CN106378452B - 一种增/减材混合制造平台 - Google Patents

一种增/减材混合制造平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增/减材混合制造平台，用于梯度材料复杂零件的精密制造，包括成型缸、成型基板、多材料送粉系统、多材料激光扫描系统、刀具系统、平台基体，其特征在于：所述的成型基板通过移动机构安装在所述的成型缸上，所述的多材料送粉系统与所述的平台基体可动连接，所述的多材料激光扫描系统固连在平台基体上，所述的刀具系统与平台基体可动连接。本发明的平台改变了现有选区激光烧结/熔化(SLS/SLM)技术中单一材料粉末的供粉方式以及增材制造的零件几何精度及表面质量不高的现状，实现了梯度材料复杂零件宏微结构一体化制造，提高了零件的材料利用率、复杂性和功能性，同时提高了零件的几何精度和表面质量。

Description

一种增/减材混合制造平台
技术领域
本发明涉及一种增/减材混合制造平台，尤其是针对梯度材料复杂零件的增/减材混合制造平台，属于增/减材混合制造设备技术领域。
背景技术
增材制造技术依据CAD数据逐层累加材料直接制造实体零件的成形原理，给制造技术从传统的宏观外形制造向宏微结构一体化制造发展提供了新契机，随着零件性能要求的提高，复合材料或梯度材料零件成为迫切需要发展的产品，而增材制造具有微量单元的堆积过程，每个堆积单元可通过变化材料实现一个零件中不同材料的复合，实现控形和控性的制造。
虽然目前增材制造技术在航空航天、医疗、汽车制造等领域获得了应用，但现阶段市场上选区激光烧结(SLS)，选区激光熔化(SLM)增材制造技术中无法进行材料成分改变，只能制造单一材料的零件。同时，单一的增材制造技术制造的具有复杂内外表面特征的零件存在几何精度与表面质量不理想的情况，需要通过后处理来提高零件的质量特征、缓解残余应力，限制了增材制造技术的进一步发展。
而多轴数控减材加工技术可以对复杂的空间曲面进行高效、高精度加工，获得理想的加工质量，因此，将增材制造技术和减材制造技术集成在同一个平台上，可以充分利用增/减材制造的相对优势，有助于有复杂内外特征的零件的制造，得到理想的几何精度和表面质量，提高零件的材料利用率、复杂性和功能性。但现有增/减材一体机，主要针对单一材料的复杂零件的制造，不能实现不同部位材料成分的改变，无法满足梯度材料、兼具复杂性与功能性及高精度零件的制造需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种增/减材混合制造平台，用于梯度材料、兼具复杂性与功能性及高精度特性的复杂零件的精密制造，实现梯度材料复杂零件结构与性能可控成形。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种增/减材混合制造平台，用于梯度材料复杂零件的精密制造，包括成型缸、成型基板、多材料送粉系统、多材料激光扫描系统、刀具系统、平台基体，其特征在于：所述的成型基板通过移动机构安装在所述的成型缸上，所述的多材料送粉系统与所述的平台基体可动连接，所述的多材料激光扫描系统固连在平台基体上，所述的刀具系统与平台基体可动连接；所述的多材料送粉系统包括多材料粉末容器和喷嘴组，所述的多材料粉末容器至少包括两个存储舱，用于存放成型零件所需的不同粉末材料；所述的喷嘴组至少包括两个喷嘴，用于将存放在存储舱的不同粉末材料精确分送到所述的成型基板上；一个喷嘴对应一个存储舱，每个喷嘴分别安装在对应的存储舱的底部，各喷嘴上分别安装有压电元件，各喷嘴连同对应的存储舱在可动连接机构的带动下，能够面向成型基板上对应的铺粉层位置设置，当压电元件上施加高频电压后，使之产生高频超声振动，用于在成型基板相应的位置上精确铺设对应的粉末材料；所述的多材料激光扫描系统包括两种激光器和两套扫描振镜系统，用于针对不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和扫描振镜系统对所述的各喷嘴在成型基板上铺设的粉层选择性扫描并固化；所述的刀具系统包括刀具主轴组件、主轴头和加工刀具，用于当所述的成型基板上的成型零件的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，原位对成型零件进行精密微铣削加工。
作为进一步改进，本发明所述的多材料激光扫描系统中的两种激光器分别是光纤激光器和二氧化碳激光器，所述的扫描振镜系统包括振镜扫描器和光学系统，所述的振镜扫描器是三维动态聚焦振镜，所述的光学系统包括反射镜、扩束镜和保护镜。
作为进一步改进，本发明所述的多材料粉末容器通过x、y两个方向的移动机构安装在平台基体上，各喷嘴连同对应的存储舱通过x、y两个方向的移动机构，可实现x、y两个方向的移动。
作为进一步改进，本发明所述的刀具主轴组件通过x、y、z三个方向移动机构安装在平台基体上，刀具主轴组件端部的主轴头安装有A、C或B、C两个方向的转动机构，所述的加工刀具安装在刀具主轴组件端部的主轴头的连接孔内，可实现x、y、z三个方向的移动和A、C或B、C两个方向的转动。
本发明的有益效果是：本发明的一种增/减材混合制造平台，改变了现有选区激光烧结/熔化(SLS/SLM)技术中单一材料粉末的供粉方式以及增材制造的零件几何精度及表面质量不高的现状，实现了梯度材料零件宏微结构一体化制造，提高了零件的材料利用率、复杂性和功能性，同时提高了零件的几何精度和表面质量。
附图说明
图1是本发明的平台总体结构示意图；
图2是多材料送粉系统结构示意图；
图3是多材料粉末存储舱与多喷嘴结构示意图；
图4是多材料激光扫描系统结构示意图；
图5是刀具系统原位微铣削加工示意图。
附图中的零部件序号如下：成型缸1、成型基板2、多材料送粉系统3、多材料激光扫描系统4、刀具系统5、平台基体6、多材料粉末容器7、甲种粉末存储舱7a、乙种粉末存储舱7b、喷嘴组8、甲喷嘴8a、乙喷嘴8b、压电元件9、扫描振镜系统10、激光器11、成型零件12、刀具主轴组件13、主轴头14、加工刀具15
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步地说明：
本发明的一种增/减材混合制造平台，包括成型缸、成型基板、多材料送粉系统、多材料激光扫描系统、刀具系统、平台基体，其特征在于：所述的成型基板通过移动机构安装在所述的成型缸上，所述的多材料送粉系统与所述的平台基体可动连接，所述的多材料激光扫描系统固连在平台基体上，所述的刀具系统与平台基体可动连接。
所述的多材料送粉系统包括多材料粉末容器和喷嘴组，多材料粉末容器至少包括两个存储舱，喷嘴组至少包括两个喷嘴，一个喷嘴对应一个存储舱，每个喷嘴分别安装在对应的存储舱的底部，各喷嘴上分别安装有压电元件，并通过x、y两个方向的移动机构与平台基体相连。
各喷嘴连同对应的存储舱在x、y两个方向的移动机构的带动下，能够面向成型基板上对应的铺粉层位置设置，当压电元件上施加高频电压后，使之产生高频超声振动，通过控制声波频率，振幅等超声特性精确控制各喷嘴中的粉末的流动与停止，用于在成型基板相应的位置上精确铺设对应的粉末材料。
用超声振动方式控制喷嘴中的粉末的流动与停止的原理是：压电元件安装在喷嘴上，通过在压电元件上施加高频电压使压电元件产生机械的高频超声振动，从而把高频电能转换为机械能，并传递给喷嘴中的粉末。由粉体动力学可知，粉体的质量流量与喷嘴的口径、粉体的堆积密度、内摩擦角、加速度等因素有关，因此，合理的喷嘴结构设计，有效的粉末粒径调控、改变声波频率，振幅等超声特性可以精确控制各喷嘴中的粉末的流动与停止。
用超声振动方式控制本发明中所述的多材料送粉方式的优势是：
1)可以实现零件不同部位不同材料需求；
2)可以精确控制喷嘴中的粉末的流动与停止，误差小、精度高；
3)无需机械阀门来控制喷嘴中的粉末的流动与停止，方便、高效。
所述的多材料激光扫描系统包括光纤激光器和二氧化碳激光器以及两套扫描振镜系统，扫描振镜系统包括振镜扫描器和光学系统，振镜扫描器是三维动态聚焦振镜，光学系统包括反射镜、扩束镜和保护镜。用于针对不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和扫描振镜系统对各喷嘴在成型基板上铺设的粉层选择性扫描并固化。激光器及其扫描振镜系统的选择由材料特性决定，例如，当铺设的粉层材料是聚碳酸酯、尼龙等粉末材料时，选择二氧化碳激光器以及与之相配的扫描振镜系统；当铺设的粉层材料是不锈钢、钛合金等粉末材料时，选择光纤激光器以及与之相配的扫描振镜系统。
所述的刀具系统包括刀具主轴组件、主轴头和加工刀具，刀具主轴组件通过x、y、z三个方向移动机构安装在平台基体上，刀具主轴组件端部的主轴头安装有A、C或B、C两个方向的转动机构，加工刀具安装在刀具主轴组件端部的主轴头的连接孔内，可实现x、y、z三个方向的移动和A、C或B、C两个方向的转动，用于当成型基板上的成型零件的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，原位对成型零件进行精密微铣削加工。
在微铣削加工中，不一定会产生切屑，当瞬时切削厚度低于某个临界值时，将没有切屑形成，该临界值称为最小切削厚度。最小切削厚度是预测微铣削力和表面粗糙度的重要参数之一。最小切削厚度与零件材料、刀具参数等多种因素相关，并且难于直接测量，可以用试验法、数值仿真法、有限元法、分子动力学仿真等方法获得。
本发明的增/减材混合制造平台，首先由多材料送粉系统和多材料激光扫描系统在成型基板上进行激光增材制造，保证梯度材料零件内外复杂结构，当成型基板上的成型零件的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，转成微铣削精密加工，保证已成型零件的几何精度与表面质量，同时，避免切屑对粉体的扰动。
如图1所示，本发明的一种增/减材混合制造平台，包括成型缸1、成型基板2、多材料送粉系统3、多材料激光扫描系统4、刀具系统5、平台基体6。成型基板2通过z方向移动机构安装在成型缸1上，当一层粉层成型结束后，根据控制指令，成型基板在成型缸内下降一个粉层高度，重新开始新的一层粉层成型；多材料送粉系统3通过x、y两个方向的移动机构安装在平台基体6上，用于根据控制指令将不同材料的粉末精确分送到成型基板2上对应的粉层位置；多材料激光扫描系统4固连在平台基体6上，并通过平台基体6上的激光窗(图中未画出)对成型基板2上铺设的粉层选择性扫描并固化。多材料送粉系统3和多材料激光扫描系统4共同完成梯度材料复杂零件增材制造。刀具系统5通过x、y、z三个方向移动机构安装在平台基体6上，用于对成型基板2上已成型零件的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，根据控制指令，原位对已成型零件进行精密微铣削加工，保证已成型零件的几何精度与表面质量，同时，避免切屑对粉体的扰动。
如图1至图3所示，多材料送粉系统3包括多材料粉末容器7和喷嘴组8。多材料粉末容器7至少包括两个存储舱7a和7b，使用时，复杂零件所需的不同粉末材料，可以分别存放在各自的存储舱中，喷嘴组8至少包括两个喷嘴8a和8b，各喷嘴上分别安装有压电元件9，一个喷嘴对应一个存储舱，即：甲喷嘴8a对应甲种粉末存储舱7a，乙喷嘴8b对应乙种粉末存储舱7b，每个喷嘴分别安装在对应的存储舱的底部。各喷嘴8a和8b连同对应的存储舱7a和7b在x、y两个方向的移动机构的带动下，能够面向成型基板2上对应的铺粉层位置设置，即：当需要甲种材料铺粉时，x、y两个方向的移动机构将甲喷嘴8a和存储舱7a移动到成型基板2上方的相对应的位置；当需要乙种材料铺粉时，x、y两个方向的移动机构将乙喷嘴8b和存储舱7b移动到成型基板2上方的相对应的位置。各喷嘴及其对应的存储舱移动到位后，在压电元件9上施加高频电压使之产生高频超声振动，把高频电能转换为机械能，并传递给喷嘴中的粉末，喷嘴中的粉末在机械能的驱动下产生运动，通过改变声波频率，振幅等超声特性可以精确控制各喷嘴中的粉末的流动与停止，从而在成型基板2相应的位置上精确铺设了对应的粉末材料。
如图1、图4所示，多材料激光扫描系统4包括两种激光器11和两套扫描振镜系统10(图中只画出一种激光器和一套扫描振镜系统)，两种激光器分别是光纤激光器和二氧化碳激光器，扫描振镜系统包括振镜扫描器和光学系统，振镜扫描器是三维动态聚焦振镜，光学系统包括反射镜、扩束镜和保护镜。用于针对不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和扫描振镜系统对所述的各喷嘴在成型基板上铺设的粉层选择性扫描并固化，激光器及其扫描振镜系统的选择由材料特性决定。
如图1、图5所示，刀具系统5包括刀具主轴组件13、主轴头14和加工刀具15。刀具主轴组件13通过x、y、z三个方向移动机构安装在平台基体6上，刀具主轴组件13端部的主轴头14安装有A、C或B、C两个方向的转动机构，加工刀具15安装在刀具主轴组件13端部的主轴头14的连接孔内，可实现x、y、z三个方向的移动和A、C或B、C两个方向的转动，用于当所述的成型基板上的成型零件的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，原位对成型零件进行精密微铣削加工。
本发明的一种增/减材混合制造平台的工作过程为：首先系统初始化，并进行各种参数的设置，包括不同粉末材料参数、激光功率、扫描速度，铺粉厚度、最小切削厚度等工艺参数的设置，接着，根据控制指令，多材料送粉系统3中的多材料粉末容器7在x、y两个方向移动机构的带动下，将盛装有甲种材料的存储舱7a及其对应的甲喷嘴8a移动到成型基板2上方的相对应的位置，在压电元件9上施加高频电压使之产生高频超声振动并传递给喷嘴8a中的粉末，通过改变声波频率，振幅等超声特性精确控制甲喷嘴8a中的粉末的流动与停止，从而在成型基板2相应的位置上精确铺设了甲种粉末材料。如果需要有乙种粉末材料，喷嘴8a铺粉结束后，在x、y两个方向的移动机构带动下，再将盛装有乙种材料的存储舱7b及其对应的乙喷嘴8b移动到成型基板2上方的相对应的位置精确铺设乙种粉末材料，如此反复，直到完成第一层粉层全部材料铺粉要求。
第一层粉层铺粉结束后，x、y两个方向的移动机构带动多材料粉末容器7和喷嘴组8回到初始位置。根据控制指令，激光器11和相应的扫描振镜系统10通过平台基体6上的激光窗(图中未画出)，选择性扫描并固化第一层相应的粉层，如果需要，一种激光器及其扫描振镜系统扫描结束后，另一种激光器及其扫描振镜系统再扫描第一层其他相应的粉层，如此反复，直到第一层粉层全部扫描完成。
第一层粉层扫描完成后，根据控制指令，成型基板2在z方向移动机构带动下，在成型缸内下降一个粉层高度，通过多材料送粉系统3、多材料激光扫描系统4重新开始新的一层粉层叠层制造。如此反复，直到成型基板2上的成型零件12的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，停止叠层制造。
上述阶段增材制造结束后，测量装置对成型零件12进行测量后将三维数据反馈给控制系统。同时，换刀机械手(图中未画出)将加工刀具15安装到刀具主轴组件13端部的主轴头14的连接孔内，等待对成型零件12进行精密微铣削加工。
根据测量数据，平台自动调整相关参数设置，接着，控制系统发出指令，加工刀具15在x、y、z三个方向移动机构和A、C或B、C两个方向的转动机构的带动下、对成型基板2上的成型零件12的相应部位进行精密微铣削加工。
上述阶段减材制造结束后，加工刀具15回到初始位置，测量装置再次对成型零件12进行测量后将三维数据反馈给控制系统，根据测量数据，平台再次自动调整相关参数设置。同时，多材料送粉系统3中的多材料粉末容器7在x、y两个方向的移动机构带动下，将盛装有需要铺粉材料的存储舱及其对应的喷嘴移动到成型基板2上方的相对应的位置，等待铺粉。重复上述过程，完成增材制造、测量、减材制造、再测量操作过程，直到整个零件增/减材制造完毕，达到全部技术要求。
本发明涉及的其他未说明部分与现有技术相同。
本发明的平台将多材料送粉系统、多材料激光扫描系统和多轴联动刀具系统集成在同一个平台上，能够实现梯度材料、兼具复杂性与功能性及高精度零件的制造需求，改变了现有选区激光烧结/熔化(SLS/SLM)技术中单一材料粉末的供粉方式以及增材制造的零件几何精度及表面质量不高的现状，实现了梯度材料零件宏微结构一体化制造，提高了零件的材料利用率、复杂性和功能性，同时提高了零件的几何精度和表面质量。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，凡对本发明采取等同替换或等效变换所获得的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种增/减材混合制造平台，用于梯度材料复杂零件的精密制造，包括成型缸、成型基板、多材料送粉系统、多材料激光扫描系统、刀具系统、平台基体，其特征在于：所述的成型基板通过移动机构安装在所述的成型缸上，所述的多材料送粉系统与所述的平台基体可动连接，所述的多材料激光扫描系统固连在平台基体上，所述的刀具系统与平台基体可动连接；
所述的多材料送粉系统包括：
多材料粉末容器，至少包括两个存储舱，用于存放成型零件所需的不同粉末材料；
喷嘴组，至少包括两个喷嘴，用于将存放在存储舱的不同粉末材料精确分送到所述的成型基板上；
一个喷嘴对应一个存储舱，每个喷嘴分别安装在对应的存储舱的底部，各喷嘴上分别安装有压电元件，各喷嘴连同对应的存储舱在可动连接机构的带动下，能够面向成型基板上对应的铺粉层位置设置，当压电元件上施加高频电压后，使之产生高频超声振动，用于在成型基板相应的位置上精确铺设对应的粉末材料；
所述的多材料激光扫描系统包括两种激光器和两套扫描振镜系统，用于针对不同材料特性的粉末，采用不同的激光器和扫描振镜系统对所述的各喷嘴在成型基板上铺设的粉层选择性扫描并固化；
所述的刀具系统包括刀具主轴组件、主轴头和加工刀具，用于当所述的成型基板上的成型零件的叠层厚度达到微铣削加工中不产生切屑的最小切削厚度时，原位对成型零件进行精密微铣削加工。
2.根据权利要求1所述的一种增/减材混合制造平台，其特征在于：所述的多材料激光扫描系统中的两种激光器分别是光纤激光器和二氧化碳激光器，所述的扫描振镜系统包括振镜扫描器和光学系统，所述的振镜扫描器是三维动态聚焦振镜，所述的光学系统包括反射镜、扩束镜和保护镜。
3.根据权利要求1所述的一种增/减材混合制造平台，其特征在于：所述的多材料粉末容器通过x、y两个方向的移动机构安装在平台基体上，各喷嘴连同对应的存储舱通过x、y两个方向的移动机构，可实现x、y两个方向的移动。
4.根据权利要求1所述的一种增/减材混合制造平台，其特征在于：所述的刀具主轴组件通过x、y、z三个方向移动机构安装在平台基体上，刀具主轴组件端部的主轴头安装有A、C或B、C两个方向的转动机构，所述的加工刀具安装在刀具主轴组件端部的主轴头的连接孔内，可实现x、y、z三个方向的移动和A、C或B、C两个方向的转动。
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