CN105817625A - 一种熔融涂覆增减材复合成形装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔融涂覆增减材复合成形装置，包括设置在同一运动平台上的涂覆增材成形部分和减材加工部分；所述涂覆增材成形部分包括气氛保护装置，气氛保护装置与熔炼装置的顶部连接；熔炼装置底部设置有涂覆头和激光器，激光器和涂覆头的下方设置有涂覆成形平台；所述减材部分包括主轴，主轴底部设置有刀具夹持装置，主轴带动刀具夹持装置转动，主轴与冷却单元连接。将增材制造与减材制造结合起来，在进行涂覆增材成形之后，使用减材加工，提高了工件的精度，并且提高了工件的加工速度。

Description

一种熔融涂覆增减材复合成形装置
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种涂覆增减材成形装置，具体涉及一种熔融涂覆增减材复合成形装置。
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，将离散态的成形材料逐步结合在一起，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形，如选区激光熔融(SelectiveLaserMalting，SLM)、直接金属烧结(DirectMetalLaserSintering，DMLS)和激光净近成形(LaserEngineeringNetShaping，LENS)；电子束快速成形，如电子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)，等离子快速成形，如等离子溶剂直接制造(PlasmaPowderDepositionManufacturing，PPDM)；电弧熔积快速成形，如电弧直接制造技术(ArcDirectRapidPrototypingManufacturing，ADRPM)等。
现有的金属直接成形工艺大多利用激光束、等离子束或电子束将金属或金属与陶瓷的混合粉材或丝材沿分层切片轮廓轨迹熔融堆积，然后快速冷凝得到。因此，都不可避免地存在因分层制造带来的台阶效应以及因表面张力带来的表面精度不能达到传统机加工的要求的问题。几何尺寸精度和表面光洁度都不太理想，需要进行后处理，包括热处理、机加工(铣削、钻削)和抛光加工。近年来，为了提高零件的成形精度，一些研究者将数控铣削等去除加工集成到金属直接成形系统中，形成增材与去除加工相结合的复合成形工艺。
增材制造过程中，数据离散化过程中大都采用STL格式和二维的分层技术，不可避免的会造成尺寸的误差和阶梯效应。分层厚度越小精度越高，但同样所需的时间也越长，从而增加了成本，降低成形效率。而传统的机加工尤其是数控加工具有高精度、高效率、加工柔性好、工艺规划简单等特点，正好能够弥补增材制造技术的缺点。因此，将增材制造和减材制造有效的结合，产生一种新的复合加工技术，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种熔融涂覆增减材复合成形装置。将增材制造与减材制造结合起来，在进行涂覆增材成形之后，使用减材加工，提高了工件的精度，并且提高了工件的加工速度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种熔融涂覆增减材复合成形装置，包括设置在同一运动平台上的涂覆增材成形部分和减材加工部分；所述涂覆增材成形部分包括气氛保护装置，气氛保护装置与熔炼装置的顶部连接；熔炼装置底部设置有涂覆头和激光器，激光器和涂覆头的下方设置有涂覆成形平台；所述减材加工部分包括主轴，主轴底部设置有刀具夹持装置，主轴带动刀具夹持装置转动，主轴与冷却单元连接。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中运动平台能够在水平方向上移动或旋转。
其中气氛保护装置通过气压驱动装置与熔炼装置连接。
其中熔炼装置包括自上而下依次设置的密封装置、加热元件和熔体内流道，熔体内流道与涂覆头连接。
其中熔炼装置还包括冷却管路、温度检测元件和气压检测元件。
其中气压驱动装置包括连接管路，连接管路上设置有气压阀门和减压阀门，连接管路上还设置有流量控制器，连接管路与熔炼装置的连接处设置有动态密封元件。
其中主轴与冷却单元之间设置有刀库。
其中复合成形装置还包括有数控装置；数控装置控制运动平台进行水平移动；数控装置控制激光器的运行；数控装置控制熔炼装置及涂覆头的运行；数控装置控制刀库进行刀具夹持装置进行换刀；数控装置控制冷却单元进行冷却工序。
其中熔炼装置熔炼干燥且去表面氧化层的成形材料。
其中熔炼装置通过内流道与涂覆头使熔融态金属在气压驱动装置的作用下进行增材制造。
本发明的有益效果是，设有涂覆增材成形部分和减材加工部分，通过金属熔炼单元及相关辅助单元的配合下，完成大型金属构件的增材制造成形，避免对国外进口大功率激光器的依赖，并且设置有激光器可在增材成形过程中对工件进行完善；
更进一步的，运动平台可以移动或转动，方便了在同一工作台上对同一工件进行增材的位置变换，并且可在同一工作台上将工件转至减材加工部分下进行减材加工；
更进一步的，采用逐层累加涂覆成形的方法，使经过熔炼单元熔化通过内流道与涂覆头的熔融态金属在热毛细效应及气压驱动元件的作用下实现大型金属构件的增材制造；
更进一步的，辅助数控加工系统实现成形件的高效、低成本一体化复合成形，在保证加工质量的前提下实现大型金属构件的增减材复合成形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1为底座；2为运动平台；3为气氛保护装置；4为涂覆成形平台；5为激光器；6为涂覆头；7为熔炼装置；8为气压驱动装置；9为数据传输线；10为刀具夹持装置；11为主轴；12为刀库；13为冷却单元；14为数控装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种熔融涂覆增减材复合成形装置，如图1所示，包括设置在运动平台2上的涂覆增材成形部分和减材加工部分；其中运动平台2设置在底座1上，且运动平台2可沿水平方向移动或转动。
其中涂覆增材成形部分包括气氛保护装置3，气氛保护装置3使用惰性气体，如Ar或N2；气氛保护装置3通过气体驱动装置8的连接管路与熔炼装置7的顶部连接，气体驱动装置8还包括设置在连接管路上的气压阀门、减压阀门和流量控制器，还包括连接管路与熔炼装置7连接处设置的动态密封元件；熔炼装置7内部从上至下依次设置有密封装置、加热元件和熔体内流道；熔炼装置7上还设置有冷却管路、温度检测元件和气压检测元件；熔炼装置7的底部设置有涂覆头6和激光器5，涂覆头6与熔体内流道连接，涂覆头6还包括有加热保温元件、涂覆内流道、测温元件、可拆卸的涂覆头出口元件，涂覆头6通过锁紧元件和密封垫圈与熔炼装置7连接；涂覆头6和激光器5的下方设置有成形平台4，成形平台4设置在运动平台2上。
其中减材加工部分包括设置在运动平台2上方的主轴11，主轴11底部设置有刀具夹持装置10，主轴11能够带动刀具夹持装置10转动，主轴11还与刀库12连接，刀库12包含有各种机床用道具；主轴1还与冷却单元13连接，冷却单元13能够对道具以及加工的工件进行冷却。
该复合成形装置还包括1个数控装置14，数控装置能够实现CAD三维模型到数控加工NC代码的模块，并且实现增材成形STL格式文件到减材加工工艺路线NC代码的生成。
数控装置14能够控制运动平台2进行水平移动，具体的数控装置14能够使运动平台2沿着水平方向互相垂直的x和y轴移动或旋转；数控装置14能够控制激光器5的运行，具体的能够控制激光器5的运行时间，激光器5的功率等参数；数控装置14能够控制熔炼装置7及涂覆头6的运行，具体的数控装置14通过控制气体驱动装置8来调节熔炼装置7内部的气体压力和流量，数控装置14还能控制熔炼装置7内部的熔炼温度，以及熔融态金属的流速以及根据数控加工NC代码进行增材成形工序；数控装置14还能控制刀具夹持装置10以及刀库12进行更换刀具工序，并且控制刀具夹持装置10对刀具进行紧固；数控装置14控制冷却单元13对刀具以及加工工件进行冷却。
本发明的熔融涂覆增减材复合成形装置的使用步骤是：
步骤1：根据成形件的需求，成形材料的属性，确定需要加热熔化金属的质量，成形材料可为丝材、棒料、块体或粉末状，将成形材料经过去除表面氧化层和干燥处理；将处理后的成形材料放入金属熔炼装置7中；
步骤2：在气氛保护装置3和气压驱动装置8的控制下，根据成形材料特性，用密封装置在熔炼装置7内进行密封，安装压力监测装置和温度监测装置；
步骤3：熔炼装置7、涂覆头6、涂覆成形平台4在气氛保护装置3的保护下工作；根据成形材料特性，将金属材料加热熔化；
步骤4：将待成形件CAD模型，导入到数控系统，设定成形参数；
步骤5：在气压驱动装置8的作用下，金属熔体通过涂覆头6的内流道，为了保证成形层间良好的冶金结合，增材成形部分设有辅助重熔的激光器5及光纤管路9；
步骤6：增材成形过程中或成形件完成后，在数控系统14的控制下，通过运动平台2调整加工工位，冷却单元13与加工主轴11相连，数控系统同时控制刀具夹紧装置10的运动，结合刀库12实现减材加工过程中的换刀，完成减材加工。
步骤7：加工完成后通过数控系统完成刀具的卸刀与装库，实现大型金属构件的增减材一体化复合成形。

Claims (10)

1.一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，包括设置在同一运动平台(2)上的涂覆增材成形部分和减材加工部分；
所述涂覆增材成形部分包括气氛保护装置(3)，气氛保护装置(3)与熔炼装置(7)的顶部连接；熔炼装置(7)底部设置有涂覆头(6)和激光器(5)，激光器(5)和涂覆头(6)的下方设置有涂覆成形平台(4)；
所述减材加工部分包括主轴(11)，主轴(11)底部设置有刀具夹持装置(10)，主轴(11)带动刀具夹持装置(10)转动，主轴(11)与冷却单元(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述运动平台(2)能够在水平方向上移动或旋转。
3.根据权利要求1所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述气氛保护装置(3)通过气压驱动装置(8)与熔炼装置(7)连接。
4.根据权利要求3所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述熔炼装置(7)包括自上而下依次设置的密封装置、加热元件、和熔体内流道，熔体内流道与涂覆头(6)连接。
5.根据权利要求4所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述熔炼装置(7)还包括冷却管路、温度检测元件和气压检测元件。
6.根据权利要求3所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述气压驱动装置(8)包括连接管路，连接管路上设置有气压阀门和减压阀门，连接管路上还设置有流量控制器，连接管路与熔炼装置(7)的连接处设置有动态密封元件。
7.根据权利要求1所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述主轴(11)与冷却单元(13)之间设置有刀库(12)。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述复合成形装置还包括有数控装置(14)；
所述数控装置(14)控制运动平台(4)进行水平移动；
所述数控装置(14)控制激光器(5)的运行；
所述数控装置(14)控制熔炼装置(7)及涂覆头(6)的运行；
所述数控装置(14)控制刀库(12)进行刀具夹持装置(10)进行换刀；
所述数控装置(14)控制冷却单元(13)进行冷却工序。
9.根据权利要求8所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述熔炼装置(7)熔炼干燥且去表面氧化层的成形材料。
10.根据权利要求9所述的一种熔融涂覆增减材复合成形装置，其特征在于，所述熔炼装置(7)通过内流道与涂覆头(6)使熔融态金属在气压驱动装置(8)的作用下进行增材成形工序。
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