CN107866566A - 三维列印金属功能的喷头模组及计算机数值控制加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有三维列印金属功能的喷头模组及计算机数值控制加工装置，配合金属/陶瓷/半导体胶体粉末，并可应用于多轴控制的积层制造，所述喷头模组适于装设在一计算机数值控制加工母机的主轴上，而组成一计算机数值控制加工装置。喷头模组包括一进胶螺杆、一螺杆管道、多孔入料口、预混合室、及高压射出区。进胶螺杆设置于所述螺杆管道内，并连接主轴。出胶针头连接螺杆管道。螺杆管道可供输入一金属/陶瓷/半导体的分散胶体。当进胶螺杆随着主轴而旋转时，将螺杆管道内的金属/陶瓷/半导体胶体推挤至出胶针头，而移动精确位置，进行几何特征的建立与成型。

Description

三维列印金属功能的喷头模组及计算机数值控制加工装置
技术领域
本发明是有关于一种喷头模组及计算机数值控制加工装置，特别是有关于一种具有多轴维度列印金属胶体功能的喷头模组及计算机数值控制加工装置。
背景技术
计算机数值控制加工母机(Computer Numerical Control Machining Center，下文简称「CNC加工母机」)是一种金属的自动化加工机台，其可利用计算机数值控制系统，产生数字化讯号，来驱动一铣床机构做精密加工动作。铣床机构是用铣刀对工件进行铣削加工的机床，其包括一可沿Z轴方向上下移动且可旋转的刀具主轴，以及一可沿XY平面移动的平台。平台用来置放欲加工的工件，再以刀具对工件进行铣削。CNC加工母机的最大特性，是可将不同的切削加工动作存入一控制器内，并依照一控制程式来驱动刀具，有顺序地执行多种不同的步骤，因此能够精确的铣出各种复杂的形状。
然而，以一般装设刀具的计算机数值控制加工母机无法在工件上形成额外的金属结构。为了在工件上形成额外的金属结构或修补工件，有研究者开始进行一些关于喷头与激光工艺配合的研究，相关的技术发展简述如下：
2006年Srdja Zekovic等学者分析在激光金属烧结快速成型(Laser DirectMetal Deposition,DMD)工艺中，喷头所喷出的金属粉末与气体混和的流体流动形式，以了解金属加工时所产生的现象。
2013年英国Hybrid Manufacturing Technologies公司制作出可架设于CNC加工母机上的喷头，对磨损的叶片等工件进行修补，达到节省资源及成本的效益。
2014年德国Fraunhofer IWS研究院制作一具有激光光源的喷头，其将激光光源分为三束光后再聚焦，聚集后的光束可将金属线材融化，并使焊料精准的喷在金属线材上欲加工的位置。
此外，美国RPM INNOVATION公司利用特殊设计的喷头，先使用激光将工件表面形成熔融状态，再喷射金属粉末材料至熔融区域，达到修补或制造工件的作用。
然而，现有喷头结构大多用来喷射粉末状态的金属，且难以利用计算机数值控制加工母机来进行自动化控制。在欲加工的工件上，无法系统化地增加额外的金属结构；并且，在修复有缺陷的工件时，无法提供不同相态或不同材质的金属结构。因此现有技术用来加工或修复工件的自动化技术仍有提升空间。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有三维列印金属功能的喷头模组及计算机数值控制加工装置，以解决现有技术所存在的以利用计算机数值控制加工母机来进行自动化控制；在欲加工的工件上，无法系统化地增加额外的金属结构；及在修复有缺陷的工件时，无法提供不同相态或不同材质的金属结构问题。
本发明的一目的在于提供一种喷头模组，其可与激光装置整合，适于装设在传统的CNC加工母机的主轴或刀具座上，使CNC加工母机增加多轴维度的功能，特别是对金属材料的多轴维度，藉此可在金属零件上额外增加不同相态或不同材质的金属结构，并能强化CNC加工母机对于有缺陷的金属零件的修复能力，使修复后的金属零件保有或超过原机械强度和运作功能。
本发明的另一目的在于提出一种计算机数值控制加工装置，适合以一数值控制程式来驱动一种新颖的喷头模组，并配合激光烧结工艺，以达到三维列印金属材料的功能。
为了达到上述目的，本发明提供一种具有三维列印金属功能的喷头模组，适于装设在一CNC加工母机的一主轴上，用以加工及修复一金属零件。喷头模组包括一进胶螺杆、一螺杆管道及一出胶针头。进胶螺杆连接至计算机数值控制加工母机的主轴。螺杆管道可供进胶螺杆设置于其中，并且具有一胶体入口，以供输入一金属胶体。出胶针头连接螺杆管道，并且具有一胶体出射口。当进胶螺杆随着主轴而旋转时，将螺杆管道内的金属胶体推挤至出胶针头，再从胶体出射口喷出至金属零件的一修复位置。
此外，本发明还提供一种具有三维列印金属功能的计算机数值控制加工装置(下文简称「CNC加工装置」)，包括一平台、一上述的喷头模组、一主轴驱动系统、一气体系统、一激光光源系统、一金属胶体系统及一计算机数值控制器。平台用以置放及移动金属零件。喷头模组用以将金属胶体喷出于金属零件上，并加以烧结。主轴驱动系统电性连接计算机数值控制加工母机的主轴。气体系统连接进气管道，以调节所需的气体种类流量。激光光源系统电性连接喷头模组的一激光装置。金属胶体系统用以驱动装载胶体并计算胶体的喷出量。计算机数值控制器包括一数值控制程式(Numerical Control,NC)，数值控制程式的内容包括呼叫喷头模组、驱动主轴控制进胶螺杆的旋转、计算金属胶体的喷出量、控制一气体通过气体管道喷出而形成一气体涵盖区域以覆盖金属零件，并且启动激光装置烧结喷头模组所喷出的金属胶体。
在一实施例中，上述的喷头模组更包括一激光装置，被固定于所述主轴的一侧，在所述主轴移动时，所述激光装置、所述进胶螺杆与所述出胶针头三者同时随着所述主轴移动，并且三者的相对位置不因移动而改变，使所述激光装置与所述胶体出射口能同时瞄准所述修复位置。
在一实施例中，上述的喷头模组更包括一固定件，连接激光装置与主轴。
在一实施例中，上述的喷头模组更包括一环状气体管道及一进气管道，其中环状气体管道连接进气管道，并环绕出胶针头，以便形成一气体涵盖区域覆盖此修复位置。
在一实施例中，上述的喷头模组更包括一刀具接头结构，其一端可选择性地与主轴相连接或分离，以便更换喷头模组，其另一端连接进胶螺杆。
在一实施例中，上述的喷头模组更包括一进胶管道，进胶管道连接螺杆管道的胶体入口，其中金属胶体为一金属粉末及一高分子聚合物的混合物。
在一实施例中，出胶针头可选择性地与螺杆管道相连接或分离，以便更换出胶针头。
在一实施例中，金属胶体与金属零件的材料可以是不同的金属。
本发明的喷头模组可以激光烧结使现有的多轴CNC加工母机转换成具备多轴维度列印金属功能的独特CNC加工装置。喷头模组可透过NC程式控制其运作，例如：控制平台的位置、金属胶体的剂量、气体流量、激光装置等。计算机数值控制加工装置能配合CAD/CAM计算欲修复的金属零件的位置和尺寸、与设定烧结路径，在金属零件上层层堆积形成欲修补的金属结构，可使修复后的金属零件保有或超过原机械强度和运作功能。
附图说明
图1是本发明的一实施例的喷头模组的结构示意图。
图2A及2B是本发明的一实施例的喷头模组，其气体管道的结构及运作示意图。
图3是本发明的一实施例的喷头模组，其激光装置的结构及运作示意图。
图4A-4C是本发明的另一实施例的喷头模组，其进胶管道与螺杆管道的连接示意图、拆解示意图及放大示意图。
图5是本发明的一实施例的计算机数值控制加工装置示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
图1为本发明的一实施例的喷头模组100的结构示意图。本发明的喷头模组100需能装设在一CNC加工母机的刀仓内；并且，CNC加工母机能透过数值控制程式(NumericalControl,下文简称「NC程式」)自动更换不同规格的喷头模组。如图1所示，主轴310位于CNC加工母机的刀仓内，其一般是用以装设刀具。但本发明的喷头模组100具有一刀具接头结构150，其可选择性地与主轴310相连接或分离，故能配合CNC加工母机及其预设的NC程式脚本对一金属零件进行加工或修复，也可自动更换喷头模组。
喷头模组100的主要构件包括一进胶螺杆110、一出胶针头120及一激光装置130。进胶螺杆110设置于一螺杆管道140中，其上端连接刀具接头结构150，藉此连接至CNC加工母机的主轴310，故能随着主轴310而移动或旋转。螺杆管道140具有一胶体入口141，胶体入口141连接一进胶管道160。出胶针头120的一端连接螺杆管道140，其另一端具有一胶体出射口121。激光装置130被固定于主轴310的一侧。本发明的一技术特征在于，当主轴310移动时，激光装置130、进胶螺杆110与出胶针头120三者同时随着主轴310移动，并且三者的相对位置不因移动而改变，使激光装置130与胶体出射口121能同时瞄准同一位置。
值得一提的是，适用于本发明的实施例的金属胶体200可以是一金属粉末及一高分子聚合物的混合物。以图1的喷头模组100进行一金属零件的修复时，金属胶体200由进胶管道160输入，通过胶体入口141而进入螺杆管道140中。同时参照图2A，当主轴310旋转时，进胶螺杆110会随着主轴310旋转，进而将螺杆管道140内的金属胶体200推挤至出胶针头120，再由胶体出射口121将金属胶体200射在金属零件400的修复位置P；随后再以激光装置130烧结修复位置P上的金属胶体200。
需强调的是，为了使喷头模组100能配合CNC加工母机及其预设的NC程式执行所需的动作，进胶螺杆110的设计需能直接或间接与主轴310连结，通过主轴310来带动，并能透过NC程式精准控制金属胶体200的喷出量。激光装置130需随时保持与出胶针头120相对位置不变，才能同时瞄准到修复位置P，并透过NC程式调整激光装置130的参数，以便对出胶针头120所射出的金属胶体200进行烧结。为了配合不同金属胶体200所含金属粉末的粒径，出胶针头120可选择性地与螺杆管道140相连接或分离，以便更换不同孔径的出胶针头；换言之，出胶针头120需能快速地且自动地拆装。另外，出胶针头120的材质需能克服激光的高温。
图2A及图2B为本发明的喷头模组100的气体管道的结构及运作示意图。喷头模组100的气体管道包括一气体管道170及一进气管道180，用以喷射一气体来覆盖金属零件400，以配合激光烧结工艺。图2B的上半部为气体管道的侧视图，下半部为侧视图中的A-A剖面图。侧视图显示气体管道170连接进气管道180；剖面图显示气体管道170环绕出胶针头120。此外，图2B也显示气体管道170有部分环绕于螺杆管道140的周围。适用于本发明的实施例的气体包括但不限于惰性气体或还原性气体。气体由进气管道180输入，并通过气体管道170喷出至修复位置P，并通过气体管道170可控制气体涵盖区域R的大小。
图3为本发明的喷头模组的激光装置结构及运作示意图。本发明的激光装置130的数目不限于一个。为了使激光装置130能随着主轴310移动，喷头模组100还包括一固定件190，用以将激光装置130连接至螺杆管道140的外壳体142，如此可将激光装置130固定于刀具接头结构150、进胶螺杆110及出胶针头120的两侧或四周。当刀具接头结构150连接至主轴310时，激光装置130即可随着主轴310移动。在主轴310移动时，激光装置130与出胶针头120间的相对位置不变，两者无论何时皆能维持瞄准在同一位置。
请参照图4A-4C，图4A-4C分别是本发明的另一实施例的喷头模组100，其进胶管道160与螺杆管道140的拆解示意图、连接示意图及放大示意图。要提到的是，为了便于说明进胶管道160与螺杆管道140如何进行连接与拆解，故在图4A-4C中未绘示激光装置130，且图4C中的进胶管道160与螺杆管道140连接处的壳体是以剖面方式绘示。另一方面，所述激光装置130是选择性的被包含在所述喷头模组100中的元件之一。如图4A-4C中所示，所述进胶管道160的一侧可设有尺寸及形状是对应所述胶体入口141的一中空螺母161，所述中空螺母161可以透过螺设的方式锁固于所述胶体入口141(所述胶体入口141亦设有对应所述中空螺母的螺纹)，并且金属胶体可通过所述中空螺母161的中空部(未绘示)进入到所述进胶管道160中。另一方面，从图1-3或图4A-4C中亦可看出，所述激光装置130及所述进气管道180是以套接与螺丝锁附的方式固定于本发明的喷头模组100上。例如在图1-3中，所述激光装置130及所述进气管道180是套接于所述固定件190支持而产生固定效果；又例如在图4A-4C中，所述进气管道180是套接于所述固定件190而产生固定效果。换言之，本发明的另一实施例的喷头模组100，可以通过拆解各个管路构件(如所述激光装置130、所述进胶管道160及所述进气管道180)的方式，以便于取下并收纳所述喷头模组100。
图5为本发明的一实施例的计算机数值控制加工装置示意图。计算机数值控制加工装置(下文简称「CNC加工装置」)300由一CNC加工母机及装设于其上的喷头模组100所组成。CNC加工母机包括一主轴310、一主轴驱动系统320、一气体系统330、一激光光源系统340、一金属胶体系统350、一计算机数值控制器360(下文简称「CNC控制器」)及平台370。喷头模组100通过刀具接头结构150连接至CNC加工母机的主轴310。主轴驱动系统320用以驱动主轴310。气体系统330连接进气管道180，用以调节气体的种类或流量。激光光源系统340电性连接激光装置130。金属胶体系统350用以计算金属胶体200的喷出量。计算机数值控制器360呼叫喷头模组100、通过主轴驱动系统320驱动主轴310以控制进胶螺杆110旋转、利用金属胶体系统350计算金属胶体200的喷出量或控制金属粉末与高分子聚合物的混合比例，并通过气体系统330控制气体涵盖区域R的大小，再启动激光装置130烧结所喷出的金属胶体200。平台370用以置放金属零件400，并可做水平方向的移动。
在一实施例中，CNC加工装置300的喷头模组100所喷出的金属胶体200，其相态与金属材料种类可以是与欲修复的金属零件400不相同的。
相较于现有技术，本发明的改良重点在于，此喷头模组100的结构设计可以弥补激光烧结快速成型(Direct Laser Deposition,DLD)技术的不足，对于欲修复的金属零件400，可透过喷头模组100控制金属胶体200剂量和控制喷出气体的种类与涵盖区域大小，同时透过激光装置130对金属胶体200进行烧结，而得以在金属零件400的瑕疵部位上重建金属结构，并使重建的金属结构满足金属零件400的原设计结构强度和尺寸精度，甚至可使修复后的金属零件400保有或超过原机械强度和运作功能。
综上所述，本发明的喷头模组100可以装设在现有的CNC加工母机上，并透过NC程式控制喷头模组100运作。NC程式可控制平台370的位置、金属胶体200的剂量、气体流量、激光装置等功能，配合CAD/CAM计算欲修复的金属零件400的位置和尺寸、与设定烧结路径，提供一种高自由度的维修技术。
与现有的相关技术比较，本发明具有下列优势：
1.本喷头模组100的设计可以装设在现有的多轴CNC加工母机上，并配合激光烧结工艺，使现有的多轴CNC加工母机转换成具备多轴维度列印功能的独特工作母机。
2.有别于目前金属三维列印技术仍局限于铺粉工艺，此喷头模组100的金属多轴维度列印功能可实现多轴维度自由曲面的列印成型工艺。
3.本发明的CNC加工装置300可以提供一腔体同时容纳多样金属材质在其内进行混炼，再以喷头模组100将复合材料喷出来对金属零件400进行精密的修补与重建。
4.由于本喷头模组100可装设在CNC加工母机上，故可使用国际程式码(ISO Code)并透过巨集指令来创建加工路径或烧结路径，或是用介面友善的软件，例如Siemens NX、Pro-Engineer，直接进行编程。
本喷头模组100的设计打破现有CNC加工母机的框架，使CNC加工母机增加多轴维度列印金属材料的功能，故可简化金属加工步骤与减少修复材料的消耗，有效率的客制化或修复金属零件；同时改进了现有的激光烧结快速成型(Direct Laser Deposition)技术，将修复材料从金属粉末的形态改变成金属胶体，可防止激光未烧结的粉末飞散，避免所形成的金属结构表面粗糙度高或造成环境问题，有助于加工机产业的发展。
虽然本发明已以较佳实施例揭露，然其并非用以限制本发明，任何熟习此项技艺的人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种三维列印金属功能的喷头模组，适于装设在一计算机数值控制加工母机上，用以加工及修复一金属零件，所述计算机数值控制加工母机具有一主轴，其特征在于：所述喷头模组包含︰
一进胶螺杆，连接所述主轴；
一螺杆管道，可供所述进胶螺杆设置于其中，并且具有一胶体入口，以供输入一金属胶体至所述螺杆管道中；以及
一出胶针头，连接所述螺杆管道，并且具有一胶体出射口，当所述进胶螺杆随着所述主轴而旋转时，所述金属胶体从所述螺杆管道被推挤而通过所述出胶针头，再从所述胶体出射口喷出至所述金属零件的一修复位置。
2.如权利要求1所述的三维列印金属功能的喷头模组，其特征在于：更包含一激光装置，被固定于所述主轴的一侧，在所述主轴移动时，所述激光装置、所述进胶螺杆与所述出胶针头三者同时随着所述主轴移动，并且三者的相对位置不因移动而改变，使所述激光装置与所述胶体出射口能同时瞄准所述修复位置。
3.如权利要求2所述的三维列印金属功能的喷头模组，其特征在于：更包括一固定件，连接所述激光装置与所述主轴。
4.如权利要求1所述的三维列印金属功能的喷头模组，其特征在于：更包括一气体管道及一进气管道，其中所述气体管道连接所述进气管道，并环绕所述出胶针头
5.如权利要求1所述的三维列印金属功能的喷头模组，其特征在于：更包括一刀具接头结构，其一端选择性地与所述主轴相连接或分离，其另一端连接所述进胶螺杆。
6.如权利要求1所述的三维列印金属功能的喷头模组，其特征在于：更包括一进胶管道，所述进胶管道连接所述螺杆管道的所述胶体入口，其中所述金属胶体为一金属粉末及一高分子聚合物的混合物。
7.如权利要求1所述的三维列印金属功能的喷头模组，其特征在于：所述出胶针头可选择性地与所述螺杆管道相连接或分离。
8.一种三维列印金属功能的计算机数值控制加工装置，其特征在于：包括：
一平台，用以置放及移动所述金属零件；
一如申请专利范围第1项所述的喷头模组，用以将所述金属胶体喷出于所述金属零件上；
一主轴驱动系统，电性连接所述计算机数值控制加工母机的所述主轴；
一气体系统，连接所述进气管道；
一激光光源系统，电性连接所述喷头模组的一激光装置；
一金属胶体系统，用以计量所述金属胶体；以及
一计算机数值控制器，包括一数值控制程式，所述数值控制程式的内容包括呼叫所述喷头模组、驱动所述主轴控制所述进胶螺杆的旋转、驱动所述金属胶体系统计算所述金属胶体的喷出量、驱动所述气体系统控制一气体通过所述气体管道喷出而形成一气体涵盖区域以覆盖所述金属零件，并且启动所述激光装置烧结所述喷头模组所喷出的所述金属胶体。
9.如权利要求8所述的三维列印金属功能的计算机数值控制加工装置，其特征在于：所述金属胶体与所述金属零件的材料为不同的金属。
10.如权利要求8所述的三维列印金属功能的计算机数值控制加工装置，其特征在于：所述喷头模组包括一气体管道及一进气管道，其中所述气体管道连接所述进气管道，并环绕所述出胶针头。
11.如权利要求8所述的三维列印金属功能的计算机数值控制加工装置，其特征在于：所述喷头模组包括一固定件，连接所述激光装置与所述主轴。
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