CN106676597A - 3d打印增材制造精加工设备及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印增材制造精加工设备及加工方法，设备由机架系统、3D打印单元、电刷镀单元和工作台组成，3D打印单元进行逐层打印，每层打印完毕后，控制系统给出信号，3D打印单元沿滑块上的导轨向上后退，电镀单元沿滑块上的导轨向下前进，开始对该层的表面质量进行光学测量，当检测到某处存在凹坑时，将信号反馈到控制系统，控制系统控制电镀单元与电源正极连通，制件与电源负极连通，电镀笔开始对凹坑进行填补，填补完毕后继续检测填补，直到该层的凹坑全部修复完毕；然后开始下一层的打印和修复，直至所有层都完成；整体打印完毕后，再用电刷镀单元进行表面质量的修复，得到最终制品。本发明粗精加工一气呵成，成型速度快，制品精度高。

Description

3D打印增材制造精加工设备及其加工方法
技术领域
本发明涉及金属三维打印技术领域，特指一种能够实现打印制品的表面质量在线测量以及表面精加工的设备及加工方法。
背景技术
3D打印作为一种增材制造工艺，具有节省空间、节省原料等优点，成为人们广泛关注的热点，其打印材料也在不断拓宽，金属材料即是3D打印的一个方向。目前金属材料的3D打印方法主要包括激光烧结成型(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、电子束快速成型等形式，激光烧结成型是指以激光为热源对粉末压坯进行烧结的技术，熔融沉积成型是利用高温将材料融化成熔融态，通过打印单元挤出后固化，最后分层在立体空间上排列形成三维实体的技术，电子束快速成型技术与熔融沉积成型类似，用电子束作为热源可以完成金属材料的熔融成型，这些方法作为增材制造工艺，虽然具备3D打印普适的优点，但均存在密实度不高、表面质量不高、制品较粗糙等缺陷。
电刷镀技术是一种金属表面工程应用技术，其原理是借助电化学方法，以充满镀液的镀笔为阳极，工件为负极，使金属离子在工件表面上放电结晶，最终形成金属覆盖层。该技术在军用、民用的金属设备修复工程中发挥着至关重要的作用，在金属增材制造领域有着广阔的发展前景。
为解决常规金属3D打印技术存在的制品不够密实、表面质量不高的缺点，本发明结合3D打印、电刷镀技术以及在线精密测量技术，特提出一种3D打印增材制造精加工方法及设备。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的金属3D打印存在的密实度不高、表面质量不高、制品较粗糙等缺陷，提供了一种3D打印增材制造精加工设备及方法，适用于金属材料的3D打印、表面测量及精加工，能够显著提高制品的表面质量和密实度。
实现上述目的的技术方案是：3D打印增材制造精加工设备，由机架系统、3D打印单元、电刷镀单元和工作台组成，其中：
机架系统由滑块、X方向导轨、Y方向导轨和Z方向导轨组成，滑块安装在Y方向导轨上，Y方向导轨安装在X方向导轨上，X方向导轨安装在Z方向导轨上，因此最终滑块可以实现三轴向运动；
3D打印单元采用电子束快速成型技术，由电子束发射单元、送丝装置和3D打印头等组成，3D打印单元安装在滑块的导轨上，可以在滑块的导轨上沿Z方向上下运动，由于滑块可以实现三轴向运动，因此打印单元能在三维空间进行逐层打印；
电刷镀单元由电镀液输送装置和电镀笔组成，电镀笔中内置表面质量光学测量传感器，电镀笔也安装在滑块上，与3D打印单元并列布置，可沿滑块的导轨做Z方向的上下运动，同时也能随滑块做三轴向的运动以实现三维电刷镀；
工作台中间设有导电贴片，与制件紧密贴合，在电刷镀过程中制件连接负极，电镀笔连接正极，当控制系统给出电镀信号时，电镀开始。
本发明3D打印增材制造精加工设备具体的工作过程为：第一步，计算机对制品的三维模型进行切片处理；第二步，3D打印单元进行逐层打印，每层打印完毕后，控制系统给出信号，3D打印单元沿滑块上的导轨向上后退，电镀单元沿滑块上的导轨向下前进，开始对该层的表面质量进行光学测量，当检测到某处存在凹坑时，将信号反馈到控制系统，控制系统控制电镀单元与电源正极连通，制件与电源负极连通，电镀笔开始对凹坑进行填补，填补完毕后继续检测填补，直到该层的凹坑全部修复完毕；第三步，继续下一层的打印，采用此方案由于每层的精度都得到了保证，制品的致密程度大大提高；第四步，整体打印完毕后，再用电刷镀单元进行表面质量的修复。得到最终的制品。
本发明3D打印增材制造精加工方法，其方案二是，在上述第二步和第三步中省去凹坑修复操作，只是在制品最终打印完成后用电刷镀单元进行表面质量的修复，当对制品力学性能要求不高，但需要较高的表面质量时可采用此方案，制备效率得到提高。
本发明的有益效果是：
本发明3D打印增材制造精加工设备及其加工方法，其电刷镀单元能够根据控制系统给定的信号，在表面粗糙的地方实施电镀，利用金属离子放电结晶来填补细小的凹坑(精加工)，使得表面质量得到优化，制件密实度得到提高。
本发明的粗精加工均属于增材制造，与传统3D打印的金属零件精加工方法相比(打磨、抛光)，本发明极大地节省了原料，在打印钛合金等贵重金属时极具成本效益。
本发明3D打印增材制造精加工方法及设备，自动化程度高，打印、测量及电镀均由控制系统控制，粗精加工一气呵成，成型速度快，制品精度高，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明3D打印增材制造精加工设备示意图
图2为本发明3D打印增材制造精加工方法中的电刷镀精加工原理图。
图中：1.机架系统；2.3D打印单元；3.电刷镀单元；4.工作台，1-1.滑块，1-2.X方向导轨，1-3.Y方向导轨，1-4.Z方向导轨；2-1.金属丝材，2-2.电子束发射单元，2-3.送丝装置，2-4.3D打印头；3-1.电镀液输送装置，3-2.电镀笔；4-1.导电贴片，4-2.工作台。
具体实施方式
本发明提供了一种3D打印增材制造精加工设备，如图1所示，由机架系统1、3D打印单元2、电刷镀单元3和工作台4组成，其中：
机架系统1由滑块1-1、X方向导轨1-2、Y方向导轨1-3和Z方向导轨1-4组成，滑块1-1安装在Y方向导轨1-3上，Y方向导轨1-3安装在X方向导轨1-2上，X方向导轨1-2安装在Z方向导轨1-4上，因此最终滑块1-1可以实现三轴向运动。
3D打印单元2采用电子束快速成型技术，如图2所示，由金属丝材2-1、电子束发射单元2-2、送丝装置2-3和3D打印头2-4等组成，3D打印单元2安装在滑块1-1的导轨上，可以在滑块1-1的导轨上沿Z方向上下运动，由于滑块1-1可以实现三轴向运动，因此3D打印单元2能在三维空间进行逐层打印。
如图2所示，电刷镀单元3由电镀液输送装置3-1和电镀笔3-2组成，电镀笔3-2中内置表面质量光学测量传感器，电刷镀单元3也安装在滑块1-1上，与3D打印单元2并列布置，可沿滑块1-1的导轨做Z方向的上下运动，同时也能随滑块1-1做三轴向的运动以实现三维电镀。
如图1所示，工作台4中间设有导电贴片4-1，与制件紧密贴合，在电刷镀过程中制件连接负极，电镀笔3-2连接正极，当控制系统给出电镀信号时，电镀开始。
本发明3D打印增材制造精加工方法具体的工作过程为：计算机对制品的三维模型的进行切片处理后，3D打印单元3开始工作，根据需求完成两种精加工方案，其一，3D打印单元3进行逐层打印，每层打印完毕后，控制系统给出信号，3D打印单元2沿滑块1-1上的导轨向上后退，电刷镀单元3沿滑块1-1上的导轨向下前进，开始对该层的表面质量进行光学测量，当检测到某处存在凹坑时，将信号反馈到控制系统，控制系统控制电刷镀单元3与电源正极连通，制件与电源负极连通，电镀笔3-2开始对凹坑进行填补，填补完毕后继续检测填补，直到该层的凹坑全部修复完毕再对整个表面进行进一步的刷镀，然后开始下一层的打印，采用此方案由于每层的精度都得到了保证，制品的致密程度大大提高；方案二则是待3D打印单元2将制件打印完毕之后再用电刷镀单元3进行表面质量的修复，当对制品力学性能要求不高，但需要较高的表面质量时可采用此方案，精加工后的制件表面如图2所示，A部分为3D打印完毕后的制件，B部分是电刷镀形成的结晶部分，可见精加工后制件的表面质量得到了很好的改善。
以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。

Claims (3)

1.3D打印增材制造精加工设备，其特征在于：由机架系统、3D打印单元、电刷镀单元和工作台组成，机架系统由滑块、X方向导轨、Y方向导轨和Z方向导轨组成，滑块安装在Y方向导轨上，Y方向导轨安装在X方向导轨上，X方向导轨安装在Z方向导轨上，因此最终滑块可以实现三轴向运动；3D打印单元采用电子束快速成型技术，由电子束发射单元、送丝装置和3D打印头等组成，3D打印单元安装在滑块的导轨上，可以在滑块的导轨上沿Z方向上下运动，由于滑块可以实现三轴向运动，因此打印单元能在三维空间进行逐层打印；电刷镀单元由电镀液输送装置和电镀笔组成，电镀笔中内置表面质量光学测量传感器，电镀笔也安装在滑块上，与3D打印单元并列布置，可沿滑块的导轨做Z方向的上下运动，同时也能随滑块做三轴向的运动以实现三维电刷镀；工作台中间设有导电贴片，与制件紧密贴合，在电刷镀过程中制件连接负极，电镀笔连接正极，当控制系统给出电镀信号时，电镀开始。
2.3D打印增材制造精加工方法，其特征在于：第一步，计算机对制品的三维模型进行切片处理；第二步，3D打印单元进行逐层打印，每层打印完毕后，控制系统给出信号，3D打印单元沿滑块上的导轨向上后退，电镀单元沿滑块上的导轨向下前进，开始对该层的表面质量进行光学测量，当检测到某处存在凹坑时，将信号反馈到控制系统，控制系统控制电镀单元与电源正极连通，制件与电源负极连通，电镀笔开始对凹坑进行填补，填补完毕后继续检测填补，直到该层的凹坑全部修复完毕；第三步，然后开始下一层的打印和修复，直至所有层都完成；第四步，整体打印完毕后，再用电刷镀单元进行表面质量的修复，得到最终的制品。
3.根据权利要求2所述的3D打印增材制造精加工方法，其特征在于：在第二步和第三步中省去凹坑修复操作，只是在制品最终打印完成后用电刷镀单元进行表面质量的修复。
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