一种3D打印覆膜砂快速微波固化设备及其固化方法与流程

一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备及其固化方法
技术领域
1.本发明属于覆膜砂3d打印技术领域，尤其是一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备及其固化方法。


背景技术：

2.3d打印覆膜砂分为两种，其一用红外光波长的二氧化碳激光器对覆膜砂进行逐层烧结叠加得到初坯，抗拉强度为0.25mpa，初坯再经过固化得到适用于铸造的砂型，强度为3mpa，其二通过喷射头对覆膜砂喷射粘结剂得到初坯，再经固化得到砂型。目前sls覆膜砂行业中，初坯固化均采用电加热烘箱进行，使用设备功率达到29.1kw.h，固化加热时间10-20小时不等，只能对整个加热腔进行温度时间设置，无法对物料各个位置进行温度控制，易受温度不一致影响，导致固化后的砂型整体质量下降，造成砂型内外部强度不均匀、开裂、变形等共性问题，而且该方法能源利用率低造成能源浪费严重。
3.工业微波炉普遍功率较高，多为隧道式，直接对物料进行加热无需工装，且都是急速整腔加热，无法对覆膜砂初坯形成由中心向四周均匀加热的效应，易发生加热过程中塌裂问题，不适用于3d打印的覆膜砂初坯固化，从而带来砂型内外部强度不均匀、开裂、变形等共性问题。


技术实现要素：

4.为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备及其固化方法，以解决背景技术所涉及的问题。
5.本发明提供一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备及其固化方法，包括：箱体；加热仓，设置在所述箱体内部，其纵截面为正多边形；石英玻璃工装，位于所述加热仓正多边形外接圆的圆心处，适于放置3d打印覆膜的初坯；微波发生器，共设置有多组，均匀分布在所加热仓侧面上、正对于石英玻璃工装，可分区、分位置调节。
6.优选地或可选地，所述石英玻璃工装内用玻璃珠填充覆盖初坯。
7.优选地或可选地，所述微波固化设备还包括：设置在所述加热仓底部的电加热系统，和位于所述加热仓中心顶部的循环抽风机。
8.优选地或可选地，所述石英玻璃工装底部设置有旋转支架，适于控制初坯旋转。
9.本发明还提供一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备的固化方法，所述方法包括：选取近球形覆膜砂粉末作为打印材料，采用sls快速成型设备将筛分后的覆膜砂烧结制作初坯；将初坯放入特制的微波固化石英玻璃工装中，用玻璃珠填充覆盖；据产品尺寸、结构设置固化参数；所述固化参数包括微波发生器开启顺序、数量、
位置、时间，电加热温度、电加热时间；待加热停止后，随炉冷却至温度40-50℃，关闭各电源。
10.优选地或可选地，所述方法还包括：在微波达到预定温度后，停止微波加热，并使用电加热系统维持整个加热仓的在该预定温度。
11.优选地或可选地，所述固化参数的计算方法包括：基于初坯模型，获得微波固化覆膜砂的电磁场与热力场；采用顺序耦合优化分析电磁场与热力场，得到微波电磁场温度分布，实现对覆膜砂升温规律的预测；获得覆膜砂初坯的微波加热最优参数。
12.优选地或可选地，所述加热仓设置有六个侧面，在每个侧面上均设置有两组微波发生器，所述侧面分别为第一侧面、第二侧面第三侧面、第三侧面、第五侧面、第六侧面；所述微波发生器包括：由下至上在第一侧面的第一微波发生器、第二微波发生器；由下至上在第二侧面上的第三微波发生器、第四微波发生器；由下至上在第二侧面上的第五微波发生器、第六微波发生器；由下至上在第二侧面上的第七微波发生器、第八微波发生器；由下至上在第二侧面上的第九微波发生器、第十微波发生器；由下至上在第二侧面上的第十一微波发生器、第十二微波发生器。
13.优选地或可选地，对于初坯尺寸在200*200*150mm以内，依次开启12个微波发生器、设置时间5min30s；或者，对于初坯尺寸在200*200*150mm-400*400*300mm之间，先开第一微波发生器、第二微波发生器、第五微波发生器、第六微波发生器、第九微波发生器、第十微波发生器，设置时间3mim，再开启剩余的微波发生器，设置时间6min；或者，对于初坯尺寸在400*400*300mm以上，先开启微波发生器第一微波发生器、第四微波发生器、第五微波发生器、第八微波发生器、第九微波发生器、第十二微波发生器，设置时间4min30s，再开启剩余的微波发生器，设置时间8min；最后开启电加热系统，设置温度200℃、时间10min。
14.对于初坯结构具有薄壁悬梁结构的，先开启第四微波发生器、第五微波发生器、第八微波发生器、第九微波发生器，设置时间3mim，再开启微波发生器第一微波发生器、第六微波发生器、第十微波发生器、第十一微波发生器，设置时间4mim，最后开启剩余的微波发生器，设置时间5mim。
15.本发明涉及一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备及其固化方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：1、本发明通过采用微波加热的方法，可使覆膜砂初坯烘烤时间大幅缩短，由10-20小时缩短至5-15分钟，保证砂型固化均匀，内外部强度一致，提高能源利用率，减少砂型制作的成本，缩短整个砂型制作周期。
16.2、本发明采用的特制石英玻璃工装在承受覆膜砂300kg重量，又能穿透电磁波，减少电磁反射，没有能量损耗，利用率高。
17.3、本发明的微波发生器均匀分布在所述侧壁上，对初坯中心，尤其针对复杂多薄壁、悬梁结构可分区、分位置调节，提高加热的均匀性。
18.4、本发明的循环抽风机安装在初坯中心正上面，可减少初坯局部过热，确保腔体辐射场分布、加热均匀。
19.5、当物料温度达到设定温度后，不再使用微波加热，采用电加热系统维持整个加热仓的温度，电加热是从外向内部传输的，不会直接对物料中心加热，一方面，避免微波关闭后温度下降另一方面，防止覆膜砂初坯内部热量聚集，温度过高。
20.6、通过数学模型，针对不同尺寸、结构的初坯设置合理的固化参数，保证均匀控制初坯需要的温度，防止初坯心部聚热导致变形开裂等问题。
21.综上，通过上述方法和设备对物料由中心向四周均匀加热的特性，解决了工业微波炉整个加热仓急剧升温的不足。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图。
23.图2是本发明中微波发生器的位置示意图。
24.图3是本发明中玻璃工装的结构示意图。
25.图4是本发明实施例1在400s后的温度分布图。
26.图5是本发明实施例2在600s后的温度分布图。
27.图6是本发明实施例3在7mins后的温度分布图。
28.图7是本发明中初坯试块中心点温度时间历程曲线图。
29.图8是本发明中对比例和实施例的实物切片图。
30.附图标记为：电源ⅰ、加热仓ⅱ、微波发生器ⅲ、电加热系统ⅳ、循环抽风机
ⅴ
、旋转支架ⅵ、第一微波发生器1、第二微波发生器2、第三微波发生器3、第四微波发生器4、的第五微波发生器5、第六微波发生器6、第七微波发生器7、第八微波发生器8、第九微波发生器9、第十微波发生器10、第十一微波发生器11、第十二微波发生器12。
具体实施方式
31.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
32.一方面，参阅附图1至3，一种3d打印覆膜砂快速微波固化设备，包括：电源ⅰ、加热仓ⅱ、微波发生器ⅲ、电加热系统ⅳ、循环抽风机
ⅴ
、旋转支架ⅵ、第一微波发生器1、第二微波发生器2、第三微波发生器3、第四微波发生器4、的第五微波发生器5、第六微波发生器6、第七微波发生器7、第八微波发生器8、第九微波发生器9、第十微波发生器10、第十一微波发生器11、第十二微波发生器12。
33.其中，箱体用于容纳加热设备和初坯。在箱体外部设置有电源ⅰ和控制面板，适于微波发生器ⅲ的开启和关闭，调整固化参数。
34.加热仓ⅱ设置在所述箱体内部，其纵截面为正多边形；在本实施例中，所述加热仓ⅱ设置有六个侧面，在每个侧面上均设置有两组微波发生器ⅲ，所述侧面分别为第一侧面、第二侧面第三侧面、第三侧面、第五侧面、第六侧面；所述微波发生器ⅲ包括：由下至上在第
一侧面的第一微波发生器1、第二微波发生器2；由下至上在第二侧面上的第三微波发生器3、第四微波发生器4；由下至上在第二侧面上的第五微波发生器5、第六微波发生器6；由下至上在第二侧面上的第七微波发生器7、第八微波发生器8；由下至上在第二侧面上的第九微波发生器9、第十微波发生器10；由下至上在第二侧面上的第十一微波发生器11、第十二微波发生器12。其中，微波发生器ⅲ均匀分布在所述侧壁上，对初坯中心，尤其针对复杂多薄壁、悬梁结构可分区、分位置调节，提高加热的均匀性。
35.石英玻璃工装位于所述加热仓ⅱ正多边形外接圆的圆心处，适于放置3d打印覆膜的初坯，所述石英玻璃工装内用玻璃珠填充覆盖初坯。所述石英玻璃工装底部设置有旋转支架ⅵ，适于控制初坯旋转。所述石英玻璃工装在承受覆膜砂300kg重量，又能穿透电磁波，减少电磁反射，没有能量损耗，利用率高。
36.所述微波固化设备还包括：设置在所述加热仓ⅱ底部的电加热系统ⅳ，和位于所述加热仓ⅱ中心顶部的循环抽风机
ⅴ
。所述循环抽风机
ⅴ
安装在初坯中心正上面，可减少初坯局部过热，确保腔体辐射场分布、加热均匀。当物料温度达到设定温度后，不再使用微波加热，采用电加热系统ⅳ维持整个加热仓ⅱ的温度，电加热是从外向内部传输的，不会直接对物料中心加热，一方面，避免微波关闭后温度下降另一方面，防止覆膜砂初坯内部热量聚集，温度过高。
37.另一方面，一种基于所述的3d打印覆膜砂快速微波固化设备的固化方法，所述方法包括：选取近球形覆膜砂粉末作为打印材料，采用sls快速成型设备将筛分后的覆膜砂烧结制作初坯；将初坯放入特制的微波固化石英玻璃工装中，用玻璃珠填充覆盖；据产品尺寸、结构设置固化参数；所述固化参数包括微波发生器ⅲ开启顺序、数量、位置、时间，电加热温度、电加热时间；对于大尺寸的初坯而言，在微波达到预定温度后，停止微波加热，并使用电加热系统ⅳ维持整个加热仓ⅱ的在该预定温度，待加热停止后，随炉冷却至温度40-50℃，关闭各电源ⅰ。
38.其中，所述固化参数的计算方法包括：基于初坯模型，获得微波固化覆膜砂的电磁场与热力场；采用顺序耦合优化分析电磁场与热力场，得到微波电磁场温度分布，实现对覆膜砂升温规律的预测；获得覆膜砂初坯的微波加热最优参数。
39.具体来说，首先采用有限元单元对初坯模型采用自适应网格，然后为单元施加条件，即根据微波下陶瓷玻离珠导热系数变化规律选择玻璃珠的导热系数0.195-0.21、微波发生器ⅲ顺序、数量、作用时间，并计算得出电磁场和温度场分布。因电磁场对温度场有很大影响，而温度场对电磁场的影响很小，故求解温度分布时采用顺序耦合的方法，即先做电磁的分析，再将电磁场分析的结果用于温度场分析。然后通过全功率中心区域温度随时间变化规律曲线得到初步预测，其结果参考图7。另外，由于随着初坯尺寸增大中心聚热过快，导致加热不均一，因此分别对不同尺寸物料进行实验验证，需要选择控制微波发生器ⅲ顺序，再次模拟得到结果，再次实验验证，重复叠加，可得到不同尺寸的不同参数。
40.下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.实施例1一种3d打印覆膜砂快速微波固化方法，包括如下步骤：
步骤1、初坯制作：选取原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品，120～140目的近球形覆膜砂粉末作为打印材料，采用sls快速成型设备将筛分后的覆膜砂按照激光功率60w、扫描速度3.8m/s、层厚0.25mm、扫描间距0.2mm参数烧结制作初坯，强度为0.25mpa，得到初坯尺寸在200*200*150mm以内的3d覆膜砂。
42.步骤2、微波固化设备使用：将初坯放入特制的微波固化石英玻璃工装中，用玻璃珠填充覆盖；步骤3、微波固化：依次开启12个微波发生器、设置时间5min30s；待加热停止后，随炉冷却至温度40-50℃，关闭各电源。
43.实施例2一种3d打印覆膜砂快速微波固化方法，包括如下步骤：步骤1、初坯制作：选取原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品，120～140目的近球形覆膜砂粉末作为打印材料，采用sls快速成型设备将筛分后的覆膜砂按照激光功率60w、扫描速度3.8m/s、层厚0.25mm、扫描间距0.2mm参数烧结制作初坯，强度为0.25mpa，得到初坯尺寸在200*200*150mm-400*400*300mm之间的3d覆膜砂。
44.步骤2、微波固化设备使用：将初坯放入特制的微波固化石英玻璃工装中，用玻璃珠填充覆盖；步骤3、微波固化：先开第一微波发生器、第二微波发生器、第五微波发生器、第六微波发生器、第九微波发生器、第十微波发生器，设置时间3mim，再开启剩余的微波发生器，设置时间6min；待加热停止后，随炉冷却至温度40-50℃，关闭各电源。
45.实施例3一种3d打印覆膜砂快速微波固化方法，包括如下步骤：步骤1、初坯制作：选取原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品，120～140目的近球形覆膜砂粉末作为打印材料，采用sls快速成型设备将筛分后的覆膜砂按照激光功率60w、扫描速度3.8m/s、层厚0.25mm、扫描间距0.2mm参数烧结制作初坯，强度为0.25mpa，得到初坯尺寸在400*400*300mm以上的3d覆膜砂。
46.步骤2、微波固化设备使用：将初坯放入特制的微波固化石英玻璃工装中，用玻璃珠填充覆盖；步骤3、微波固化：先开启微波发生器第一微波发生器、第四微波发生器、第五微波发生器、第八微波发生器、第九微波发生器、第十二微波发生器，设置时间4min30s，再开启剩余的微波发生器，设置时间8min；最后开启电加热系统，设置温度200℃、时间10min。待加热停止后，随炉冷却至温度40-50℃，关闭各电源。
47.实施例4一种3d打印覆膜砂快速微波固化方法，包括如下步骤：步骤1、初坯制作：选取原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品，120～140目的近球形覆膜砂粉末作为打印材料，采用sls快速成型设备将筛分后的覆膜砂按照激光功率60w、扫描速度3.8m/s、层厚0.25mm、扫描间距0.2mm参数烧结制作初坯，强度为0.25mpa，得到初坯结构具有薄壁悬梁结构的3d覆膜砂。
48.步骤2、微波固化设备使用：将初坯放入特制的微波固化石英玻璃工装中，用玻璃珠填充覆盖；
步骤3、微波固化：先开启第四微波发生器、第五微波发生器、第八微波发生器、第九微波发生器，设置时间3mim，再开启微波发生器第一微波发生器、第六微波发生器、第十微波发生器、第十一微波发生器，设置时间4mim，最后开启剩余的微波发生器，设置时间5mim。待加热停止后，随炉冷却至温度40-50℃，关闭各电源。
49.检测例对实施例1中得到的产品固化后，对齐产品进行切片，参阅附图8，其中，图左为传统电加热得到的产品切片图，所需固化时间为12小时；图右为实施例1中所得到的产品切片图，所需固化时间为6min。
50.可以看出，实施例1得到产品固化均匀性优于传统电加热，从外形上看，采用本发明固化方法得到从产品的外表层颜色一致均为淡黄色（图8中为灰色），而传统固化方法得到的产品的外表面已经要成深褐色（图8中为深灰色）了，说明表层过度烘烤了，其强度也低于微波固化。
51.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。