CN104043832B - 一种控制金属增材成型表面质量的装置 - Google Patents

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Abstract

一种控制金属增材成型表面质量的装置,包括能够带动蜗轮组件转动的蜗杆立柱，蜗杆立柱内部安装有伸出蜗杆立柱下端的导柱，且导柱伸出蜗杆立柱下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；所述的蜗轮组件上安装有能够沿导柱轴向方向移动的横梁，横梁上安装有能够沿导柱径向方向运动的竖梁，竖梁的下端设有能自由转动并能将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮。本发明在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下采用覆平滚轮结构，将零件表面覆平避免金属流淌造成表面不光滑和和成型质量差等问题，提高零件成型精度以及二次加工。

Description

一种控制金属增材成型表面质量的装置
技术领域
本发明属于金属三维增材制造领域，具体涉及一种控制金属增材成型表面质量的装置。
背景技术
增材制造技术(又称为“3D打印”)正在快速改变着传统的生产和生活方式，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照零件的三维CAD模型的分层数据，将离散态的成型材料被逐步结合在一起，形成一个个分层截面，继而逐层堆积形成实体零件，无需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，缩短研制周期。目前，相对成熟的金属件增材制造技术主要有激光快速成型，如选区激光熔融(SelectiveLaserMelting，SLM)、直接金属烧结(DirectMetalLaserSintering，DMLS)和激光净近成型(LaserEngineeringNetShaping，LENS)；电子束快速成型，如电子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)，和电子束实体自由成型(ElectronBeamFreeformFabrication，EBF)；等离子快速成型，如等离子溶剂直接制造(PlasmaPowderDepositionManufacturing，PPDM)；电弧熔积快速成型，如电弧直接制造技术(ArcDirectRapidPrototypingManufacturing，ADRPM)等。
在增材制造技术中，零件的制造过程通过“层层叠加”的方式实现加工，先对STL文件格式的三维模型进行二维离散，然后再用二维离散数据堆积成三维实物。因此，在零件的轮廓表面上会留下大量的呈楼梯状台阶，导致实际的零件表面与期望的零件表面有较大的区别，进而影响零件的表面质量。这种现象被称之为台阶效应，台阶效应是由于增材制造技术的固有成型原理带来的，造成成型零件加工尺寸不准确、成形零件表面粗糙无法满足使用要求、成型零件表面质量差等问题。目前，只能通过优化零件的制作方向减少台阶效应来提高制件的表面质量，或者通过后处理二次加工修形使零件表面光滑。工艺优化只能部分提高成型质量，无法彻底解决问题；后处理往往工艺复杂，二次加工后造成零件表面应力释放，引起零件变形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制金属增材成型表面质量的装置，该装置能够提高零件成型精度且在使用时工件定位方便。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：包括能够带动蜗轮组件转动的蜗杆立柱，蜗杆立柱内部安装有伸出蜗杆立柱下端的导柱，且导柱伸出蜗杆立柱下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；所述的蜗轮组件上安装有能够沿导柱轴向方向移动的横梁，横梁上安装有能够沿导柱径向方向运动的竖梁，竖梁的下端设有能自由转动并能将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮。
所述的喷头为激光同轴送粉喷头或能够提供金属熔滴的熔滴喷头。
所述的横梁上设有能够带动横梁沿导柱轴向移动移动的横梁电机，竖梁上设有能够带动竖梁沿导柱径向运动的竖梁电机。
所述的蜗杆立柱顶端安装有能够带动蜗杆立柱转动的立柱电机。
所述的覆平滚轮采用陶瓷和石墨制成。
所述的覆平滚轮采用极坐标运动方式。
所述的蜗轮组件通过轴承安装在蜗杆立柱上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明与增材成形设备配套使用，使用时不改变增材成形设备原有成形方法原理，而是在成形过程中对零件表面进行处理，提高成形质量，是对增材成形设备的一种补充。而且，本发明装置适用金属增材成形所使用的的增材成形设备，因此，本发明具有通用性。另外，本发明利用覆平滚轮在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下将零件表面覆平，避免金属流淌造成表面不光滑和和成型质量差等问题，简化了加工工艺，避免了二次加工造成零件表面应力释放，引起零件变形，提高了零件成型精度。
进一步，本发明覆平滚轮采用极坐标运动方式，因此，特别适合加工某些适合采用极坐标参数描述的曲线，阿基米德螺线、渐开线，螺旋线等，其控制采用电机控制，因此，本发明控制方法简单，加工精度相对高，避免了轮廓表面成型的台阶效应，加工二次曲线，如椭圆、抛物线、双曲线等形式的零件时，具有工件定位方便，加工精度高等特点，可以有效的提高零件的表面成型质量。
附图说明
图1是本发明采用熔滴喷头的装置结构原理图；
图2是本发明采用激光同轴送粉喷头的装置结构原理图；
其中：1、成型件，2-1、金属熔滴，2-2、金属粉末，3-1、熔滴喷头，3-2、激光同轴送粉喷头，4、轴承，5、蜗轮组件，6、蜗杆立柱，7、导柱，8、立柱电机，9、竖梁电机，10、竖梁，11、横梁，12、横梁电机，13、覆平滚轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：
如图1和图2所示，本发明包括蜗杆立柱6以及蜗轮组件5，蜗轮组件5通过轴承4安装在蜗杆立柱6上，蜗杆立柱6内部安装有伸出蜗杆立柱6下端的导柱7，且导柱7伸出蜗杆立柱6下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；喷头可以为提供金属熔滴2-1的熔滴喷头3-1(见图1),也可以为激光同轴送粉喷头3-2(见图2)，蜗杆立柱6的顶端设有能够带动蜗杆立柱6转动的立柱电机8；蜗杆立柱6带动蜗轮组件5沿蜗轮立柱6转动(转动方向如θ)；
蜗轮组件6上安装有能够沿导柱轴向方向移动的横梁11，横梁11的末端设有横梁电机12，横梁电机12能够带动横梁11沿导柱轴向方向移动(导柱轴向方向如Z)，横梁11的始端安装在蜗轮组件5上；横梁11上安装有能够沿导柱径向方向运动的竖梁10，竖梁10上设有能够带动竖梁10沿导柱径向运动的竖梁电机9(导柱径向方向如ρ)，竖梁10的下端设有能够自由转动并能够将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮13；且竖梁10向横梁的末端移动的同时，横梁向蜗杆立柱5的顶部移动，覆平滚轮13以极坐标方式运动。覆平滚轮13为高硬度，与金属熔液不浸润的材料，优选陶瓷和石墨。
参见图1，采用金属熔滴成型方式制造零件，传统的制造方式由于台阶效应和金属流淌，造成表面成型质量差，成型后表面如图1中的Ⅱ所示。当本发明的喷头为熔滴喷头3-1时，本发明采用覆平滚轮13成型金属零件，成型后表面如图1中的Ⅰ所示，制造成型零件的内部结构时，竖梁10被竖梁电机9带到横梁右端，即横梁11的末端，横梁11被横梁电机12带到蜗杆立柱6的顶端，这样覆平滚轮13远离成型零件和熔滴喷头3-1；保证成型过程中覆平滚轮13不会影响成型件1的制造。
当制造成型零件的表面轮廓时，覆平滚轮13处于a状态，立柱电机8带动蜗轮组件5转动(沿θ方向)，竖梁10被竖梁电机9带到横梁左端(沿着ρ方向)，即横梁11的始端，横梁11被横梁电机12带到蜗杆立柱6底端(沿Z方向)，这样能够自由转动的覆平滚轮13与成型零件的表面接触实现对成型件1表面的覆平，由于本发明的蜗轮组件5、横梁11以及竖梁10的运动受到三个电机的控制，使覆平滚轮13对成型件1表面覆平时实现了三维运动。覆平滚轮13靠近熔滴喷头3-1和成型表面，通过覆平滚轮13转动，在熔滴还没有凝固前按照成型件1的理论轮廓控制成型质量。整个过程中，熔滴喷头3-1用于产生金属熔滴2-1，金属熔滴2-1逐层堆积完成成型件1的制造。另外，覆平滚轮13的运动为极坐标运动方式，特别适合加工某些适合采用极坐标参数描述的曲线，阿基米德螺线、渐开线，螺旋线等，其控制方法简单，加工精度相对高，避免了轮廓表面成型的台阶效应。加工二次曲线，如椭圆、抛物线、双曲线等形式的零件时，具有工件定位方便，加工精度高等特点，可以有效的提高零件的表面成型质量。
如图2所示，采用激光粉末成型方式制造零件，其原理与采用金属熔滴成型方式相同。所不同的是采用激光同轴送粉喷头3-2提供成型件1制造需要的金属粉末2-2。采用激光粉末成型方式与采用金属熔滴成型方式制造零件的原理相同，工作过程也相同。
成形过程中工艺参数，如扫描速度、温度、层厚、激光功率、激光作用方式等，工艺参数的控制是增材制造工艺本身的问题，本发明的作用的在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下，将零件表面覆平，提高零件成型精度；同时由于采用极坐标运动方式，对具有回转轮廓等曲面的零件尤其适合，能有效减小台阶效应，提高制件质量。
本发明必须与传统的金属增材成形方法配套使用，实现该金属增材成形方法的装置结构可以多样，方法的核心是在成形过程中利用覆平滚轮13对表面质量进行处理，避免了二次加工。
本发明装置能够用于熔滴成型、激光粉末成型和电子束粉末金属增材制造,在利用金属增材成型零件表面轮廓时，在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下，采用覆平滚轮结构，将零件表面覆平，避免金属流淌造成表面不光滑和和成型质量差等问题，提高零件成型精度。

Claims (5)

1.一种控制金属增材成型表面质量的装置,其特征在于：包括能够带动蜗轮组件转动的蜗杆立柱(6)，蜗杆立柱(6)内部安装有伸出蜗杆立柱(6)下端的导柱(7)，且导柱(7)伸出蜗杆立柱(6)下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；所述的蜗轮组件(5)上安装有能够沿导柱轴向方向移动的横梁(11)，横梁(11)上安装有能够沿导柱径向方向运动的竖梁(10)，竖梁(10)的下端设有能自由转动并能将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮(13)；
所述的横梁(11)上设有能够带动横梁(11)沿导柱轴向方向移动的横梁电机(12)，竖梁(10)上设有能够带动竖梁(10)沿导柱径向运动的竖梁电机(9)；
所述的蜗杆立柱(6)顶端安装有能够带动蜗杆立柱(6)转动的立柱电机(8)。
2.根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的喷头为激光同轴送粉喷头(3-2)或能够提供金属熔滴(2-1)的熔滴喷头(3-1)。
3.根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的覆平滚轮(13)采用陶瓷和石墨制成。
4.根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的覆平滚轮(13)采用极坐标运动方式。
5.根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的蜗轮组件(5)通过轴承(4)安装在蜗杆立柱(6)上。
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