CN105039971B - 模具再制造激光3d打印机及方法 - Google Patents

Abstract

模具再制造激光3D打印机及方法属于模具再制造领域，其特征在于：包括废旧的模具、激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构、垂直运动机构和计算机控制系统；所述废旧的模具形腔为通过铣削加工获得的空腔；计算机控制系统控制激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构和垂直运动机构。针对现有的模具再制造时堆焊方法浪费材料、工序多的缺点，将废旧的模具预先进行铣削加工，获得一个规则的空腔，再使用激光熔覆的方式，在空腔处堆积出模具的形状。这种3D打印的成形方式，没有多余材料的浪费，可以减少昂贵高性能金属材料的使用，并且不会污染环境。

Description

模具再制造激光3D打印机及方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光熔覆的方式进行废旧模具的再制造的方法与系统，即模具再制造激光3D打印设备。

背景技术

模具已成为现代工业生产中不可或缺的制造工具，我国每年模具的生产和使用十分巨大，已经成为世界第一大模具生产国和消费国。模具使用过程中，不可避免的会产生磨损、开裂等缺陷，影响模具的使用。为此，通常采用模具修复的方法，对出现缺陷的部位进行修补，如用焊条对磨损的部分补焊，焊后打磨，继续使用。有些缺陷较大，已经无法修复或没有修复的价值，只有报废处理。如何能将这些报废的模具通过再制造的方法加以利用，是一个重大的课题。再制造不同于修复，不是简单的对模具进行修补，简单修补只能暂时延长模具的使用寿命，而通过再制造的方法，不仅能使废旧模具起死回生，得到一幅新的模具，而且成本比新模具的制造成本还低，使用寿命更长。一般传统做法是，对废旧模具的形腔部分用碳弧气刨铲除，仍保留其他部分，再用高性能的材料将铲除部分用堆焊的方法填充。每填充一层，需要人工进行除渣处理，劳动强度大，效率低。填充后再用机械加工的方法，加工出模具的形状，获得一付再制造模具。由于填充部分使用的材料较少，因此，成本较低。所使用的填充材料不同于原有的模具材料，而是高性能的金属材料，因此这样加工出来的模具寿命一般比原来一付新模具的寿命还长。这就达到了再制造的目的。从上述过程可以看到，虽然能够通过再制造的方法使废旧模具焕发新生，但由于采用普通堆焊的方法填充，再进行机械加工，不仅工序多，而且，浪费材料。随着3D打印技术的出现，使用3D打印的方法，通过增材制造直接打印成形，就不需机械加工，又能节省材料。

目前3D打印技术被誉为“第三次工业革命”，被广泛的应用于工业设计、医疗、教学、航空航天等领域。3D打印技术的主流技术包括立体光固化技术(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光熔化技术(SLM)、数字光处理技术(DLP)、三维打印黏结成型(3DP)、激光熔覆近沉积成形(Laser Cladding Deposition即LCD)等。

本发明采用的是激光熔覆沉积成形(LCD)是从激光熔覆技术发展而来。激光熔覆是将粉末送至熔覆头喷射出来，同时激光照射喷出的粉末使其融化沉积在金属基底上。一般采用这一技术进行表面处理，或表面堆焊。近年来随着3D打印技术的发展，使用计算机控制技术用这一技术进行三维堆积成形。由于使用激光作为光源为激光，具有波长单一、光斑尺寸小和功率密度大的特点，通过精确控制熔覆头，可以实现零件高精度成形。将这一技术应用到模具的再制造上，就形成了本发明的核心。

发明内容

针对模具再制造上使用普通堆焊的方法，填充形腔，再机械加工成形的缺点，本发明采用激光熔覆沉积成形，可以一步完成填充和成形。，既减少了加工工序，又可节省材料。

模具再制造激光3D打印机，其特征在于：包括废旧的模具、激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构、垂直运动机构和计算机控制系统；所述废旧的模具形腔为通过铣削加工获得的空腔；计算机控制系统控制激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构和垂直运动机构。

进一步，废旧的模具形腔通过铣削加工获得的空腔为形状规则的空腔。

进一步，所述的激光器，为二氧化碳激光器或光纤激光器。

应用所述的模具再制造激光3D打印成形机，其特征在于：

打印前，先将废旧的模具形腔通过铣削加工“挖”除得到空腔。在计算机中，根据模具的三维形状进行分层处理，得到模具的一系列二维图像。打印开始时，由送粉器将金属粉末送到同轴打印头，粉末经打印头喷出，激光将粉末融化，融化的金属沉积到待再制造的模具上，同时，在计算机的控制下，根据模具的形状，在X\Y方向移动模具或者模具不动，移动打印头，金属沉积在模具上形成与二维图像一致的金属层。完成一层后，将打印头沿垂直方向抬高，这样层层打印，得到一个新的三维模具。3D打印机的最大成型幅面由x\y运动距离决定，成型高度由打印头上升的高度决定，打印头最小位移量决定了成型精度。

进一步，根据模具的大小，设定模具的运动范围或者移动打印头的移动范围，以及设定打印头的垂直运动距离。

不同于堆焊，对形腔的形状没有要求，本发明需先对原模具的形腔部分进行铣削加工，获得一个规则的空腔(例如长方体、圆柱体等等)，这是本发明的关键。本模具再制造激光3D打印成形机，由激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构、垂直运动机构和计算机控制系统组成。打印前，必须先将废旧的模具形腔通过铣削加工“挖”除。本发明的工作原理：对模具的计算机三维模型进行切片处理获得3D模型的平面数据，打印开始时，由送粉器将金属粉末送到同轴打印头，粉末经打印头喷出，激光将粉末融化，融化的金属沉积到待再制造的模具上，同时，在计算机的控制下，根据模具的形状，在X\Y方向移动模具或者模具不动，移动打印头，金属沉积在模具上形成与二维图像一致的金属层。完成一层后，将打印头沿垂直方向抬高一定距离，进行下一层打印。这样层层打印，得到一个新的三维模具。

本发明的技术特征：

1.打印前将原模具的形腔部分通过铣削加工去除。

2.同轴打印头指激光光束与喷粉方向相同，并在一条轴线上。

3.打印前对模具的计算机三维模型进行分层出来，获得每一层的平面数据。

4.计算机控制激光、打印头以及模具的运动，融化粉末沉积在模具的空腔内，堆积出与二维图像一致的形状，这里既可以控制打印头做平面运动，也可以控制模具做平面运动。这样一层层堆积。

5.每堆积一层，打印头上升一定距离。

6.采集的金属粉末根据原模具的材料进行选配。

7.激光器可以采用波长为1064nm的光纤激光，也可以用10.6nm的二氧化碳激光。

8.打印头的运动范围或者模具的移动范围和精度，决定了成型的范围的精度。

9.本发明中，3D打印设备所涵盖的装置有：计算机控制系统，激光器，送粉器，打印头，平面运动机构和垂直运动机构。

附图说明

图1模具再制造激光3D打印机示意图。

图中：1-废旧模具 2-规则空腔 3-金属粉 4-同轴打印头 5-送粉器 6-计算机控制系统 7-光束 8-激光器。

具体实施方式

首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

整体装置如图1所示。打印前将废旧模具1通过铣削加工加工出规则的空腔2。在计算机上利用三维软件对模具的STL三维模型进行分层处理，分层厚度为0.1mm，计算机控制系统6控制同轴打印头4沿着x,y方向运动，运动轨迹与切片分层图形一致。打印开始后，第一步，首先控制激光器8与送粉器5，使金属粉末通过同轴打印头4喷出3时被激光光束7融化，与此同时，控制同轴打印头4在x\y水平面内运动，金属粉末沉积在空腔2内形成与分层图形一致的二维平面金属层。沉积完一层后，同轴打印头4沿着Z轴方向抬高一段距离，该距离与分层的厚度一致。然后进行下一层。这样不断重复以上步骤，直至三维实体模型打印完成。沿Z轴提升同轴打印头4，将成形模具取出。

若对模具的表面要求严格，可进一步进行热处理、抛光或电镀等后处理。

Claims (5)

1.模具再制造激光3D打印机，其特征在于：包括废旧的模具、激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构、垂直运动机构和计算机控制系统；所述废旧的模具形腔为通过铣削加工获得的空腔；计算机控制系统控制激光器、送粉器、同轴打印头、平面运动机构和垂直运动机构。

2.根据权利要求1所述的模具再制造激光3D打印机，其特征在于：废旧的模具形腔通过铣削加工获得的空腔为形状规则的空腔。

3.根据权利要求1所述的模具再制造激光3D打印机，其特征在于：所述的激光器，为二氧化碳激光器或光纤激光器。

4.应用如权利要求1-3任意一项所述的模具再制造激光3D打印机的方法，其特征在于：

打印前，先将废旧的模具形腔通过铣削加工“挖”除得到空腔；在计算机中，根据模具的三维形状进行分层处理，得到模具的一系列二维图像；打印开始时，由送粉器将金属粉末送到同轴打印头，粉末经打印头喷出，激光将粉末融化，融化的金属沉积到待再制造的模具上，同时，在计算机的控制下，根据模具的形状，在X\Y方向移动模具或者模具不动，移动打印头，金属沉积在模具上形成与二维图像一致的金属层；完成一层后，将打印头沿垂直方向抬高，这样层层打印，得到一个新的三维模具；3D打印机的最大成型幅面由x\y运动距离决定，成型高度由打印头上升的高度决定，打印头最小位移量决定了成型精度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：根据模具的大小，设定模具的运动范围或者移动打印头的移动范围，以及设定打印头的垂直运动距离。