全向行驶的熔融沙打印平台及熔融沙粒打印成型方法与流程

本发明公开了一种3d打印装置和打印方法，特别是一种全向行驶的熔融沙打印平台及熔融沙粒打印成型方法。

背景技术

3d打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，3d打印机的工作原理与普通打印机基本相同，是通过电脑控制把“打印材料”一层一层地叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物，这项技术常常在模具制造、工业设计等领域，被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，目前存在多种3d打印技术，常用的技术包括粘结材料三维打印、光固化三维打印以及熔融材料三维打印等。对于熔融材料，现有的方式一般为先将材料熔融导出之后使用喷嘴喷出高速气体冲击熔融材料最后以粉末的形式喷出。这样的结构较为复杂，其熔融过程需要有熔融装置，熔融装置下需要接导流装置，喷嘴一般设置在导流装置末端将熔融材料喷射开。这样的喷射方式使得熔融材料无法准确的到达冲击选区，熔融材料被冲散开其各部分速度不一致导致其最终成型的结构各部分强度不尽相同。

laval(拉瓦尔)超音速喷嘴是现行最常用的气雾化喷嘴形式，它主要能使喷嘴获得超音速气流，这有利于粉末的细化。具有hartmann十字交叉共振管是一种能在流场中产生高频震荡的结构结构的超音速喷嘴则能够使雾化气流得到稳定的压力振动。

现有的3d打印机一般只能打印体积比较小的零件，对于如建筑物这样体型庞大的物体则无法打印，并且现有的3d打印机需要依赖现有的熔融材料进行打印而不能自行生成熔融材料。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种全向行驶的熔融沙打印平台及熔融沙粒打印成型方法，该全向行驶的熔融沙打印平台能够直接熔融沙粒并将呈粘液态或者半固态的沙粒准确的喷射成型，可以打印如建筑物这类的体型庞大的构件。

技术方案：一种全向行驶的熔融沙打印平台，包括全向移动平台和燃烧喷嘴，其中全向移动平台包括全向移动底座，安装于全向移动底座上的旋转轴，固定于旋转轴上的升降台以及固定在升降台上的悬臂；燃烧喷嘴安装于悬臂末端；燃烧喷嘴包括十字交叉的hartmann双级共振管和具有laval管自适应喉部特征的喷嘴以及载气管道，氧气管道与乙炔管道与双级共振管的十字交叉口连通，沙粒由载气管道进入十字交叉的hartmann双级共振管的十字交叉口处进行熔融并由喷嘴喷出。

其中，燃烧喷嘴包括载气管道、一级共振管、二级共振管和喷嘴，载气管道与封闭的一级共振管在一条直线上，封闭的二级共振管和喷嘴位于同一直线上，载气管道、一级共振管、二级共振管、喷嘴形成十字交叉的hartmann双级共振管，十字交叉处设有火花塞，载气管道入口处具有laval管自适应喉部特征，沙粒进料管与载气管道连通，氧气管道与乙炔管道与双级共振管的十字交叉口连通。

其中，氧气管道、乙炔管道以及载气管道中心线位于同一平面上，且氧气管道与乙炔管道关于载气管道对称设置。

其中，为了能够控制沙粒进入量以及氧气和乙炔冲入量，载气管道、沙粒进料管、氧气管道或乙炔管道上设置有流量阀。

其中，为了使得喷嘴喷出熔融态沙粒时冲击力度足够大，喷嘴整体呈圆锥形，喷嘴出口处截面直径最小，使得出口熔融沙粒喷出速度达到最大值。喷嘴靠近出口处还可以设置laval管自适应喉部特征，从而进一步增大熔融沙粒的喷出速度。喷嘴设置成锥形的同时，载气管道、一级共振管和二级共振管交汇处管径相同且相切，载气管道和一级共振管与喷嘴的侧边相切，喷嘴与二级共振管交汇处的内部管道截面直径大于二级共振管在交汇处的截面直径。这样的结构使得沙粒进入时沿着锥形喷嘴的侧壁在锥形喷嘴内部环绕形成旋流，从而延长沙粒在喷嘴内部的停留时间，使得沙粒能够充分熔融。

为了使得沙粒能够充分熔融，火花塞沿着喷嘴侧壁设置有多个，氧气管道与乙炔管道设有多个分支管分别与喷嘴设有火花塞的高度处的内管道连通，这样在喷嘴的入口到出口均可以保持高温状态，使得喷出的沙粒得到充分的加热熔融。

本专利发明还公开了一种利用上述的全向行驶的熔融沙打印平台进行沙粒熔融打印成型的方法：包括如下步骤：

步骤1)将沙粒进料管的入口处连接软管，将软管埋入原料沙粒池；

步骤2)在氧气管道与乙炔管道内分别通入氧气和乙炔气体，氧气和乙炔的容量比例为1∶1～1∶1.5；

步骤3)当喷嘴十字交叉处的温度在1700℃～2000℃之间时，在载气管道内通入高压惰性气体，高压惰性气体在载气管道内形成高速气流，使得载气管道内形成负压将沙粒吸入双级共振管内部进行熔融并由喷嘴处喷出，此时控制全向移动底座移动，并控制旋转轴上的升降台带动悬臂移动至合适位置，保证燃烧喷嘴的喷嘴正对砂型成型位置，且距离该位置25～150mm。

有益效果：本发明所提供的全向行驶的熔融沙打印平台能够充分的将沙粒熔融，自行生成粘液态或者半固态的沙粒，并喷出具有足够的冲击力冲击选区的粘流状的沙粒，在外部凝固成型为致密的立体构件。本发明所提供的沙粒熔融打印成型的方法能够合理的使用自然环境中现有的沙粒进行3d打印成型为固定建筑物或致密的大型构件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1燃烧喷嘴的主视剖视图；

图3为本发明实施例1燃烧喷嘴的主视图；

图4为本发明实施例1燃烧喷嘴的立体图；

图5为本发明实施例1燃烧喷嘴的主视剖视图；

图6为本发明实施例2燃烧喷嘴的左视图；

图7为本发明实施例2燃烧喷嘴的a-a剖视图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种全向行驶的熔融沙打印平台，包括全向移动平台1和燃烧喷嘴2，全向移动平台1包括全向移动底座11，安装于全向移动底座11上的旋转轴12，固定于旋转轴12上的升降台13以及固定在升降台13上的悬臂14；燃烧喷嘴2安装于悬臂14末端，悬臂14可伸缩，悬臂14伸出全向移动底座11。全向平台11采用激光雷达进行导航。全向移动平台1可采用如专利公开号为cn106647741a的专利文献中所公开的基于激光导航的全方位运动机构控制系统进行全方位运动控制，即采用激光雷达进行导航和定位。旋转轴12和升降台13全方位运动机构控制系统发出的指令进行旋转或者升降，从而使得燃烧喷嘴2喷出的1熔融沙粒可实现逐层打印。

如图2所示，燃烧喷嘴具体包括载气管道21、沙粒进料管22、一级共振管23、二级共振管24和喷嘴25，载气管道21与封闭的一级共振管23在一条直线上，封闭的二级共振管24和喷嘴25位于同一直线上，载气管道21、一级共振管23、二级共振管24、喷嘴25形成十字交叉口29的hartmann双级共振管，载气管道21与一级共振管23的中心线位于同一直线上，同样的喷嘴25与二级共振管24的中心线也位于同一直线上。

十字交叉口29处设有火花塞28，载气管道21入口处具有laval管自适应喉部201，沙粒进料管22与载气管道21垂直连通，并且沙粒进料管22位于载气管道21入口处laval管的自适应喉部201靠近十字交叉hartmann双级共振管的一侧。氧气管道26与乙炔管道27与双级共振管的十字交叉口连通。氧气管道26、乙炔管道27以及载气管道21中心线位于同一平面上，且均设置于锥形外壳体202内，且氧气管道26与乙炔管道27关于载气管道21对称设置。火花塞28沿着喷嘴25侧壁高度方向设置有多个，氧气管道26与乙炔管道27设有多个分支管分别与喷嘴25设有火花塞28的高度处的内管道连通。

为了能够调节沙子吸入速率以及氧气和乙炔充入速率，载气管道21、沙粒进料管22、氧气管道26或乙炔管道27上设置有流量阀。

为了使得喷出的熔融态沙粒能够有足够的冲击力冲击选区，喷嘴25靠近出口处设置有laval管自适应喉部特征。

如图2所示，载气管道21从入口处一直沿着相同的斜率收缩至喉部201，喉部201距离载气管道21入口处的距离为载气管道总长的1/8～1/6，而沙粒进料管22离入口处距离不超过载气管道21总长的1/5，使得沙粒能够被充分加速雾化，当沙粒到达十字交叉口29处时其粒径变小，更加有利于加热熔融。

如图5所示，载气管道21从入口处一直沿着相同的斜率收缩至喉部201，喉部201再沿着相同的斜率一直扩张至十字交叉口29即载气管道21和一级共振管23、二级共振管24交汇处。同样的，喷嘴25内部管径则从十字交叉口29处收缩至其靠近出口处的laval管自适应喉部，再由该自适应喉部扩张至出口。此种设计可充分利用管道长度，加速气体或熔融态沙粒。

实施例2

如图6所示，实施例1中的全向行驶的熔融沙打印平台的燃烧喷嘴2还可以采用如下结构：

燃烧喷嘴2包括载气管道21、沙粒进料管22、一级共振管23、二级共振管24和喷嘴25，载气管道21与封闭的一级共振管23在一条直线上，封闭的二级共振管24和喷嘴25位于同一直线上，载气管道21、一级共振管23、二级共振管24、喷嘴25形成十字交叉口29的hartmann双级共振管，十字交叉口29处设有火花塞28，载气管道21入口处具有laval管自适应喉部201，沙粒进料管22与载气管道21垂直连通，并且沙粒进料管22位于载气管道21入口处laval管的自适应喉部201靠近十字交叉hartmann双级共振管的一侧。氧气管道26与乙炔管道27与双级共振管的十字交叉口连通。氧气管道26、乙炔管道27以及载气管道21中心线位于同一平面上，且氧气管道26与乙炔管道27关于载气管道21对称设置。火花塞28沿着喷嘴25侧壁高度方向设置有多个，氧气管道26与乙炔管道27设有多个分支管分别与喷嘴25设有火花塞28的高度处的内管道连通。

为了能够调节沙子吸入速率以及氧气和乙炔充入速率，载气管道21、沙粒进料管22、氧气管道26或乙炔管道27上设置有流量阀。

为了使得喷出的熔融态沙粒能够有足够的冲击力冲击选区，喷嘴25靠近出口处设置有laval管自适应喉部特征。

本实施例中喷嘴25内部管道整体呈圆锥形，喷嘴25出口处截面直径最小。喷嘴25靠近出口处设有laval管自适应喉部特征。该laval管自适应喉部特征离喷嘴25入口处距离为喷嘴25总高度的1/10～1/12，喷嘴25在十字交叉口29处的截面直径为载气管道21、一级共振管23或二级共振管24的1.5～5倍，载气管道21、一级共振管23或二级共振管24在十字交叉口29处的截面均为圆形且直径相等。载气管道21、一级共振管23与二级共振管24交汇处相切，载气管道21和一级共振管23中心线位于同一直线上且与喷嘴25的侧边相切。

上述喷嘴25的结构形式使得当沙粒进入十字交叉口29处时，形成旋流，使得沙粒能够更长时间的停留在喷嘴内进行充分熔融，当沙粒熔融后由于相互凝结，重量变大往下坠落，但未被充分熔融的沙粒则由于旋流的作用向上运动，待充分熔融后再喷出。

一种利用上述两个实施例中的全向行驶的熔融沙打印平台进行沙粒熔融打印成型的方法：包括如下步骤：

步骤1)将沙粒进料管的入口处连接软管，将软管埋入原料沙粒池；

步骤2)在氧气管道6与乙炔管道7内分别通入氧气和乙炔气体，氧气和乙炔的容量比例为1∶1～1∶1.5；

步骤3)当喷嘴十字交叉处的温度在1700℃～2000℃之间时，在载气管道内通入高压惰性气体，高压惰性气体在载气管道内形成高速气流，使得载气管道内形成负压将沙粒吸入双级共振管内部进行熔融并由喷嘴5处喷出，此时控制全向移动底座移动，并控制旋转轴上的升降台带动悬臂移动至合适位置，保证燃烧喷嘴的喷嘴5正对砂型成型位置，且距离该位置25～150mm。