CN109848715A - 一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增减材一体化设备，具体涉及一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备。本发明的一体化装备，包括3D打印机和精密机床，所述精密机床上安装有刀具和抛光头，所述一体化装备可以采用所述3D打印机进行3D打印、采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削、采用抛光头对所打印的产品进行抛光，所述3D打印机中设有超快脉冲激光器对形成的打印层之间的界面进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层。本发明的一体化装备，通过一个设备即可实现3D打印及对打印后产品的机加工及抛光，实现一机三用，且在同一坐标系中实现3D打印、精密加工和超精细抛光，通过一次装夹即可，可以避免坐标系变换带来的误差。

Description

一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备

技术领域

本发明涉及增减材一体化设备，具体涉及一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备。

背景技术

3D打印、精密机床加工、抛光均为目前机械加工作业中比较常见的加工方式，在日常对工件的加工过程中，时常会需要一种或几种不同的加工装置协同作业，加工工序繁琐，耗时较长，同时不同加工装置的重复装夹也加大了零件的误差，成本昂贵、操作繁琐，同时也造成了极大的资源浪费。

其中，3D打印是先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体，这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

另外，3D打印技术一般采用大功率连续激光器使打印材料熔融和固化，使晶粒细小、成分均匀、组织致密，所以3D打印制品的综合力学性能优良，同时材料利用率高、制造速度快，可方便地实现难加工材料，如钛基合金、镍基合金以及其它难熔金属与合金迅速加工成型。但这种大功率连续激光器属于热加工，它通过扫描，逐点、逐线、层层打印而使材料熔融并凝固时，由于热传导的热效应所产生的热应力，使打印的点间、线间与层间的界限与界面上必然产生缺陷甚至导致部分开裂，这是目前3D打印金属制品时普遍存在的缺点，因此3D打印的金属制品无法在高温高压下使用。开发一种新的增减材一体化设备将具有非常好的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，包括3D打印机和精密机床，所述精密机床上安装有刀具和抛光头，所述一体化装备可以采用所述3D打印机进行3D打印、采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削、采用抛光头对所打印的产品进行抛光，所述3D打印机中设有超快脉冲激光器对形成的打印层之间的界面进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层。

所述超快脉冲激光器能够跟踪3D打印中本身存在的大功率连续激光器，对刚打印的点间、线间、层间的界面进行辐照冷加工，在界面处形成连续渐变过渡层，使得点间、线间、层间的原子迅速扩散和重新熔融凝固，来不及发生热传导，使得原来热加工产生的缺陷消失，点间、线间、层间的界面消失，不存在宏观热学和力学的突变，进而在高温和高压条件下不会有层间、线间、点间的开裂，提高3D打印产品的质量，能够用来制造航空发动机用的更耐高温高压的部件，包括涡轮叶片。

进一步地，所述精密机床为三轴、四轴或五轴联动的数控精密机床。所述精密机床可以跟踪3D打印机，边打印边对打印部分进行精密加工，实现3D打印后的机械加工功能。

进一步地，所述抛光头上设有抛光垫用以吸收抛光液。所述抛光垫为多孔抛光垫。所述抛光垫能够吸收大量抛光液，而且具有极小的热膨胀系数并极其耐磨。所述抛光液为溶于水的环保碱性螯合物溶液，能够更快、更有效地对大型异形金属制品进行超精细抛光，包括航空发动机部件，使它们在高度运动中减少摩擦阻力，延长部件使用寿命并能够节省燃料。

进一步地，所述一体化装备可以边采用3D打印机打印边采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削或者采用3D打印机打印之后采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削。

进一步地，切削之后将所述刀具切换为抛光头，对切削之后的产品进行抛光。

进一步地，所述一体化装备采用3D打印机打印之后采用精密机床的抛光头对所打印的产品进行抛光。

进一步地，所述抛光为化学机械抛光。

进一步地，所述超快脉冲激光器为飞秒激光器、皮秒激光器中的任意一种。

进一步地，所述一体化装备还包括废物清除装置。所述废物清除装置可以清除打印剩余的粉末以及机加工产生的废料。

进一步地，所述超快脉冲激光器的频率为1～10,000/sec，单脉冲的脉宽为10^{- 15}sec～10^-9sec，单脉冲的能量密度为0.01mJ/mm²～10mJ/mm²。

进一步地，所述一体化装备还包括充有氮气或惰性气体的循环装置。所述循环装置可以释放出氮气或惰性气体防止打印过程中产品被氧化。

本发明的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，包括3D打印机和精密机床，精密机床上安装有刀具和抛光头，刀具和抛光头之间可以自动切换。本发明的一体化装备，通过一个设备即可实现3D打印及对打印后产品的机加工及抛光，实现一机三用，本发明的一体化装备在同一坐标系中实现3D打印、精密机加工和超精细抛光，通过一次装夹即可，可以避免坐标系变换带来的误差。

本发明增减材精密加工与超精密抛光一体化装备中的3D打印机中设有超快脉冲激光器，能够跟踪3D打印中本身存在的大功率连续激光器，对刚打印的点间、线间、层间的界面进行辐照冷加工，在界面处形成连续渐变过渡层，使得点间、线间、层间的原子迅速扩散和重新熔融凝固，来不及发生热传导，使得原来热加工产生的缺陷消失，点间、线间、层间的界面消失，不存在宏观热学和力学的突变，进而在高温和高压条件下不会有层间、线间、点间的开裂，提高3D打印产品的质量，能够用来制造航空发动机用的更耐高温高压的部件，包括涡轮叶片。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为具体实施方式中一体化装备的结构示意简图；

图2为应用实例中采用3D打印形成的镍合金层和铝硅层结构示意图；

图3为应用实例中采用飞秒激光器辐照镍合金层和铝硅层界面后形成过渡层的结构示意图。

图中：

3D打印机1，打印喷嘴11，大功率连续激光器12，超快脉冲激光器13，精密机床2，工作平台21，刀具22，抛光头23；铝硅层10；连续渐变过渡层20，镍合金层30。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本实施方式的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，如图1所示，包括3D打印机1、精密机床2，精密机床2包括工作平台21，,精密机床2上安装有刀具22和抛光头23，可以实现3D打印、精密机床加工及抛光于一体。所述3D打印机1中设有打印喷嘴11、一般的大功率连续激光器12、超快脉冲激光器13，所述超快脉冲激光器13可以跟踪一般的大功率连续激光器12对3D打印产生的打印界面进行辐照以在所述打印界面形成连续渐变的过渡层；所述超快脉冲激光器13的频率为1～10,000/sec，单脉冲的脉宽为10^-15sec～10^-9sec，单脉冲的能量密度为0.01mJ/mm²～10mJ/mm²。

本实施方式中的精密机床2为三轴、四轴或五轴联动的数控精密机床。

本实施方式中的抛光头23为精密抛光头。所述精密抛光头上设有多孔抛光垫，多孔抛光垫可以吸收大量的抛光液，而且具有极小的热膨胀系数并极其耐磨。所述抛光液为溶于水的环保碱性螯合物溶液，能够更快、更有效地对大型异形金属制品进行超精细抛光，包括航空发动机部件，使它们在高度运动中减少摩擦阻力，延长部件使用寿命并能够节省燃料。

本实施方式的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，在使用时，先采用3D打印机1进行3D打印，得到具有多层打印层的打印产品，之后利用超快脉冲激光器13对打印层之间的界面进行辐照，在所述界面处形成连续渐变的过渡层，使得打印层之间的界面消失，不存在宏观热学和力学的突变，进而在高温和高压条件下不会有层间、线间、点间的开裂，提高3D打印产品的质量；之后利用精密机床2上的刀具22对所打印的产品进行切削，然后将精密机床2上的刀具22切换为抛光头23对切削后的打印产品进行化学机械抛光。

本实施方式中的精密机床2上的刀具22和抛光头23之间可以自动切换。

本实施方式中的超快脉冲激光器13为飞秒激光器。

在本发明的其他实施方式中，超快脉冲激光器13还可以为皮秒激光器。

在本发明的其他实施方式中，增减材精密加工与超精密抛光一体化装备中还包括废物清除装置，所述废物清除装置可以清除打印剩余的粉末以及机加工产生的废料等。

在本发明的其他实施方式中，增减材精密加工与超精密抛光一体化装备还包括充有氮气的循环装置。所述循环装置可以释放出氮气防止打印过程中产品被氧化。

本实施方式中的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，通过一个设备即可实现3D打印及对打印后产品的机加工及抛光，实现一机三用，本发明的一体化设备在在同一坐标系中实现3D打印、精密机加工和超精细抛光，通过一次装夹即可，可以避免坐标系变换带来的误差。

本实施方式中的一体化设备中的3D打印机1中设有超快脉冲激光器13，能够跟踪3D打印中本身存在的大功率连续激光器12，对刚打印的点间、线间、层间的界面进行辐照冷加工，在界面处形成连续渐变过渡层，使得点间、线间、层间的原子迅速扩散和重新熔融凝固，来不及发生热传导，使得原来热加工产生的缺陷消失，点间、线间、层间的界面消失，不存在宏观热学和力学的突变，进而在高温和高压条件下不会有层间、线间、点间的开裂，提高3D打印产品的质量，能够用来制造航空发动机用的更耐高温高压的部件，包括涡轮叶片。

下面给出一个采用本发明增减材精密加工与超精密抛光一体化装备进行3D打印、精密加工、超精密抛光的应用实例：

采用本发明一体化装备进行作业，包括以下步骤：1)将镍合金打印粉末输送至打印喷嘴，喷出形成基底镍合金层30；2)将铝硅打印粉末输送至打印喷嘴，喷出在镍合金层上形成铝硅层10，如图2所示；3)对镍合金层与铝硅层之间的界面采用飞秒激光器进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层20，如图3所示；所述辐照时间为1sec，辐照面积为1×10^{- 4}mm²，频率为1,000/sec，波长为1064nm，所述飞秒脉冲能量束中单脉冲的脉宽为1.5×10^{- 13}sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm²，飞秒强脉冲能量束总能量密度为1J/mm²；4)采用精密机床上的刀具对铝硅层进行切削，然后将精密机床上的刀具切换为抛光头，对切削后的铝硅层进行化学机械抛光。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，包括3D打印机和精密机床，所述精密机床上安装有刀具和抛光头，所述一体化装备可以采用所述3D打印机进行3D打印、采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削、采用抛光头对所打印的产品进行抛光，所述3D打印机中设有超快脉冲激光器对形成的打印层之间的界面进行辐照在所述界面处形成连续渐变过渡层。

2.根据权利要求1所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述精密机床为三轴、四轴或五轴联动的数控精密机床。

3.根据权利要求1所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述抛光头上设有抛光垫用以吸收抛光液。

4.根据权利要求1所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述一体化装备可以边采用3D打印机打印边采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削或者采用3D打印机打印之后采用精密机床的刀具对所打印的产品进行切削。

5.根据权利要求4所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，切削之后将所述刀具切换为抛光头，对切削之后的产品进行抛光。

6.根据权利要求1所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述一体化装备采用3D打印机打印之后采用精密机床的抛光头对所打印的产品进行抛光。

7.根据权利要求5或6所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述抛光为化学机械抛光。

8.根据权利要求1所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述超快脉冲激光器为飞秒激光器、皮秒激光器中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的增减材精密加工与超精密抛光一体化装备，其特征在于，所述超快脉冲激光器的频率为1～10,000/sec，单脉冲的脉宽为10^-15sec～10^-9sec，单脉冲的能量密度为0.01mJ/mm²～10mJ/mm²。