CN109590678A - 3d打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法及设备 - Google Patents

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    • B23P23/04—Machines or arrangements of machines for performing specified combinations of different metal-working operations not covered by a single other subclass for both machining and other metal-working operations

Abstract

本发明公开了一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法及设备。该制作方法包括：调节环境模拟储箱内的增材制造环境至设定参数条件；控制3D打印焊枪熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器的设定位置处；待熔融金属冷却至粗加工温度时，调节微锻头的频率和振幅，通过微锻头的振动对设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属；控制修磨铣刀对粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属；逐层积累，完成3D打印过程，得到待加工产品。本发明采用“熔锻一体化”工艺生产压力容器内衬或薄壁压力容器，降低了焊接等加工对产品质量的影响，提高了成型产品的精度和组织性能。

Description

3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法及设备
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法及设备。
背景技术
复合材料压力容器(Composite Overwrapped Pressure Vessel)相对于全金属压力容器，具有质量轻、刚度好、容器特性系数高、可靠性高、抗疲劳性能好、负载工作寿命长、爆破前先泄漏的安全失效模式(Leak-before-break)、可设计性强、生产费用低、研制周期短等诸多特点，使其在航天领域得到越来越广泛的应用。
复合材料压力容器作为空间用压力容器，可以有效的降低结构体的重量，并且具有较高的输出压力以及较高的安全可靠性，可以有效的提高火箭的运载能力。
国内复合材料压力容器的发展相对于国外起步较晚，特别是在运载火箭以及导弹武器系统上。国内开展运载火箭用复合材料压力容器的研究较少，目前在型号上的应用有限，主要是由于目前国内复合材料压力容器的复合材料体系较单一，纤维主要依靠进口，主要采用日本东丽T700碳纤维缠绕成型，树脂与纤维体系的界面配合较差(层间剪切强度60MPa左右)，导致目前国内制备的复合材料压力容器，在同样的条件下，相比于国外同类产品质量增加了20％～33％。
目前，复合材料压力容器内衬主要通过多次旋压、焊接等方式来制作。不仅制作工艺复杂，而且成型产品的精度和组织性能无法保证。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明实施例提供了一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法及设备，采用“熔锻一体化”工艺生产压力容器内衬或薄壁压力容器，降低了焊接等加工对产品质量的影响，提高了成型产品的精度和组织性能。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，包括：
调节环境模拟储箱内的增材制造环境至设定参数条件；其中，所述设定参数条件，包括：设定温度条件、设定压力条件和设定气体填充条件；
控制3D打印焊枪熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器的设定位置处；
待熔融金属冷却至粗加工温度时，调节微锻头的频率和振幅，通过微锻头的振动对所述设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属；
控制修磨铣刀对所述粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将所述粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属；
重复上述步骤，逐层积累，完成3D打印过程，得到待加工产品。
优选的，还包括：根据熔融金属的锻造温度区域幅值、锻造需要时间和材料冷却速度，确定所述设定温度条件，以保证锻造开始和结尾为锻造温度的上限和下限。
优选的，还包括：根据打印材料和打印速度，确定所述设定压力条件，以减少熔融金属氧化。
优选的，还包括：从惰性气体中选择一种或多种作为所述设定气体填充条件。
优选的，还包括：对被焊容器的形状和位置进行扫描，得到扫描结果；根据扫描结果，自动生成3D打印起始点，将所述3D打印起始点确定为所述设定位置。
优选的，所述设定精度，包括：0.03mm。
优选的，还包括：对环境模拟储箱内的增材制造环境进行实时监测，得到监测结果；根据监测结果，判断所述环境模拟储箱内的增材制造环境的实时参数条件是否满足所述设定参数条件；若环境模拟储箱内的增材制造环境的实时参数条件不满足所述设定参数条件，则进行反向调节，直至环境模拟储箱内的增材制造环境的实时参数条件满足所述设定参数条件。
优选的，所述待加工产品，包括：压力容器内衬和薄壁压力容器。
本发明还公开了一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作设备，包括：环境模拟储箱、被焊容器、3D打印焊枪、微锻头和修磨铣刀；
被焊容器、3D打印焊枪、微锻头和修磨铣刀置于环境模拟储箱内；其中，环境模拟储箱，用于提供增材制造环境；
3D打印焊枪与机械臂连接，在机械臂的控制下以被焊容器的形状作为运动轨迹进行移动；其中，3D打印焊枪，用于熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器的设定位置处；
微锻头的两个锻头分别设置在被焊容器，以被焊容器的形状作为运动轨迹进行移动；其中，微锻头，用于对所述设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属；
修磨铣刀设置在微锻头后方，以被焊容器的形状作为运动轨迹进行移动；其中，修磨铣刀，用于对所述粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将所述粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属。
优选的，3D打印焊枪3主体构件为的钨极。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，将被焊容器、3D打印焊枪、可调频率和振幅微锻头、修磨铣刀都放置于环境模拟储箱内。3D打印焊枪通过电弧熔化金属丝材，然后将其涂覆于被焊容器特定位置，随着3D打印焊枪向前移动，其后的熔融金属慢慢降温，涂覆熔融金属温度降低到锻造温度后，紧随其后的可调频率和振幅的微锻头从左侧、右侧和上测振动挤压涂覆后的金属，以对其进行锻造。锻造后，涂覆熔融金属温度进一步降低，熔融金属形状基本确定，紧随其后的修磨铣刀对新涂覆的熔融金属材料进行修磨，即可保证3D打印金属形状，又可为下一层打印奠定形状和位置基础。此工艺不断循环，以达到3D打印的效果。可见，本发明采用“熔锻一体化”工艺将熔融制造和锻造制造两次温升、温降合为一次温升温降，不仅节省了时间，而且减少了制作成本。此外，还能同时控制零件的形状尺寸和组织性能，保证了3D打印的尺寸精度和材料力学性能，避免了焊接等加工对产品质量的影响。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法的步骤流程图；
图2是是本发明实施例所述的又一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法的步骤流程图；
图3是是本发明实施例所述的另一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法的步骤流程图；
图4是是本发明实施例所述的另一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
现有的常规3D打印存在致命缺陷：一是没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足，二是制件性能不高，三是存在气孔和未融合部分。所以形成了中看不中用，应用困难的局面。本发明采用3D打印工艺制造压力容器内衬或薄壁压力容器。打印过程中，打印出的熔融金属随着时间推移，逐步固化冷却。在熔融金属冷却到1200℃～700℃后，采用振动挤压等工艺对其局部进行锻造工艺，即为“熔锻一体化”工艺，避免了焊接等加工对产品质量的影响。
实施例一
如图1，是本发明实施例所述的一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法的步骤流程图，该3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，包括：
步骤S101，调节环境模拟储箱内的增材制造环境至设定参数条件。
在本实施例中，所述设定参数条件包括但不仅限于：设定温度条件、设定压力条件和设定气体填充条件。
优选的，可以根据熔融金属的锻造温度区域幅值、锻造需要时间和材料冷却速度，确定所述设定温度条件，以保证锻造开始和结尾为锻造温度的上限和下限。
优选的，可以根据打印材料和打印速度，确定所述设定压力条件，以减少熔融金属氧化。
优选的，可以从惰性气体中选择一种或多种作为所述设定气体填充条件。
在本实施例中，环境模拟储箱为3D打印提供特定温度、压力和填充气体的增材制造环境，以保证3D打印过程中不会产生氧化反应和温度骤变等不利因素。其中，设定温度条件、设定压力条件和设定气体填充条件的具体参数值可以根据实际生产需求确定，本实施例在此不作限制。
步骤S102，控制3D打印焊枪熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器的设定位置处。
在本实施例中，增材制造环境具备后，3D打印焊枪熔融金属焊丝，并涂覆于被焊容器特定位置一层熔融金属材料。
步骤S103，待熔融金属冷却至粗加工温度时，调节微锻头的频率和振幅，通过微锻头的振动对所述设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属。
在本实施例中，随着时间的推移，熔融金属逐步冷却，当冷却到一定温度时(如，1200℃～700℃)，可调频率和振幅的微锻头对冷却到锻造温度范围内的涂覆于被焊容器特定位置一层熔融金属材料进行振动挤压和锻造，简称微锻造，这可大大提高3D打印金属材料的力学性能。其中，微锻头的频率和振幅可根据实际生产需求确定，本实施例在此不作限制。
步骤S104，控制修磨铣刀对所述粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将所述粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属。
在本实施例中，在经过步骤S103锻造完成后，修磨铣刀将新增材金属修磨到需要的外形和尺寸精度，既保证了3D打印精度，又可为下一层增材制造提供必要的条件，如此，即完成了一层增材制造过程。优选的，该设定精度包括但不仅限于：0.03mm。
步骤S105，重复上述步骤S101～S104，逐层积累，完成3D打印过程，得到待加工产品。
在本实施例中，以上过程循环重复，逐层积累，最终打印出待加工产品。优选的，待加工产品包括但不仅限于：压力容器内衬和薄壁压力容器等任何薄壁类金属制品。打印完成的压力容器内衬或薄壁压力容器再经过后处理工艺，即可完成3D打印全过程。
实施例二
如图2，是本发明实施例所述的又一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法的步骤流程图，该3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，还可以包括：
步骤S201，对被焊容器的形状和位置进行扫描，得到扫描结果。
步骤S202，根据扫描结果，自动生成3D打印起始点，将所述3D打印起始点确定为所述设定位置。
实施例三
如图3，是本发明实施例所述的另一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法的步骤流程图，该3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，还可以包括：
步骤S301，对环境模拟储箱内的增材制造环境进行实时监测，得到监测结果。
步骤S302，根据监测结果，判断所述环境模拟储箱内的增材制造环境的实时参数条件是否满足所述设定参数条件。
在本实施例中，若环境模拟储箱内的增材制造环境的实时参数条件不满足所述设定参数条件，则进行反向调节(如，反向升温、反向降温、反向充气或反向放气等反向操作)，直至环境模拟储箱内的增材制造环境的实时参数条件满足所述设定参数条件。
实施例四
如图4，是本发明实施例所述的另一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作设备的结构示意图，该3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作设备，包括：环境模拟储箱1、被焊容器2、3D打印焊枪3、微锻头4和修磨铣刀5。具体的：
被焊容器2、3D打印焊枪3、微锻头4和修磨铣刀5置于环境模拟储箱1内；其中，环境模拟储箱1，用于提供增材制造环境。
3D打印焊枪3与机械臂连接，在机械臂的控制下以被焊容器2的形状作为运动轨迹进行移动；其中，3D打印焊枪3，用于熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器2的设定位置处。
微锻头4的两个锻头分别设置在被焊容器2，以被焊容器2的形状作为运动轨迹进行移动；其中，微锻头4，用于对所述设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属。
修磨铣刀5设置在微锻头4后方，以被焊容器2的形状作为运动轨迹进行移动；其中，修磨铣刀5，用于对所述粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将所述粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属。
优选的，被焊容器2为一个可方便开合的密闭容器；3D打印焊枪3主体构件为的钨极；微锻头4的主体结构为可更换弧度的微锻头；修磨铣刀5为根据打印容器弧度可更换的特种铣刀。
综上所述，本发明将被焊容器、3D打印焊枪、可调频率和振幅微锻头、修磨铣刀都放置于环境模拟储箱内；3D打印焊枪通过电弧熔化金属丝材，然后将其涂覆于被焊容器特定位置，随着3D打印焊枪向前移动，其后的熔融金属慢慢降温，涂覆熔融金属温度降低到锻造温度后，紧随其后的可调频率和振幅的微锻头从左侧、右侧和上测振动挤压涂覆后的金属，以对其进行锻造。锻造后，涂覆熔融金属温度进一步降低，熔融金属形状基本确定，紧随其后的修磨铣刀对新涂覆的熔融金属材料进行修磨，即可保证3D打印金属形状，又可为下一层打印奠定形状和位置基础。此工艺不断循环，以达到3D打印的效果。
本发明采用“熔锻一体化”工艺将熔融制造和锻造制造两次温升、温降合为一次温升温降，不仅节省了时间，而且减少了制作成本。此外，还能同时控制零件的形状尺寸和组织性能，保证了3D打印的尺寸精度和材料力学性能，避免了焊接等加工对产品质量的影响。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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。

Claims (10)

1.一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，其特征在于，包括：
调节环境模拟储箱(1)内的增材制造环境至设定参数条件；其中，所述设定参数条件包括：设定温度条件、设定压力条件和设定气体填充条件；
控制3D打印焊枪(3)熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器(2)的设定位置处；
待熔融金属冷却至粗加工温度时，调节微锻头(4)的频率和振幅，通过微锻头(4)的振动对所述设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属；
控制修磨铣刀(5)对所述粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将所述粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属；
重复上述步骤，逐层积累，完成3D打印过程，得到待加工产品。
2.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，其特征在于，还包括：
根据熔融金属的锻造温度区域幅值、锻造需要时间和材料冷却速度，确定所述设定温度条件，以保证锻造开始和结尾为锻造温度的上限和下限。
3.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，其特征在于，还包括：
根据打印材料和打印速度，确定所述设定压力条件，以减少熔融金属氧化。
4.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，其特征在于，还包括：
从惰性气体中选择一种或多种作为所述设定气体填充条件。
5.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，其特征在于，还包括：
对被焊容器(2)的形状和位置进行扫描，得到扫描结果；
根据扫描结果，自动生成3D打印起始点，将所述3D打印起始点确定为所述设定位置。
6.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作方法，其特征在于，所述设定精度，包括：0.03mm。
7.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬制作方法，其特征在于，还包括：
对环境模拟储箱(1)内的增材制造环境进行实时监测，得到监测结果；
根据监测结果，判断所述环境模拟储箱(1)内的增材制造环境的实时参数条件是否满足所述设定参数条件；
若环境模拟储箱(1)内的增材制造环境的实时参数条件不满足所述设定参数条件，则进行反向调节，直至环境模拟储箱(1)内的增材制造环境的实时参数条件满足所述设定参数条件。
8.如权利要求1所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬制作方法，其特征在于，所述待加工产品，包括：压力容器内衬和薄壁压力容器。
9.一种3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作设备，其特征在于，包括：环境模拟储箱(1)、被焊容器(2)、3D打印焊枪(3)、微锻头(4)和修磨铣刀(5)；
被焊容器(2)、3D打印焊枪(3)、微锻头(4)和修磨铣刀(5)置于环境模拟储箱(1)内；其中，环境模拟储箱(1)，用于提供增材制造环境；
3D打印焊枪(3)与机械臂连接，在机械臂的控制下以被焊容器(2)的形状作为运动轨迹进行移动；其中，3D打印焊枪(3)，用于熔融金属焊丝，使熔融金属涂覆于被焊容器(2)的设定位置处；
微锻头(4)的两个锻头分别设置在被焊容器(2)，以被焊容器(2)的形状作为运动轨迹进行移动；其中，微锻头(4)，用于对所述设定位置处的熔融金属进行挤压和锻造，得到粗加工增材金属；
修磨铣刀(5)设置在微锻头(4)后方，以被焊容器(2)的形状作为运动轨迹进行移动；其中，修磨铣刀(5)，用于对所述粗加工增材金属进行外形和尺寸的修磨，直至将所述粗加工增材金属修磨至设定精度，得到精加工增材金属。
10.如权利要求9所述的3D打印复合材料空间压力容器金属内衬的制作设备，其特征在于，3D打印焊枪(3)主体构件为的钨极。
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