3DP 打印机清砂装置研究

白 雪，刘志超，王俊杰，任东东，王永恩

(共享智能装备有限公司，宁夏 银川 750021)

0 引言

3D 打印是一种通过逐层添加材料获得三维制件的增材制造技术。通常所见的3D 打印材料有丝状、粉末状的砂子、陶瓷、金属、塑料等。在3D 打印的诸多材料中，粉末状材料尤其是金属粉末、砂子、陶瓷粉末材料应用最为广泛。

目前3D 打印成型方法主要有激光烧结成型、紫外光固化成型、化学反应成型等。成型后，工作箱内产品的周围会有大量散砂需要清理，目前常用的清砂方法是将工作箱举升后，部分散砂自然掉落至砂斗内，砂斗中的砂子落满后，人工手动用吸尘器将砂斗内砂子清理干净，这种方法消耗人工且费时，只适用于成型尺寸小的机型。当成型尺寸变大时，人工手动用吸尘器吸砂的工作量变得巨大。本清砂装置通过自动传送装置（皮带输送装置、管链输送装置、螺旋输送装置）及举升结构等机械结构组合及逻辑组合，实现砂箱中浮砂的自动清理及旧砂的自动回收，可有效提升产品清砂效率，保证过程质量稳定、降低产品制造成本。

1 清砂装置技术方案

1.1 自动传送装置组成

一种清砂装置，通过自动传送装置（皮带输送装置、管链输送装置、螺旋输送装置）及举升结构等机械结构组合及逻辑组合，实现砂箱中浮砂的清理及旧砂的自动回收。

自动传送装置中的皮带输送装置如图1 所示，主要由两端的驱动轮及套在上面的闭合输送带组成。带动输送带转动的称为主动轮；另一个改变输送带运动方向的称为从动轮。主动轮由电机驱动，输送带依靠主动轮与输送带之间的摩擦力拖动。主动轮一般都装在卸料端，以增大牵引力，有利于拖动[1]。砂子由从动轮端喂入，落在转动的输送带上，依靠输送带带动砂子在卸料端卸出。输送带根据摩擦传动原理而运动，具有输送量大、输送距离长、输送平稳，砂子与输送带没有相对运动，噪声较小，结构简单、维修方便等优点。

图1 皮带输送装置示意图

自动传送装置中的管链输送装置如图2 所示，在密闭管道内，用链片做传动部件带动砂子沿管道运动。当水平输送时，砂子颗粒受到链片沿运动方向的推力。当砂子间的内摩擦力大于砂子与管壁的外摩擦力时，砂子就随链片向前运动，形成稳定的输送流。当垂直输送时，管内砂子受链片向上推力，因为下部给砂子阻止上部砂子下滑，产生了横向侧压力，所以增强了砂子的内摩擦力，当砂子间的内摩擦力大于砂子与管内壁外摩擦力及砂子自重时，砂子就随链片向上输送，形成连续输送流。管链输送装置易于实现集中控制，结构紧凑，占用空间小，全封闭状态，无粉尘泄露。

图2 管链输送装置示意图

自动传送装置中的螺旋输送装置如图3 所示，螺旋输送装置一般由输送槽体、进料口、卸料口、螺旋轴和驱动装置组成，螺旋轴由电机驱动旋转，砂子放入进料口，电机转动，螺旋输送至卸料口，可以用于水平或倾斜输送粉状、粒状和小块物料。其特点是结构简单、横截面尺寸小、密封性好、工作可靠，便于中间装料和卸料，输送方向可逆等。而且在输送过程中还可以对砂子进行搅拌、混合、加热和冷却等。

图3 螺旋输送装置示意图

清砂站中旧砂自动回收输送装置如图4 所示，旧砂回收输送装置可由皮带、管链、螺旋输送方式在水平方向与竖直方向任意组合，水平输送装置可采用皮带输送或者螺旋输送，竖直输送装置可采用管链输送，利用各种输送方式的优势进行组合，得出完全满足使用需求的装置结构。

图4 旧砂回收输送装置示意图

1.2 举升结构组成

清砂站中的举升结构采用三轴或多轴举升[2]，如图5 所示，三轴举升机构由三个单轴举升装置（图6）依次排列构成。图6 所示，清砂时，举升机构上升，电机转动，带动丝杆转动并上升，丝杆轴端装有编码器，时时反馈举升位置信息，保证举升时工作箱准停的精度。图5 中单轴举升装置1 中的电机负载为主动轴，单轴举升装置2 和单轴举升装置3 中的电机负载为从动轴，运动参数在主动轴电机的控制变频器中设置，从动轴中不设置参数，从而实现三轴的同步联动举升[3]。当工作箱变大，需要多轴举升时，此控制方式及机械结构同样适用。

图5 举升装置示意图

图6 单轴举升装置示意图

1.3 清砂装置结构组成及运行逻辑

该清砂站装置整体示意图如图7、图8。清砂装置的工作流程如下：当工作箱从打印机开出至清砂站准停后，按下举升机构上升按钮，系统控制举升电机1、举升电机2、举升电机3 正转，工作箱底板上升，打印好的砂型周围散砂下落至砂斗1～10 斗。砂斗下方留有敞开方口，砂斗中的砂子沿方口下落至砂斗下方的传送装置1、传送装置2、传送装置3、传送装置4 上，传送装置在各自电机驱动下转动，将传送装置上的砂子传送至斗提装置，斗提装置在电机的驱动下将砂子输送至储砂斗，按此流程循环往复至砂斗1～10 斗的蝶阀，直到砂子落完为止[2]。

图7 清砂站俯视图

图8 清砂站爆炸图

清砂站清砂逻辑如下:

工作箱在清砂站准停后，按下工作箱上升按钮，举升电机1、举升电机2、举升电机3 被驱动，电机正转，工作箱底板上升，打印好的砂型周围散砂下落至砂斗1～10 斗。工作箱停止举升后，系统控制先打开砂斗1、砂斗2、砂斗3、砂斗4、砂斗5、砂斗9 的蝶阀，同时驱动传送装置1、传送装置2 的电机，使传送装置1、传送装置2 开始传送，砂斗中的砂子下落至传送装置1、传送装置2 上，被传送至斗提装置内。系统控制再打开砂斗2、砂斗6、砂斗7、砂斗8、砂斗10 的蝶阀，同时驱动传送装置3、传送装置4 的电机，砂斗中的砂子下落至传送装置3、传送装置4 上，被传送至斗提装置内。砂斗蝶阀打开时，斗提装置的电机被同时驱动，开始输送传动装置上的旧砂，每个砂斗上安装低砂位检测传感器，当砂斗中砂位低至低砂位传感器检测位时，传送装置的电机停止转动。斗提装置的电机同时停止转动，当所有砂斗中低砂位传感器均有信号输入至系统时，砂斗中旧砂下落完毕，旧砂回收流程结束。该清砂装置节省了清砂流程中的时间，降低了清砂过程中的人工成本的损耗，整体降低了设备的制造成本。

3 结论

本文设计的清砂装置解决了人工手动完成旧砂回收耗时耗力、清砂流程慢等问题，有效提升清砂速度、节省人力、降低产品制造成本，为砂型3DP 打印机连续可靠性和高质量打印提供了保障。