小實際下砂量與設定值的偏差值，改善打印質量。同時，考慮到混砂罐自身結構問題，混砂罐內部空間的利用率往往很高，剩余空間的內部可操作性較差，造成在需要更換變徑部時，拆除四角固定螺栓進行變徑的更換存在一定的困難和局限性，拆除和安裝較為費事，并且更換部件的采購成本及人工成本會大大提高。現急需一種下料方式能夠解決此類問題。本文所提方案可在工作過程中自由調節口徑進而改變下料量，無需重新拆裝機械部件，施工由繁化簡，并且在一定程度上節約了成本。

2.2 技術方案

本文所表述內容是為了當砂型打印結束時，砂型表面出現嚴重色差時，需要調節下砂量及固化劑加入量，需要更換變徑，解決變徑因更換困難的問題。使用過程中不需要更換小口徑的變徑就可快速調節變徑口徑，以此達到更換變徑的目的。

在混砂罐變徑設計之初，確定混砂罐所要求使用最大口徑的變徑，并在變徑管外側進行開絲。考慮到下砂重量較大，需要根據變徑管外側直徑的大小，以此確定快速變徑鎖緊套的直徑并對鎖緊套內側開絲，要求變徑管外側開絲與鎖緊套內側開絲相互嚙合，能夠使得快速變徑鎖緊套與原變徑管擰緊，防止下砂過程中下砂口漏砂甚至掉落。

將鎖緊套固定在變徑管上后，通過皮帶將調節套與步進電機的皮帶輪相互連接，在需要調節下砂口口徑時通過PLC 反饋信號直接控制步進電機的正反轉從而調節下砂口徑大小。

所述落料口調節裝置的簡要運行過程如下：

（1）當實際下砂量大于設定下砂量時，通過PLC 反饋信號給電機，電機正轉，調節套隨皮帶轉動，下砂口縮小口徑，以減少下砂量。

（2）實際下砂量小于設定下砂量時，通過PLC反饋信號給電機，電機反轉，調節套隨皮帶轉動，下砂口增大口徑，從而增大下砂量。

進一步地，將鎖緊環調節到最大口徑時，控制電機的轉動圈數，以正轉3 圈為例，測量鎖緊環此時的口徑直徑，以此計算電機轉動一圈口徑縮小多少。

以此值為基準值，通過軟件寫入算法，自動計算實際下砂量與設定下砂量之間的差值，當實際下砂量與設定的下砂量差值為正值M 時，電機正轉N 圈，再次測量實際下砂量與設定的下砂量的差值，當差值M 趨近于0 時，此時的N 為當前最適合的圈數。當兩項差值為負值時，多次測試，確定電機反轉轉動的圈數。例如：當設定下砂量為1 kg，實際稱重顯示為3 kg，此時差值M=2 kg，電機正向轉動N=2 圈；再次進行混砂測試時，設定下砂量為1 kg，實際稱重顯示為2 kg，此時差值M=1 kg,電機正向轉動N=3；再次進行混砂測試，設定下砂量為1 kg，實際稱重顯示為0.8 kg，此時差值為0.2 kg，差值M 在誤差的允許范圍內，即此時的電機正轉圈數N=3 圈為當前合適圈數，并且此口徑為合適口徑。

當電機轉動某個圈數后，調試套調節口徑達到合適的口徑，實際下砂量與設定的下砂量偏差值達到設備要求的誤差范圍內時，PLC 反饋此信號，電機不再進行動作，此口徑為合適口徑，此方案通過稱重變送器反饋信號使步進電機動作，解決了下砂量不均勻時更換變徑困難的問題。

3 結束語

本文通過對3D 打印技術背景及下料口存在的問題進行全方面的闡述，直觀明了的提出了一種新型下料口的技術方案，在各種打印方式下皆可以沿用此種下料方式。

本文所述調節裝置，相對于先前的變徑方式而言結構簡單，通過步進電機能夠直接控制口徑大小；響應速度塊，通過PLC 信號控制口徑變換，無需人工拆換下料口，操作簡單實用、局限性小、可操作性高，能夠實現變徑快速變化，減少了因混砂罐內部空間小，更換變徑操作不方便的問題；同時縮短了調節時間，提升打印效率，并且從一定程度上節約了人工成本及采購成本。

3D 打印作為新的科技領域，已經實現了工業砂型的打印，目前打印砂型在工業領域的應用十分成功。未來的發展方向，也將是更高效，更智能化。隨著3D 打印技術的不斷發展，在以后的鑄造領域會逐漸替換原有的生產模式。摒棄傳統工業的笨重和對環境的污染，轉而變為輕巧、智能和環保的方式。相信未來3D 打印技術，一定能在工業領域得到大力推廣。