CN108421979A - 一种超长金属工件的3d打印设备及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超长金属工件的3D打印设备及打印方法，属于3D打印技术领域。超长金属工件的3D打印设备的保护系统、冷却系统分别与真空装置相连；真空装置内设置机器人系统；送丝系统将打印金属丝料送至真空装置内并供应至机器人系统处；机器人系统与热源系统配合将印金属丝料进行热熔成型；牵引系统将真空装置内打印完成的超长金属工件牵引至真空装置外侧。本发明提供的超长金属工件的3D打印设备及打印方实现倾斜角度的切片和3D打印，通过对已成形工件的水平步进牵引，进行连续3D打印；解决传统金属材料增材制造方法无法打印超长工件的问题。

Description

一种超长金属工件的3D打印设备及打印方法

技术领域

本发明涉及一种超长金属工件的3D 打印设备及打印方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

机械加工的分类方式有多种，按被加工材料的增减可分为减材制造和增材制造，目前增材制造正飞速发展，与减材制造相比，增材制造无需开模、铸造、切割、部件组装等复杂流程，实现了一次成型的加工工艺，广泛应用于医学、航天、建筑，汽车等领域。目前，金属材料的增材制造主要围绕提高打印件的精度、性能等方面展开，现有的设备都只适合于打印小型零部件。为了使3D打印技术在各领域中得到更为广泛的应用，超长金属工件的3D打印技术已经成为3D打印技术领域目前的重点研发方向。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种超长金属工件的3D 打印设备及打印方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备，包括保护系统，冷却系统，真空装置，机器人系统，热源系统，送丝系统，牵引系统；所述的保护系统、冷却系统分别与真空装置相连；真空装置内设置机器人系统；送丝系统将打印金属丝料送至真空装置内并供应至机器人系统处；机器人系统与热源系统配合将印金属丝料进行热熔成型；牵引系统将真空装置内打印完成的超长金属工件牵引至真空装置外侧。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备，所述的保护系统包括放电气体气瓶与主气体管路；所述放电气体气瓶通过主气送气软管将气体输送至真空装置内；

所述的冷却系统包括水冷机，水冷机上的进水口与出水口分别与出水口管与进水口管相连；出水口管与进水口管与主气送气软管并行一束连接至气氛仓；

所述的真空装置包括机械泵，机械泵排气软管，机械泵吸气软管，气氛仓；所述机械泵通过吸气软管与气氛仓相连；机械泵通过机械泵排气软管排气；所述的气氛仓的一个端面由柔性密封罩包裹；

所述的机器人系统包括机器人示教器，机械臂；所述的机械臂布置在气氛仓内；机械臂与外部机器人示教器相连；

所述的热源系统包括控制柜，发生器喷嘴；所述的控制柜与发生器喷嘴相连，发生器喷嘴布置在机械臂上；

所述的送丝系统包括送丝机，送丝嘴；所述的送丝机与送丝嘴相连；送丝嘴延伸至发生器喷嘴处；

所述的牵引系统包括支撑架，成型基板，牵引机；所述的牵引机通过连杆与成型基板相连；成型基板从柔性密封罩延伸入气氛仓内，成型基板位于发生器喷嘴处，支撑架布置在成型基板前端，用于托举打印成型后的金属件；

所述主气送气软管的输出端布置在发生器喷嘴处，冷却发生器喷嘴。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备，还包括观察系统；所述的观察系统包括观测摄像机，外接显示屏；观测摄像机位于气氛仓内。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备，所述的保护系统还包括氛围气体瓶，氛围气体通过辅气送气软管与吸气软管并行成一束连接入气氛仓内。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备，所述的成型基板与水平面呈15°-65°倾斜。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，步骤如下：

1）、检查各设备是否正常工作，检查机械臂上的发生器喷嘴是否正常，将成型基板的位置调整至与发生器喷嘴可工作位置；将送丝嘴调节至与发生器喷嘴（5可工作位置；

2）、启动真空装置对气氛仓内进行抽压，压力达到设定数值后

打开保护系统对气氛仓填充保护气体；

3）、启动热源系统对成型基板进行预热；

4）、开始打印，机械臂沿设定轨迹将发生器喷嘴进行运动，发生器喷嘴将送丝嘴输出的增材制造用金属丝喷射至成型基板上实现连续的逐层材料堆积和熔合；

5）、当发生器喷嘴工作时，冷却系统通过出水口管与进水口管提供的循环水路以散热的方式进行冷却；

6）、成型基板由牵引系统从柔性密封罩的端部将堆积成型的金属件牵引出气氛仓。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，所述的步骤2）中反复进行抽压与填充保护气体；保护气体为惰性气体，将气氛仓内气压将至22Pa,含氧量低于2000pm。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，步骤4）打印开始后，观察系统观测打印过程。

本发明所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，步骤6）中成型金属件由牵引系统牵引至外部的支撑架；支撑架以间隔1米进行放置。

有益效果

本发明提供的超长金属工件的3D打印设备及打印方实现倾斜角度的切片和3D打印，通过对已成形工件的水平步进牵引，进行连续3D打印； 解决传统金属材料增材制造方法无法打印超长工件的问题。

通过气氛仓内维持惰性气体正压力，以及柔性密封罩逸出惰性气体的作用，维持仓内保护性气氛环境，减少打印过程中工件的氧化；

附图说明

图1为本发明超长金属工件的3D打印设备系统说明图；

图2为本发明超长金属工件的3D打印设备结构示意图；

图中 1、保护气系统；2、冷却系统；3、真空系统；4、机器人系统；5、热源系统；6、送丝系统；7、观察系统；8、牵引系统；

101、放电气体气瓶（主气）；102、氛围气体瓶（辅气）；103、主气送气软管；104、辅气送气软管；

201、水冷机；202、出水口管；203、进水口管；204、机械泵开关；205、压缩机开；

301、机械泵；302、机械泵排气软管；303、机械泵吸气软管；304、五面封闭气氛仓；

401、 机器人示教器；402、机械臂；

501、控制柜；502、发生器喷嘴；

601、送丝机；602、送丝嘴；603、增材制造用金属丝；

701、摄像机；702、外接显示屏；

801、支撑架；802、成型基板；803、牵引机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围:

如图1所示：一种超长金属工件的3D 打印设备，包括保护系统1，冷却系统2，真空装置3，机器人系统4，热源系统5，送丝系统6，牵引系统8；

保护系统1包括放电气体气瓶101，主气送气软管103；所述放电气体气瓶101通过主气送气软管103将气体输送至真空装置3内；放电气体气瓶101主要是通过主送气软管103给热源发生器喷嘴502提供可电离的气体，经控制柜501控制点火的启停。氛围气体瓶102主要是通过铺气送气软管104,再经合路软管给气氛仓304提供保护气氛，防止周围空气的进入，包括造成对打印件的氧化污染。

冷却系统2包括水冷机201，水冷机201上的进水口与出水口分别与出水口管201与进水口管203相连；出水口管202与进水口管203并联在主气送气软管（103）上；冷却系统2有两个水路，出水口管202与进水口管203，与送气软管203并行，经合路软管接到热源发生器喷嘴502，冷却水要求为去离子水并用来冷却被不断加热的喷嘴防止其烧坏 。冷却系统2主要有两个控制开关，开关204控制机械泵的启停，开关205控制压缩机的启停。水冷机在开机时先打开机械泵开关204，再打开压缩机开关205。

真空装置3包括机械泵301，机械泵排气软管302，机械泵吸气软管303，气氛仓304；所述机械泵301通过吸气软管303与气氛仓304相连；机械泵301通过机械泵排气软管302排气；所述的气氛仓304的一个端面由柔性密封罩包裹；抽的真空度不需要特别高，抽到20Pa即可；抽出的空气经由排气管302排出。

机器人系统4包括机器人示教器401，机械臂402；所述的机械臂402布置在气氛仓304内；机械臂402与外部机器人示教器401相连；机械臂402为六轴机械臂用来控制热源的运动，其中热源发生器喷嘴502是通过机械固定在机械臂402上的。

热源系统5包括控制柜501，发生器喷嘴502；所述的控制柜501与发生器喷嘴502相连，发生器喷嘴502布置在机械臂402上，控制柜主要用来点火。

一般先送气再打开水路，最后进行点火操作。

送丝系统6包括送丝机601，送丝嘴602；所述的送丝机601与送丝嘴602相连；送丝嘴602延伸至发生器喷嘴502处；送丝系统6在送丝滚轮的带动下使焊丝持续送进，送丝嘴602用来矫正送进的焊丝，使其保持平直状态，送丝机把焊丝送入热源喷嘴502，热源喷嘴502与焊丝603保持对准状态，提高成型的外形质量。

观察系统7包括TOTA-III 型摄像机701和外接显示屏702，TOTA-III 型摄像机701装在工作仓的内部一角，通过显示屏702来观察熔滴过渡，进而去调控工艺参数使得熔滴过渡近于理想状态。

牵引系统8包括支撑架801，成型基板802，牵引机803；所述的牵引机803通过连杆与成型基板802相连；成型基板802从柔性密封罩延伸入气氛仓304内，成型基板802位于发生器喷嘴502处，支撑架801布置在成型基板802前端，用于托举打印成型后的金属件；型基板802与水平面呈15°-65°倾斜；

随着工件不断打印变长，支撑架就需要不断布置在成型件下部。成型基板通过一个长棒与牵引机803相连，并在牵引机803的带动下带动工件不断右移。成型基板与水平方向呈45°，这样熔滴滴落后即使在重力作用下也因有基板的支撑，不会淌下，通过合理的参数控制使得其在45°方向上凝固成型。

本发明的打印操作方法如下：

（1）打开控制柜中的气路开关，检查热源喷嘴是否正常；

（2）工作仓内气压抽至负压，打开机械泵抽取工作仓内的空气到约22Pa；（交换了顺序）

（3）打开惰性气体源的阀门，工作仓内充保护气体。反复1-2步骤，直到工作仓氧含量低于2000ppm；

（4）打开水冷机和工作气体源阀门；

（5）开启热源并预热底板，使得底板产生薄熔池，便于第一层熔覆层与倾斜的工作台底板具备良好的冶金结合；

（6）将3D打印材料金属丝通过送丝机构和机器人手臂的移动以一定的速度送进给热源，使得金属材料在倾斜的工作台底板上实现连续的逐层材料堆积和熔合；

（7）3D打印的材料堆积和熔合过程沿预先设定的逐层增材轨迹，即切片的几何轨迹进行。与通常的切片几何轨迹面为水平面不同的是，本发明的切片几何轨迹平面与倾斜底板的平面平行。

（8）牵引系统通过连杆刚性连接倾斜底板，并随着打印的进行，连杆以设定的速度侧向移动，牵引已打印部分远离热源，牵引过程中，工作仓内部及柔性密封罩保持有持续的惰性气体的供给，避免外界空气从柔性材料与已打印零件的空隙中进入。

（9）当打印间隔一定预设的长度，在已打印零件下方放置支撑架，打印件越长，所需的支撑架就越多。

（10）打印过程中，通过熔池视觉CMOS 图像传感系统对熔池情况进行观察，并及时调整工艺参数。

（11）打印完成后将被打印零件取下，进行后续的热处理和机械加工，以消除应力和去除加工余量保证尺寸精度。

本发明提供的大尺度机器人3D打印设备及打印工艺可打印最大横截面尺寸为300mm x3mmm的超长金属工件，且系统配套完善、打印质量优良。

需要说明的是，本实施方式为了详细阐述打印设备，对各个系统进行了解释和介绍，对装置的结构和连接方式进行了列举说明，本领域技术人员也可采用其它形式的结构或连接方式，只要能实现打印材料在基板上的正常沉积与凝固、各个通道的正常运作即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超长金属工件的3D 打印设备，包括保护系统（1），冷却系统（2），真空装置（3），机器人系统（4），热源系统（5），送丝系统（6），牵引系统（8）；所述的保护系统（1）、冷却系统（2）分别与真空装置（3）相连；真空装置（3）内设置机器人系统（4）；送丝系统（6）将打印金属丝料送至真空装置（3）内并供应至机器人系统（4）处；机器人系统（4）与热源系统（5）配合将印金属丝料进行热熔成型；牵引系统（8）将真空装置（3）内打印完成的超长金属工件牵引至真空装置（3）外侧。

2.根据权利要求1所述的超长金属工件的3D 打印设备，其特征在于：所述的保护系统（1）包括放电气体气瓶（101），主气送气软管（103）；所述放电气体气瓶（101）通过主气送气软管（103）将气体输送至真空装置（3）内；

所述的冷却系统（2）包括水冷机（201），水冷机（201）上的进水口与出水口分别与出水口管（202）与进水口管（203）相连；出水口管（202）与进水口管（203）与主气送气软管（103）并行成一束连接至气氛仓(304)；

所述的真空装置（3）包括机械泵（301），机械泵排气软管（302），机械泵吸气软管（303），气氛仓（304）；所述机械泵（301）通过吸气软管（303）与气氛仓（304）相连；机械泵（301）通过机械泵排气软管（302）排气；所述的气氛仓（304）的一个端面由柔性密封罩包裹；

所述的机器人系统（4）包括机器人示教器（401），机械臂（402）；所述的机械臂（402）布置在气氛仓（304）内；机械臂（402）与外部机器人示教器（401）相连；

所述的热源系统（5）包括控制柜（501），发生器喷嘴（502）；所述的控制柜（501）与发生器喷嘴（502）相连，发生器喷嘴（502）布置在机械臂（402）上，

所述的送丝系统（6）包括送丝机（601），送丝嘴（602）；所述的送丝机（601）与送丝嘴（602）相连；送丝嘴（602）延伸至发生器喷嘴（502）处；

所述的牵引系统（8）包括支撑架（801），成型基板（802），牵引机（803）；所述的牵引机（803）通过连杆与成型基板（802）相连；成型基板（802）从柔性密封罩延伸入气氛仓（304）内，成型基板（802）位于发生器喷嘴（502）处，支撑架（801）布置在成型基板（802）前端，用于托举打印成型后的金属件；

所述主气送气软管（103）的输出端布置在发生器喷嘴（502）处，冷却发生器喷嘴（502）。

3.根据权利要求1或2所述的超长金属工件的3D 打印设备，其特征在于：还包括观察系统（7）；所述的观察系统（7）包括观测摄像机（701），外接显示屏（702）；观测摄像机（701）位于气氛仓（304）内。

4.根据权利要求2所述的超长金属工件的3D 打印设备，其特征在于：所述的保护系统（1）还包括氛围气体（102），氛围气体（102）通过辅气送气软管（104）与吸气软管（303）并行成一束连接至气氛仓（304）。

5.根据权利要求2所述的超长金属工件的3D 打印设备，其特征在于：所述的成型基板（802）与水平面呈15°-65°倾斜。

6.根据权利要求1至5任一项所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，其特征在于：步骤如下：

1）、检查各设备是否正常工作，检查机械臂（402）上的发生器喷嘴（502）是否正常，将成型基板（802）的位置调整至与发生器喷嘴（502）可工作位置；将送丝嘴（602）调节至与发生器喷嘴（502）可工作位置；

2）、启动真空装置（3）对气氛仓（304）内进行抽压，压力达到设定数值后

打开保护系统（1）对气氛仓（304）填充保护气体；

3）、启动热源系统（5）对成型基板（802）进行预热；

4）、开始打印，机械臂（402）沿设定轨迹将发生器喷嘴（502）进行运动，发生器喷嘴（502）将送丝嘴（602）输出的增材制造用金属丝（603）喷射至成型基板（802）上实现连续的逐层材料堆积和熔合；

5）、当发生器喷嘴（502）工作时，冷却系统（2）通过出水口管（202）与进水口管（203）与发生器内部散热通道连接实现冷却；

6）、成型基板（802）由牵引系统（8）从柔性密封罩端将堆积成型的金属件牵引出气氛仓（304）。

7.根据权利要求6任一项所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，其特征在于：所述的步骤2）中反复进行抽压与填充保护气体；保护气体为惰性气体，将气氛仓（304）内气压降至22Pa,充惰性气体至压强大于环境气压；不断换气至仓室内含氧量低于2000pm。

8.根据权利要求6任一项所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，其特征在于：步骤4）打印开始后，观察系统（7）观测打印过程。

9. 根据权利要求6任一项所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，其特征在于：步骤6）中成型金属件由牵引系统（8）牵引至外部的支撑架（801）；支撑架（801）以间隔1米进行放置。

10.根据权利要求2所述的超长金属工件的3D 打印设备的打印方法，其特征在于：所述的牵引机（803）与成型基板（802）之间为可分离式连接；成型基板（802）与打印材料为类型一致的金属薄板。