CN103394693B - 一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置及方法，包括支撑框架、X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动装置、激光打印装置和工作平台，其特征在于：还包括工作平台与Z轴传动装置的联接处设置的绕X轴转动机构和工作平台的中心位置上设置的绕Z轴转动机构，在工作平台与成型底板之间还设有成型平台，成型底板通过螺栓固定在成型平台上。方法包括：三维绘图，图片处理，代码生成，装置调整，工件打印，装置复位。本发明的有益效果是：利用软件技术区分工件的主体部分与悬臂部分，将本体部分和悬臂部分分别设置在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形，最终得到不用支撑直接激光熔覆制造的大角度悬臂结构工件。
Description
技术领域
本发明涉及激光多维打印装置领域，尤其是一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置及方法。
背景技术
目前，激光多维打印打印技术（3D打印技术），是基于离散-堆积原理进行任意复杂形状工件直接个性化制造的一类成形方式，主要包括光固化、熔融挤压技术、分层实体制造、激光选区烧结/熔化、激光熔覆快速制造、电子束选区熔化成形、3DP技术等。
由于3D打印技术为分层制造，对带有大角度悬臂结构工件的制造均需要考虑支撑结构。光固化成型和熔融挤压制造的支撑是在成形加工时通过软件添加支撑结构，支撑结构和本体结构一起成形，最后将支撑结构去掉；叠层制造、激光选区烧结/熔化、电子束选区熔化、3DP技术等在成形过程中不需要另外添加支撑，而是用自身材料作为支撑，如分层实体制造工艺中切碎的纸、3DP中未喷粘结剂的粉末、激光选区烧结/熔化工艺中未熔化的粉末；激光熔覆快速制造是利用送粉器将金属粉末输送到激光熔池中并按一定路径堆积制造三维工件的技术，对于大角度悬臂结构工件的制造，它既没有自身材料作为支撑，也不合适添加支撑结构，悬臂部分主要受已成形部分的支撑，角度不宜过大。
工程实践中经常遇到大角度悬臂结构工件的制造，诸如管台、壳台等工件，悬臂部分的角度接近或达到90度，单纯依靠已成形部分“搭积木”式的支撑不能满足成形需要。
美国发明专利“一种大角度悬臂结构工件的激光熔覆成形方法”（公告号：US20060003095A1，公开日期2006年6月5日）报道中，提出了一种利用激光熔覆头旋转的成形方法，成形悬臂部分时将激光熔覆头旋转到与悬臂部分的横截面垂直位置，熔覆粉末的成形方向与激光熔覆头一致，但依然处于悬臂状态。
中国发明专利“多维激光焊接塑料装置”（专利号：ZL200410066447.5，授权公告日2009年1月28日）报道中，提到了一种多维激光塑料焊接装置，它采用X轴、Y轴、Z轴、光纤激光器焊接头绕Y轴摆动、转盘绕Z轴旋转的多维运动装置实现复杂几何形状塑料的焊接，该发明成形范围小，不能进行工件的直接三维成形。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现带有大角度悬臂结构金属工件可以不采用支撑结构而一次激光熔覆成型的可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置及方法。
为了完成上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置，包括支撑框架、X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动装置、激光打印装置和工作平台，所述的支撑框架为立体框架结构，X轴传动装置和Y轴传动装置在水平面内互相垂直并固定在支撑框架的顶部框架上，Z轴传动装置固定在支撑框架的侧面框架上，激光打印装置固定在Y轴传动装置上，工作平台固定在Z轴传动装置上，在工作平台的中心位置上固定有成型底板，还包括工作平台与Z轴传动装置的联接处设置的绕X轴转动机构和工作平台的中心位置上设置的绕Z轴转动机构，在工作平台与成型底板之间还设有成型平台，成型底板通过螺栓固定在成型平台上。
所述的X轴传动装置包括两组相对设置的X轴传动导轨和X轴滑块，X轴传动导轨和X轴滑块相互配合，X轴传动导轨固定在支撑框架的顶部横向框架结构上。
所述的Y轴传动装置包括Y轴传动导轨和Y轴滑块，Y轴传动导轨和Y轴滑块相互配合，Y轴传动导轨固定在X轴滑块上。
所述的Z轴传动装置包括两组相对设置的Z轴传动导轨和Z轴滑块，Z轴传动导轨和Z轴滑块相互配合，Z轴传动导轨固定在支撑框架的侧面纵向框架结构上，工作平台的两端分别固定在两个相对设置的Z轴滑块上。
所述的激光打印装置包括激光打印头、激光打印头紧固装置和摆臂；激光打印头紧固装置和摆臂之间相互铰接并设有铰轴，通过摆臂对激光打印头进行微调，激光打印头紧固装置固定在Y轴滑块上。
所述的绕X轴转动机构包括设置在工作平台一端的蜗杆电机和设置在工作平台另一端的从动转动轴承，蜗杆电机和从动转动轴承分别固定在Z轴传动装置上，蜗杆电机的输出轴通过联轴器与工作平台的一端相联接并带动工作平台做绕X轴方向的转动。
所述的绕Z轴转动机构包括伺服电机和联轴器，伺服电机的输出轴通过联轴器与工作平台和成型平台相联接，伺服电机固定在工作平台的下方。
大角度悬臂结构件的激光多维打印方法包括以下步骤：
A、三维绘图，采用商业化三维绘图软件对工件建模并存储成电子图片文件；
B、图片处理，利用分层软件对已经做好的电子图片文件进行切片处理，并区分为工件主体部分或工件悬臂部分；
C、代码生成，利用成形软件对工件悬臂部分或主体部分分别进行处理，生成驱动各个传动机构运动的数控代码；
D、装置调整，在打印开始前，将工作平台旋转至水平位置，使成型平台保持不动，将激光打印头调整成平行于Z轴方向并与水平面垂直；
E、工件打印，先对工件主体部分进行三维打印，当工件主体部分打印完毕或通过悬臂部分后，通过绕X轴转动机构的蜗杆电机以及绕Z轴转动机构的伺服电机驱动工作平台和成型平台转动，使悬臂部分调整到水平面上，视工件主体自身为支撑部分，激光打印头仍然垂直于悬臂部分，然后驱动运动机构对悬臂部分进行三维打印；
F、装置复位，工件主体和悬臂部分分别打印完成后，取出安装在成型平台上的成形底板和工件，将X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动装置、工作平台和成型平台复位。
所述的步骤B中，当检测到工件的一部分与工件主体部分的夹角超过60°时，则工件的此处部分需要支撑并将其视为悬臂部分，其余部分视为工件主体部分。
本发明的有益效果是：利用软件技术区分工件的主体部分与悬臂部分，成形本体部分时利用平行于Z轴的激光熔覆头在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形；成形悬臂部分时利用两个旋转装置将悬臂部分旋转，使其横截面平行于水平面，然后利用激光熔覆头在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形，最终得到不用支撑直接激光熔覆制造的大角度悬臂结构工件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中Z轴传动装置的结构示意图。
图3是图1中激光打印装置的结构示意图。
图4是图1中工作平台的结构示意图。
图5是图1中成型平台的结构示意图。
图6是本发明中工件主体部分的成型示意图。
图7是本发明中工件悬臂部分的成型示意图。
图中，1、支撑框架，2、X轴传动装置，2-1、X轴传动导轨，2-2、X轴传动滑块，3、Y轴传动装置,3-1、Y轴传动导轨，3-2、Y轴传动滑块，4、激光打印装置，4-1、激光打印头，4-2、摆臂，4-3、激光打印头紧固装置，5、Z轴传动装置，5-1、Z轴传动导轨，5-2、Z轴传动滑块，6、成型平台，7、绕Z轴转动机构,8、成型底板，9、工作平台，10、绕X轴转动机构，11、工件，11-1、主体部分，11-2、悬臂部分,12、蜗杆电机。
具体实施方式
本发明为一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置及方法，利用软件技术区分工件的主体部分与悬臂部分，成形本体部分时利用平行于Z轴的激光熔覆头在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形；成形悬臂部分时利用两个旋转装置将悬臂部分旋转，使其横截面平行于水平面，然后利用激光熔覆头在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形，最终得到不用支撑直接激光熔覆制造的大角度悬臂结构工件。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
具体实施例，如图1至图7所示，一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置，包括支撑框架1、X轴传动装置2、Y轴传动装置3、Z轴传动装置5、激光打印装置4和工作平台9，所述的支撑框架1为立体框架结构，X轴传动装置2和Y轴传动装置3在水平面内互相垂直并固定在支撑框架1的顶部框架上，Z轴传动装置5固定在支撑框架1的侧面框架上，激光打印装置4固定在Y轴传动装置3上，工作平台9固定在Z轴传动装置5上，在工作平台9的中心位置上固定有成型底板8，待打印工件11将在成型底板8上完成打印，还包括工作平台9与Z轴传动装置5的联接处设置的绕X轴转动机构10和工作平台9的中心位置上设置的绕Z轴转动机构7，绕X轴转动机构10将工作平台9转动使工件11做绕X轴方向的转动，在工作平台9与成型底板8之间还设有成型平台6，成型底板8通过螺栓固定在成型平台6上，绕Z轴转动机构7将成型底板8和成型平台6旋转带动工件11做Z轴方向的转动，X轴传动装置2、Y轴传动装置3、Z轴传动装置5联动控制激光打印装置4在水平面上将工件11的主体部分11-1打印成型，绕X轴转动机构10和绕Z轴转动机构7联动控制调整工件11的角度完成悬臂部分11-2的打印。
所述的X轴传动装置2包括两组相对设置的X轴传动导轨2-1和X轴滑块2-2，X轴传动导轨2-1和X轴滑块2-2相互配合，X轴传动导轨2-1固定在支撑框架1的顶部横向框架结构上，X轴滑块2-2可在X轴传动导轨2-1上做X轴方向的移动。
所述的Y轴传动装置3包括Y轴传动导轨3-1和Y轴滑块3-2，Y轴传动导轨3-1和Y轴滑块3-2相互配合，Y轴滑块3-2可在Y轴传动导轨3-1上做Y轴方向的移动，Y轴传动导轨3-1固定在X轴滑块2-2上，X轴传动装置2和Y轴传动装置3联动可控制激光打印装置4在水平面上完成任意坐标位置的打印工作。
所述的Z轴传动装置5包括两组相对设置的Z轴传动导轨5-1和Z轴滑块5-2，Z轴传动导轨5-1和Z轴滑块5-2相互配合，Z轴滑块5-2可在Z轴传动导轨5-1上做Z轴方向的移动，Z轴传动导轨5-1固定在支撑框架1的侧面纵向框架结构上，工作平台9的两端分别固定在两个相对设置的Z轴滑块5-2上。
所述的X轴传动装置2、Y轴传动装置3和Z轴传动装置5的运动还可以通过滚珠丝杠、皮带传动及液压传动等一种或多种方式实现。
所述的激光打印装置4包括激光打印头4-1、激光打印头紧固装置4-3和摆臂4-2；激光打印头紧固装置4-3和摆臂4-2之间相互铰接并设有铰轴，可通过铰轴调整激光打印头4-1的方向和角度，激光打印头紧固装置4-3固定在Y轴滑块3-2上。
所述的绕X轴转动机构10包括设置在工作平台9一端的蜗杆电机12和设置在工作平台9另一端的从动转动轴承，蜗杆电机12和从动转动轴承分别固定在Z轴传动装置5的Z轴滑块5-2上，蜗杆电机12的输出轴通过联轴器与工作平台9的一端相联接并带动工作平台9做X轴方向的转动，从而完成工件11的部分角度的调整。
所述的绕Z轴转动机构7包括伺服电机和联轴器，伺服电机的输出轴通过联轴器与工作平台9和成型平台6相联接，伺服电机固定在工作平台9的下方，从而完成工件11的另一部分角度的调整。
大角度悬臂结构件的激光多维打印方法包括以下步骤：
A、三维绘图，如法国达索公司的Solidworks、美国PTC公司的Pro/E、美国欧特尔公司的AutoCAD，对带有大角度悬臂结构工件11建模并存储为STL文件格式；
B、图片处理，利用分层软件对已经做好的电子图片文件进行切片处理，如比利时Materialise公司的Magics或北京太尔公司的AURORA，对STL文件进行切片处理，并区分为工件主体部分11-1或工件悬臂部分11-2，当检测到工件11的一部分与工件主体部分11-1的夹角超过60°时，则工件11的此处部分需要支撑并将其视为悬臂部分11-2，其余部分视为工件主体部分11-1；
C、代码生成，利用成形软件对工件悬臂部分11-2或主体部分11-1分别进行处理，生成驱动各个传动机构运动的数控代码；
D、装置调整，在打印开始前，将工作平台9旋转至水平位置，使成型平台6保持不动，将激光打印头4-1调整成平行于Z轴方向并与水平面垂直；
E、工件打印，先对工件主体部分11-1进行三维打印，当工件主体部分11-1打印完毕或通过悬臂部分11-2后，通过绕X轴转动机构10的蜗杆电机12以及绕Z轴转动机构7的伺服电机驱动工作平台9和成型平台6转动，使悬臂部分11-2调整到水平面上，视工件主体11-1自身为支撑部分，激光打印头4-1仍然垂直于悬臂部分，然后驱动运动机构对悬臂部分11-2进行三维打印；
F、装置复位，工件主体11-1和悬臂部分11-2分别打印完成后，取出安装在成型平台6上的成形底板8和工件11，将X轴传动装置2、Y轴传动装置3、Z轴传动装置5、工作平台9和成型平台6复位。
本发明利用软件技术区分工件的主体部分与悬臂部分，成形本体部分时利用平行于Z轴的激光熔覆头在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形；成形悬臂部分时利用两个旋转装置将悬臂部分旋转，使其横截面平行于水平面，然后利用激光熔覆头在水平面上进行二维扫描并逐渐改变Z轴完成三维成形，最终得到不用支撑直接激光熔覆制造的大角度悬臂结构工件，完成不采用支撑结构而一次激光熔覆成型的工作。
Claims (8)
1.一种大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于包括以下步骤：
A、三维绘图，采用商业化三维绘图软件对工件(11)建模并存储成电子图片文件；
B、图片处理，利用分层软件对已经做好的电子图片文件进行切片处理，并区分为工件主体部分(11-1)或工件悬臂部分(11-2)；
C、代码生成，利用成形软件对工件悬臂部分(11-2)或主体部分(11-1)分别进行处理，生成驱动各个传动机构运动的数控代码；
D、装置调整，在打印开始前，将工作平台(9)旋转至水平位置，使成型平台(6)保持不动，将激光打印头(4-1)调整成平行于Z轴方向并与水平面垂直；
E、工件打印，先对工件主体部分(11-1)进行三维打印，当工件主体部分(11-1)打印完毕或通过悬臂部分(11-2)后，通过绕X轴转动机构(10)的蜗杆电机(12)以及绕Z轴转动机构(7)的伺服电机驱动工作平台(9)和成型平台(6)转动，使悬臂部分(11-2)调整到水平面上，视工件主体(11-1)自身为支撑部分，激光打印头(4-1)仍然垂直于悬臂部分，然后驱动运动机构对悬臂部分(11-2)进行三维打印；
F、装置复位，工件主体(11-1)和悬臂部分(11-2)分别打印完成后，取出安装在成型平台(6)上的成形底板(8)和工件(11)，将X轴传动装置(2)、Y轴传动装置(3)、Z轴传动装置(5)、工作平台(9)和成型平台(6)复位；
所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法所用的装置，包括支撑框架(1)、X轴传动装置(2)、Y轴传动装置(3)、Z轴传动装置(5)、激光打印装置(4)和工作平台(9)，所述的支撑框架(1)为立体框架结构，X轴传动装置(2)和Y轴传动装置(3)在水平面内互相垂直并固定在支撑框架(1)的顶部框架上，Z轴传动装置(5)固定在支撑框架(1)的侧面框架上，激光打印装置(4)固定在Y轴传动装置(3)上，工作平台(9)固定在Z轴传动装置(5)上，在工作平台(9)的中心位置上固定有成型底板(8)；
还包括工作平台(9)与Z轴传动装置(5)的联接处设置的绕X轴转动机构(10)和工作平台(9)的中心位置上设置的绕Z轴转动机构(7)，在工作平台(9)与成型底板(8)之间还设有成型平台(6)，成型底板(8)通过螺栓固定在成型平台(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的步骤B中，当检测到工件(11)的一部分与工件主体部分(11-1)的夹角超过60°时，则工件(11)的此处部分需要支撑并将其视为悬臂部分(11-2)，其余部分视为工件主体部分(11-1)。
3.根据权利要求1所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的X轴传动装置(2)包括两组相对设置的X轴传动导轨(2-1)和X轴滑块(2-2)，X轴传动导轨(2-1)和X轴滑块(2-2)相互配合，X轴传动导轨(2-1)固定在支撑框架(1)的顶部横向框架结构上。
4.根据权利要求1所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的Y轴传动装置(3)包括Y轴传动导轨(3-1)和Y轴滑块(3-2)，Y轴传动导轨(3-1)和Y轴滑块(3-2)相互配合，Y轴传动导轨(3-1)固定在X轴滑块(2-2)上。
5.根据权利要求1所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的Z轴传动装置(5)包括两组相对设置的Z轴传动导轨(5-1)和Z轴滑块(5-2)，Z轴传动导轨(5-1)和Z轴滑块(5-2)相互配合，Z轴传动导轨(5-1)固定在支撑框架(1)的侧面纵向框架结构上，工作平台(9)的两端分别固定在两个相对设置的Z轴滑块(5-2)上。
6.根据权利要求1所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的激光打印装置(4)包括激光打印头(4-1)、激光打印头紧固装置(4-3)和摆臂(4-2)；激光打印头紧固装置(4-3)和摆臂(4-2)之间相互铰接并设有铰轴，激光打印头紧固装置(4-3)固定在Y轴滑块(3-2)上。
7.根据权利要求1所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的绕X轴转动机构(10)包括设置在工作平台(9)一端的蜗杆电机(12)和设置在工作平台(9)另一端的从动转动轴承，蜗杆电机(12)和从动转动轴承分别固定在Z轴传动装置(5)上，蜗杆电机(12)的输出轴通过联轴器与工作平台(9)的一端相联接并带动工作平台(9)做绕X轴方向的转动。
8.根据权利要求1所述大角度悬臂结构件的激光多维打印方法，其特征在于：所述的绕Z轴转动机构(7)包括伺服电机和联轴器，伺服电机的输出轴通过联轴器与工作平台(9)和成型平台(6)相联接，伺服电机固定在工作平台(9)的下方。
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