CN108941557B - 增等材复合成形设备及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增等材复合成形设备，包括工作台、连接工作台的固定机构、连接固定机构的打印机构、塑性成形机构、激光机构、送粉机构、及输气机构；打印机构包括打印头、连接打印头的安装座、连接安装座的激光管、连接打印头的送粉管、及连接打印头的输气管；安装座设置于固定机构；激光管的一端连接激光机构，送粉管的一端连接送粉机构，输气管的一端连接输气机构；塑性成形机构包括压块、及连接压块的控制件。本增等材复合成形设备通过将激光管连接安装座，将送粉管及输气管内置打印头，实现光内同轴光粉耦合，提高材料利用率；通过塑性成形机构对每一成形层进行塑性加工，提高零件致密度；本设备显著提高工作效率、改善产品质量。

Description

增等材复合成形设备及其成形方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种结构简单的增等材复合成形设备及其成形方法。

背景技术

3D打印技术是“增材制造”的主要实现形式，不需要原胚和模具，直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生产任何形状的物体。金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

目前，金属3D激光加工技术是当今迅速发展的新兴科学技术。该技术融合了选择性激光烧结技术和激光熔覆技术，以“离散+堆积”的成形思想为基础，按照零件分层截面轮廓轨迹逐层扫描堆积材料，最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。具有柔性好(不需要专用工具、模具和夹具)、加工速度快、材料利用率高、对零件的复杂程度基本没有限制、可实现高熔点难加工材料的成形等显著优点，现已广泛应用于机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域，应用前景广阔。

传统的3D激光加工技术一般采用光外同步送粉激光成形，但材料利用率低，工作效率不高。而且，由于气孔、未熔合等内部缺陷而造成机械性能不足，使承力结构件致命的疲劳萌生源，导致金属3D打印零件致密度不高、表面精度不理想，可靠性存在隐患。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种结构简单、操作便捷的增等材复合成形设备，其成形方法简单易控。

一种增等材复合成形设备，包括工作台、连接工作台的固定机构、连接固定机构的打印机构、塑性成形机构、激光机构、送粉机构、及输气机构；所述打印机构包括打印头、连接打印头的安装座、连接安装座的激光管、连接打印头的送粉管、及连接打印头的输气管；所述安装座设置于固定机构；所述激光管的一端连接激光机构，所述送粉管的一端连接送粉机构，所述输气管的一端连接输气机构；所述塑性成形机构包括压块、及连接压块的控制件。

本发明的增等材复合成形设备通过将激光管连接安装座，将送粉管及输气管内置打印头，实现光内同轴光粉耦合，提高材料利用率；通过塑性成形机构对每一成形层进行塑性加工，提高零件致密度；本增等材复合成形设备显著提高工作效率、改善产品质量。

在其中一个实施例中，所述安装座的一端内置倾斜反射镜；所述打印头包括连接安装座的支撑件、及连接支撑件的喷头；所述支撑件内侧设置环形反射镜，该支撑件的中部设置一凸镜。

在其中一个实施例中，所述打印机构包括集中管，所述集中管从凸镜的下方延伸至喷头；所述送粉管的一端连接集中管，所述输气管的一端连接集中管。

在其中一个实施例中，所述打印机构还包括连接安装座的移动件、及用于驱动移动件升降的驱动件；所述移动件滑设于固定机构。

在其中一个实施例中，包括光学传感器；所述光学传感器连接移动件。

在其中一个实施例中，包括X轴调整机构、Y轴调整机构、及Z轴调整机构；所述X轴调整机构包括连接所述工作台的滑块、及用于驱动工作台移动的X轴动力件；所述Y轴调整机构包括连接所述滑块的导轨、及用于驱动滑块移动的Y轴动力件；所述Z轴调整机构包括升降块、及用于驱动升降块移动的Z轴动力件。

在其中一个实施例中，所述固定机构包括底座、连接底座的支撑架、及围设底座的护板；所述导轨设置于底座，所述升降块滑设于支撑架。

在其中一个实施例中，包括冷却机构；所述冷却机构经激光机构连接打印头。

一种增等材复合成形设备的成形方法，基于上述增等材复合成形设备，包括如下步骤：

S1，调整位置：将所述打印头移动到工作台的正上方，再将所述压块调整为与打印头保持在同一高度，确保二者无干涉；

S2，激光加工：启动所述激光机构、送粉机构、及输气机构，所述打印头在工作台上扫描加工，得到成形层后，所述打印头暂停扫描并复位，再关闭所述激光机构、送粉机构、及输气机构；

S3，塑性加工：启动所述塑性成形机构，所述压块将经步骤S2得到的成形层进行塑性加工，加工完成后的压块回复至原位；

S4，调整高度；所述打印头上移一个成形层的高度，及所述压块上移一个成形层的高度；

S5，重复操作：对经步骤S3塑性加工后的成形层上继续逐层反复重复步骤S2、步骤S3及步骤S4，直至加工完成。

一种增等材复合成形设备的成形方法，基于上述增等材复合成形设备，包括如下步骤：

S1，调整位置：将所述打印头移动到工作台的正上方，再调整所述光学传感器的角度，使所述光学传感器对准打印头下方的熔池区域；再将所述压块调整为与打印头保持在同一高度，确保二者无干涉；

S2，激光加工：启动所述激光机构、送粉机构、及输气机构，所述打印头在工作台上扫描加工，得到成形层；同时，启动所述光学传感器对熔池进行扫描，以作出下一层扫描参数的调整；扫描完成该层后，所述打印头暂停扫描并复位，再关闭所述激光机构、送粉机构、及输气机构；

S3，塑性加工：启动所述塑性成形机构，所述控制件控制压块将经步骤S2得到的成形层表面进行塑性加工，加工完成后的压块回复至原位；

S4，调整高度；所述打印头上移一个成形层的高度，及所述压块上移一个成形层的高度；

S5，重复操作：对经步骤S3塑性加工后的成形层上继续逐层反复重复步骤S2、步骤S3及步骤S4，直至加工完成。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的增等材复合成形设备的立体结构示意图；

图2为图1增等材复合成形设备中工作台、固定机构、打印机构、X轴调整机构、Y轴调整机构、及Z轴调整机构的示意图；

图3为图1增等材复合成形设备中除激光机构、送粉机构、输气机构、及冷却机构外的示意图；

图4为图3的另一角度示意图；

图5为图1中打印机构的剖面图；

图6为图1中打印机构的工作原理图。

附图标注说明：

增等材复合成形设备100；

工作台10、固定机构20、底座21、支撑架22、护板23、收集件24；

打印机构30、打印头31、支撑件311、喷头312、安装座32、激光管33、送粉管34、输气管35、环形反射镜36、凸镜37、倾斜反射镜38、集中管39；

激光机构40、送粉机构50、输气机构60、塑性成形机构70、压块71、控制件72、冷却机构80；

X轴调整机构91、滑块911、X轴动力件912、Y轴调整机构92、导轨921、Y轴动力件922、Z轴调整机构93、升降块931。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1至图6，为本发明一较佳实施方式的一种增等材复合成形设备100，包括工作台10、连接工作台10的固定机构20、连接固定机构20的打印机构30、激光机构40、送粉机构50、输气机构60、及塑性成形机构70；打印机构30包括打印头31、连接打印头31的安装座32、连接安装座32的激光管33、连接打印头31的送粉管34、及连接打印头31的输气管35；安装座32设置于固定机构20；激光管33的一端连接激光机构40，送粉管34的一端连接送粉机构50，输气管35的一端连接输气机构60；塑性成形机构70包括压块71、及连接压块71的控制件72。本增等材复合成形设备100通过将激光管33连接安装座32，将送粉管34及输气管35内置打印头31，实现光内同轴光粉耦合，提高材料利用率；通过塑性成形机构70对每一成形层进行塑性加工，提高零件致密度。

如图1至图4所示，在本实施例中，工作台10连接固定机构20，固定机构20包括底座21、连接底座21的支撑架22、及围设底座21的护板23；可选地，为了便于收集废弃物，固定机构20还包括收集件24，收集件24连接底座21；底座21设有通槽用于连通收集件24。请一并参阅图5，打印头31包括连接安装座32的支撑件311、及连接支撑件311的喷头312；支撑件311内侧设置环形反射镜36，该支撑件311的中部设置一凸镜37；安装座32的一端内置倾斜反射镜38。可选地，凸镜37为圆锥形、倾斜反射镜38为内凹镜。工作时，如图6所示，激光束从激光机构40经激光管33发射至安装座32内，再经倾斜反射镜38反射至打印头31的凸镜37；接着，反射至环形反射镜36，最后汇集于喷头312的一端。可选地，喷头312为漏斗形。在其他实施例中，激光可以是环形激光、多边线性激光、或可旋转的多边线性激光。

为了实现光内同轴送粉，打印机构30包括集中管39，集中管39从凸镜37的下方延伸至喷头312，使集中管39居于激光内中心位置；送粉管34的一端连接集中管39，输气管35的一端连接集中管39，从而使金属粉末垂直下落，减少粉末飞溅，使激光轴与粉束中心同轴；送粉管34的另一端连接支撑件311的一侧，输气管35的另一端连接支撑件311的一侧。可选地，在输气管35的上方设置进水管，在送粉管34的上方设置出水管，以便打印头31的排热。由于打印头31的粉斑没有焦点，不管激光束和集中管39相距多远，粉末的输送总是通过激光聚焦点，在加工过程中，焦点出现小的变化，不会影响粉末与激光聚焦的变化。粉末进入激光内部的路径是竖直向下，没有出现斜抛现象，但是考虑到粉末可能在下落过程中会出现轻微发散，因此将气体及粉末一同通入集中管39，通过对粉管直径的调节，可以完全达到粉末居于激光熔池内部。工作时，请再次参阅图6，金属粉末从送粉机构50经送粉管34进入集中管39，同时，气体从输气机构60经输气管35进入集中管39，最后，金属粉末在气体及重力作用下流出集中管39，再在激光扫描作用下，迅速完成熔化和凝固，发生光粉耦合，实现3D打印；气体通过输气管35输送至激光加工区域，形成对加工区域的气体保护环境。可选地，金属粉末为铁粉，气体为氮气。为了方便调整打印头31的高度，打印机构30还包括连接安装座32的移动件、及用于驱动移动件升降的驱动件(图未示)；移动件滑设于固定机构10的支撑架22。

在一具体实施例中，激光机构40为激光器，送粉机构50为内置金属粉末的送粉器，输气机构60为装有惰性气体的气罐；激光机构40、送粉机构50、及输气机构60分别设置于底座21的两端。进一步地，控制件72为机械手，控制件72设置于底座21的一侧；工作时，控制件72控制压块71对经打印机构30打印的成形层进行高频锤击或锻造塑性加工，提高成形层的致密度。在其他实施例中，控制件72连接固定机构10。为了及时排热，延长设备的使用寿命，本增等材复合成形设备100包括冷却机构80；冷却机构80经激光机构40连接打印头31。工作时，冷却水从冷却机构80流经打印头31的进水管，再经打印头31的出水管流经激光机构40，最后回流至冷却机构80，从而将打印头31及激光机构40的热量带出。为了实时监控及反馈激光熔池的状况，本增等材复合成形设备100包括光学传感器(图未示)；光学传感器连接移动件的一侧以便与打印头31同步升降，实现激光工艺的在线实时优化。

为了调整工作台10的位置，便于三维激光加工和塑性加工，本增等材复合成形设备100包括X轴调整机构91、Y轴调整机构92、及Z轴调整机构93；X轴调整机构91包括连接工作台10的滑块911、及用于驱动工作台10移动的X轴动力件912；Y轴调整机构92包括连接滑块912的导轨921、及用于驱动滑块911移动的Y轴动力件922；Z轴调整机构93包括升降块931、及用于驱动升降块931移动的Z轴动力件。可选地，导轨921设置于底座21，升降块931滑设于支撑架22，移动件滑设于升降块931。为了便于清洗工作台10，在升降块931下方设置吹气机构。

请参阅图1至图6，为本发明一实施例提供的一种增等材复合成形设备100的成形方法，在上述实施例的基础上，包括如下步骤：

S1，调整位置：通过X轴调整机构91及Y轴调整机构92调整工作台10的水平位置，通过Z轴调整机构93及移动件将打印头31移动到工作台10的正上方；再调整光学传感器的角度，使光学传感器对准打印头31下方5cm-10cm处的熔池区域；再通过控制件72将压块71调整为与打印头31保持在同一高度，确保二者无干涉；

S2，激光加工：启动激光机构40、送粉机构50、输气机构60、及冷却机构80，打印头31在工作台10上扫描加工，通过X轴调整机构91及Y轴调整机构92按照预定轨迹移动而调整工作台10的水平位置，得到成形层；同时，启动光学传感器对熔池进行扫描，以作出下一层扫描参数的调整；扫描完成该层后，打印头31暂停扫描并复位，关闭激光机构40、送粉机构50、输气机构60、及冷却机构80；

S3，塑性加工：启动塑性成形机构70，控制件72控制压块71将经步骤S2得到的成形层表面进行塑性加工(压实、敦实、抛光等)，加工完成后的压块71回复至原位；可选地，通过X轴调整机构91及Y轴调整机构92调整工作台10上成形层的水平位置，配合塑性成形机构70的加工；但需注意的是，本次塑性加工完成后，工作台10必须复位至步骤S2激光加工后的位置；

S4，调整高度；移动件驱动打印头31上移一个成形层的高度，及控制件72驱动压块71上移一个成形层的高度；

S5，重复操作：对经步骤S3塑性加工后的成形层上继续逐层反复重复步骤S2、步骤S3及步骤S4，直至整个零件加工完成。

本发明的增等材复合成形设备100通过将激光管33连接安装座32，将送粉管34及输气管35内置打印头31，实现光内同轴光粉耦合，提高材料利用率；通过塑性成形机构70对每一成形层进行塑性加工，提高零件致密度；本增等材复合成形设备100显著提高工作效率、改善产品质量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种增等材复合成形设备，其特征在于，包括工作台、连接工作台的固定机构、连接固定机构的打印机构、塑性成形机构、激光机构、送粉机构、及输气机构；所述打印机构包括打印头、连接打印头的安装座、连接安装座的激光管、连接打印头的送粉管、及连接打印头的输气管、集中管；所述安装座设置于固定机构；所述激光管的一端连接激光机构，所述送粉管的一端连接送粉机构，另一端连接集中管，所述输气管的一端连接输气机构，另一端连接集中管，在加工过程中，送粉管输送的粉末与输气管输送的气体同时通入集中管；所述塑性成形机构包括压块、及连接压块的控制件。

2.根据权利要求1所述的增等材复合成形设备，其特征在于，所述安装座的一端内置倾斜反射镜；所述打印头包括连接安装座的支撑件、及连接支撑件的喷头；所述支撑件内侧设置环形反射镜，该支撑件的中部设置一凸镜。

3.根据权利要求2所述的增等材复合成形设备，其特征在于，所述集中管从凸镜的下方延伸至喷头。

4.根据权利要求1所述的增等材复合成形设备，其特征在于，所述打印机构还包括连接安装座的移动件、及用于驱动移动件升降的驱动件；所述移动件滑设于固定机构。

5.根据权利要求4所述的增等材复合成形设备，其特征在于，包括光学传感器；所述光学传感器连接移动件。

6.根据权利要求1所述的增等材复合成形设备，其特征在于，包括X轴调整机构、Y轴调整机构、及Z轴调整机构；所述X轴调整机构包括连接所述工作台的滑块、及用于驱动工作台移动的X轴动力件；所述Y轴调整机构包括连接所述滑块的导轨、及用于驱动滑块移动的Y轴动力件；所述Z轴调整机构包括升降块、及用于驱动升降块移动的Z轴动力件。

7.根据权利要求6所述的增等材复合成形设备，其特征在于，所述固定机构包括底座、连接底座的支撑架、及围设底座的护板；所述导轨设置于底座，所述升降块滑设于支撑架。

8.根据权利要求1所述的增等材复合成形设备，其特征在于，包括冷却机构；所述冷却机构经激光机构连接打印头。

9.一种增等材复合成形设备的成形方法，其特征在于，基于权利要求1所述的增等材复合成形设备，包括如下步骤：

S1，调整位置：将所述打印头移动到工作台的正上方，再将所述压块调整为与打印头保持在同一高度，确保二者无干涉；

S2，激光加工：启动所述激光机构、送粉机构、及输气机构，所述打印头在工作台上扫描加工，得到成形层后，所述打印头暂停扫描并复位，再关闭所述激光机构、送粉机构、及输气机构；

S3，塑性加工：启动所述塑性成形机构，所述压块将经步骤S2得到的成形层进行塑性加工，加工完成后的压块回复至原位；

S4，调整高度；所述打印头上移一个成形层的高度，及所述压块上移一个成形层的高度；

S5，重复操作：对经步骤S3塑性加工后的成形层上继续逐层反复重复步骤S2、步骤S3及步骤S4，直至加工完成。

10.一种增等材复合成形设备的成形方法，其特征在于，基于权利要求5所述的增等材复合成形设备，包括如下步骤：

S1，调整位置：将所述打印头移动到工作台的正上方，再调整所述光学传感器的角度，使所述光学传感器对准打印头下方的熔池区域；再将所述压块调整为与打印头保持在同一高度，确保二者无干涉；

S2，激光加工：启动所述激光机构、送粉机构、及输气机构，所述打印头在工作台上扫描加工，得到成形层；同时，启动所述光学传感器对熔池进行扫描，以作出下一层扫描参数的调整；扫描完成该层后，所述打印头暂停扫描并复位，再关闭所述激光机构、送粉机构、及输气机构；

S3，塑性加工：启动所述塑性成形机构，所述控制件控制压块将经步骤S2得到的成形层表面进行塑性加工，加工完成后的压块回复至原位；

S4，调整高度；所述打印头上移一个成形层的高度，及所述压块上移一个成形层的高度；

S5，重复操作：对经步骤S3塑性加工后的成形层上继续逐层反复重复步骤S2、步骤S3及步骤S4，直至加工完成。

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