CN110405211A - 激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，包括送粉式金属3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人、重载机器人及工作台。送粉式金属3D打印系统进行送粉式金属3D打印；砂型3D打印系统用于进行砂型3D打印；两个打印系统的打印喷头以及送粉式激光加工头均安装到呈V型的加工头连接板上，可进行切换以交替进行3D打印；重载机器人的输出轴法兰上安装有压盘，用来压实刚打印出的砂型粉末；复合打印柔性装备还包括控制系统，控制送粉式金属3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人和重载机器人的工作，使得砂型支撑打印与金属零件打印交替进行，其中每层砂型支撑打印后均通过重载机器人的压盘进行压实操作。

Description

激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备

技术领域

本发明涉及金属3D打印技术领域，具体而言涉及该领域中的送粉金属3D 打印设备，尤其是激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备。

背景技术

大型金属材料复杂结构件增材制造(3D打印)技术源于快速原型(RapidPrototyping,RP)技术，近十年来在国内得到了广泛的重视和发展。该技术的 核心工艺是在数控设备的辅助下，将金属材料以球状粉末或丝材的形式通过高 能束流(包括激光、等离子束或电子束等)进行逐层的熔融沉积形成大型结构 件。与传统的“去除”式的切削加工方式不同，该技术以“生长”式的理念进 行逐层沉积，极大地提升了原材料的利用率；同时由于避免了大量模具的设计 和加工过程，极大地缩短了构件的制备周期。作为金属材料传统成形方法的有 益补充，3D打印技术解决了许多通过热变形制备技术无法攻克的难题，不断发 展和成熟，已经广泛应用到新产品设计、医疗器械、航空航天等领域，是传统 制造技术与新材料制造技术的完美结合，可称之为制造业领域的一次重大技术 革命。

然而，激光增材制造技术受到自身工艺流程和技术特点所限，并非普适于 所有的金属材料结构件，也具有其适用范围和局限性。以大倾斜角、局部镂空 等复杂结构为例，打印成型难度大，必须在零件底面以及镂空底面额外增加大 量物理支撑，以支撑、固定大倾斜角或悬空的熔融金属。普通的送粉金属3D打 印技术，物理支撑是由金属粉末打印而成，优点是减少打印工序、简化工作流 程、节省打印时间；缺点是金属粉末利用率低、浪费严重，打印完成后基板与 零件分离以及去支撑等后处理费时费力。

发明内容

本发明目的在于提出一种激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，以 解决普通送粉金属3D打印设备粉末利用率低、支撑难去除、后处理费时费力的 问题。

为达成上述目的，本发明提出一种激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性 装备，包括送粉式金属3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人、重载机 器人及工作台，其中：

所述工作台用于固定作为金属3D打印基底的基板；

所述送粉式金属3D打印系统包括送粉式激光加工头、光纤、激光器和送粉 器；送粉器被设置用于储存金属粉末，通过所述送粉器将金属粉末输送至送粉 式激光加工头的前端；激光器用于发射设定的高能量密度的激光束，通过所述 光纤传输至送粉式激光加工头，并经过送粉式激光加工头内部的光学模块准直、 聚焦后融化金属粉末，进行送粉式金属3D打印；

所述砂型3D打印系统包括打印喷头、运砂管道、挤出机构以及料仓，料仓 内储存有细砂粉与粘接剂混合而成的砂型粉末，挤出机构被设置成用以通过运 砂管道将砂型粉末输送至打印喷头，并在所述基板上进行砂型3D打印；

所述打印喷头以及送粉式激光加工头均安装到一呈V型结构的加工头连接 板上，加工头连接板固定在多轴机器人输出轴法兰上，使得通过所述多轴机器 人可控制送粉式激光加工头或者打印喷头进入基板上方的工作区域进行3D打印 作业；

所述重载机器人的输出轴法兰上安装有一压盘，用来压实刚打印出的砂型 粉末；

所述复合打印柔性装备还包括一控制系统，控制所述送粉式金属3D打印系 统、砂型3D打印系统、多轴机器人和重载机器人的工作，使得砂型3D打印系 统的打印喷头在基板上打印砂型支撑与送粉式金属3D打印系统的送粉式激光加 工头在基板上逐层打印金属零件和金属支撑的打印作业交替进行，其中每层砂 型支撑打印后均通过所述重载机器人上的压盘进行压实操作。

进一步地，所述多轴机器人安装在工作台的一侧的地面上，所述重载机器 人安装在工作台的相对的另一侧地面上。

进一步地，所述送粉式激光加工头与打印喷头的轴线形成一个夹角α，夹 角α的取值范围是15°～90°。

进一步地，所述送粉式激光加工头的工作点到多轴机器人的输出轴法兰的 距离L1与打印喷头工作点到多轴机器人输出轴法兰的距离L2满足：L1＝L2。

进一步地，所述控制系统控制在打印工作开始时的第一次打印为通过砂型 3D打印系统进行砂型支撑的第一层的打印。

本发明的第二方面还提出一种基于激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性 装备的增材制造打印方法，包括：

步骤1、控制砂型3D打印系统工作，使多轴机器人操作打印喷头在基板上 开始打印砂型支撑的第一层，层高H1，然后控制多轴机器人离开工作区域；

步骤2、控制重载机器人操作压盘将打印的砂型支撑压实，此时砂型支撑的 层高变为k*H1，k表示压实比，然后控制重载机器人离开工作区域；

步骤3、控制送粉式金属3D打印系统工作，多轴机器人旋转加工头连接板， 使用送粉式激光加工头在基板上打印出金属零件和金属支撑的第一层，保证层 高H2＝k*H1，k为压实比，然后控制多轴机器人离开工作区域；

步骤4、判断增材制造打印是否完成，如果未完成，则重复上述步骤1-3， 交替使用两个3D打印系统逐层打印零件，并在每层的砂型支撑打印后使用压盘 进行压实操作，其中金属零件和砂型支撑的每一层的高度按照上述第一层的设 定进行，直到完成打印作业。

进一步地，所述方法更加包含打印完成后的分离处理，包括以下步骤：

零件打印完成后，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,然后使用溶 解剂溶解砂型支撑、去除剩余金属支撑从而得到最终的金属零件。

与现有技术相比，本发明的工作原理在于：本发明同时具备送粉式金属3D 打印系统和砂型3D打印系统，事先规划好两个3D打印系统的运行轨迹，控制 操作两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零件结构由送粉式金属3D 打印系统进行打印，物理支撑结构由砂型3D打印系统进行打印；零件打印完成 后，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,然后使用溶解剂溶解砂型支 撑、去除剩余金属支撑从而得到最终的金属零件。本发明的打印系统可解决普 通送粉式金属3D设备在打印大倾斜角、局部镂空等复杂金属零件时金属粉末浪 费严重、打印完成后基板与零件分离以及去支撑等后处理费时费力的问题。

本发明使用多轴机器人作为运动执行机构，在同等成型尺寸的条件下，本 发明在成本、占地空间、生产和装配周期、零部件互换性上要优于机床结构。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只 要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部 分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方 面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有 益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践 中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相 同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个 组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的 实施例，其中：

图1是本发明示例性实施例的激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备 的示意图。

图2是本发明示例性实施例的双加工头的固定方式主视图。

图3是本发明示例性实施例的打印零件的俯视图。

图4是本发明示例性实施例的打印零件的剖视图。

图中，各个附图标记含义如下：

11-送粉式激光加工头；12-光纤；13-激光器；14-送粉器；

21-打印喷头；22-运砂管道；23-挤出机构；24-料仓；

31-多轴机器人；32-重型机器人；33-控制系统；34-加工头连接板；35-压盘；

4-工作台；

5-零件；51-金属零件；52-砂型支撑；53-金属支撑；54-基板；

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实 施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介 绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以 以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限 于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明 公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1-图4，为实现上述目的，本发明所提供的激光熔融沉积与砂型支撑 复合打印柔性装备包括送粉式金属3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器 人、重载机器人及工作台。工作台4用于固定作为金属3D打印基底的基板。

送粉式金属3D打印系统用于进行金属的3D打印。砂型3D打印系统用以进 行型砂的3D打印。

本发明的复合打印柔性装备还具有一控制系统，被设置用于控制送粉式金 属3D打印系统和砂型3D打印系统的作业，尤其是交替作业，使得在基板上打 印出金属支撑和砂型支撑的金属零件。

前述的多轴机器人和重载机器人均作为运动执行机构。多轴机器人用于驱 动送粉式金属3D打印系统和砂型3D打印系统的打印头工作，切换不同的打印 头到工作区域进行对应的3D打印。将在在下面更加具体说明的，通过重载机器 人上加装的压盘对打印好的砂型支撑进行压实。

结合图1，送粉式金属3D打印系统包括送粉式激光加工头11、光纤12、激 光器13和送粉器14。送粉器14储存金属粉末，通过送粉器可将金属粉末输送 至送粉式激光加工头11的前端；激光器13发射设定功率的高能量密度的激光 束，通过光纤12传输至送粉式激光加工头11，并经过送粉式激光加工头11的 内部的光学模块准直、聚焦后融化金属粉末，进行送粉式金属3D打印。

砂型3D打印系统包括打印喷头21、运砂管道22、挤出机构23以及料仓24， 料仓24内储存有细砂粉与粘接剂混合而成的砂型粉末，挤出机构23被设置成 用以通过运砂管道22将砂型粉末输送至打印喷头21，并在基板上进行砂型3D 打印。

结合图1、图2所示，打印喷头21以及送粉式激光加工头11均安装到一呈 V型结构的加工头连接板34上，加工头连接板34固定在多轴机器人31的输出 轴法兰上，使得通过多轴机器人31可控制送粉式激光加工头或者打印喷头进入 基板上方的工作区域进行3D打印作业。

如图1，重载机器人32的输出轴法兰上安装有一压盘35，用来压实刚打印 出的砂型粉末。

如前述的，复合打印柔性装备还包括一控制系统33，控制送粉式金属3D打 印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人31和重载机器人32的工作，使得砂型 3D打印系统的打印喷头21在基板上打印砂型支撑与送粉式金属3D打印系统的 送粉式激光加工头11在基板上逐层打印金属零件和金属支撑的打印作业交替进 行，其中每层砂型支撑打印后均通过重载机器人32上的压盘35进行压实操作。 其中，在打印工作开始时的第一次打印为通过砂型3D打印系统进行砂型支撑的 第一层的打印。

图1中，标记5表示打印的零件。

在图1所示的示例中，控制系统33被构造为一控制箱，其内部设置电源电 路、控制回路、通信线路等用于控制两个打印系统的总成，例如硬件和/或软件 的集成，用以实现对打印过程的控制。

结合图1，多轴机器人31安装在工作台4的一侧的地面上，重载机器人32 安装在工作台的相对的另一侧地面上。

优选地，送粉式激光加工头11与打印喷头21的轴线形成一个夹角α，夹 角α的取值范围是15°～90°。如此，在交替打印过程中，可有效避免打印复杂 模型时送粉式激光加工头或打印喷头与已打印零件产生干涉和碰撞。

优选地，结合图2所示，送粉式激光加工头工作点到多轴机器人31输出轴 法兰的距离L1与打印喷头21工作点到多轴机器人31输出轴法兰的距离L2相 等，即L1＝L2，从而在避免打印复杂模型时送粉式激光加工头或打印喷头与已打 印模型产生碰撞、干涉，同时简化多轴机器人31的运行轨迹、提高打印效率。

结合图1、3、4所示，基于前述的复合打印柔性装备同时具备送粉式金属 3D打印系统1和砂型3D打印系统2，在对具体的零件进行增材制造时，事先规 划好两个3D打印系统及重载机器人的运行轨迹、速度及次序，由控制系统33 读取、识别后控制多轴机器人31进行交替和重载机器人32进行压实操作。

具体地，本发明示例性的增材制造打印方法，包括以下步骤：

步骤1、控制砂型3D打印系统工作，使多轴机器人31操作打印喷头21在 基板54上开始打印砂型支撑52第一层，层高H1，然后控制多轴机器人离开工 作区域；

步骤2、控制重载机器人32操作压盘35将打印的砂型支撑52压实，此时 砂型支撑52的第一层层高变为k*H1，k表示压实比然后控制重载机器人离开 工作区域；

步骤3、控制送粉式金属3D打印系统工作，多轴机器人31旋转加工头连接 板34，使用送粉式激光加工头11在基板上打印出金属零件51和金属支撑53的 第一层，保证层高H2＝k*H1，k为压实比，然后控制多轴机器人离开工作区域；

步骤4、判断增材制造打印是否完成，如果未完成，则重复上述步骤1-3， 交替使用两个3D打印系统逐层打印零件5，其中金属零件和砂型支撑的每一层 的高度按照上述第一层的设定进行，直到完成打印作业。

进一步地，所述方法更加包含打印完成后的分离处理，包括以下步骤：

零件打印完成后，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,然后使用溶 解剂溶解砂型支撑、去除剩余金属支撑从而得到最终的金属零件。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各 种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，包括送粉式金属3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人、重载机器人及工作台，其中：

所述工作台用于固定作为金属3D打印基底的基板；

所述送粉式金属3D打印系统包括送粉式激光加工头、光纤、激光器和送粉器；送粉器被设置用于储存金属粉末，通过所述送粉器将金属粉末输送至送粉式激光加工头的前端；激光器用于发射设定的高能量密度的激光束，通过所述光纤传输至送粉式激光加工头，并经过送粉式激光加工头内部的光学模块准直、聚焦后融化金属粉末，进行送粉式金属3D打印；

所述砂型3D打印系统包括打印喷头、运砂管道、挤出机构以及料仓，料仓内储存有细砂粉与粘接剂混合而成的砂型粉末，挤出机构被设置成用以通过运砂管道将砂型粉末输送至打印喷头，并在所述基板上进行砂型3D打印；

所述打印喷头以及送粉式激光加工头均安装到一呈V型结构的加工头连接板上，加工头连接板固定在多轴机器人输出轴法兰上，使得通过所述多轴机器人可控制送粉式激光加工头或者打印喷头进入基板上方的工作区域进行3D打印作业；

所述重载机器人的输出轴法兰上安装有一压盘，用来压实刚打印出的砂型粉末；

所述复合打印柔性装备还包括一控制系统，控制所述送粉式金属3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人和重载机器人的工作，使得砂型3D打印系统的打印喷头在基板上打印砂型支撑与送粉式金属3D打印系统的送粉式激光加工头在基板上逐层打印金属零件和金属支撑的打印作业交替进行，其中每层砂型支撑打印后均通过所述重载机器人上的压盘进行压实操作。

2.根据权利要求1所述的激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，所述多轴机器人安装在工作台的一侧的地面上，所述重载机器人安装在工作台的相对的另一侧地面上。

3.根据权利要求1所述的激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，所述送粉式激光加工头与打印喷头的轴线形成一个夹角α，夹角α的取值范围是15°～90°。

4.根据权利要求1所述的激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，所述送粉式激光加工头的工作点到多轴机器人的输出轴法兰的距离L1与打印喷头工作点到多轴机器人输出轴法兰的距离L2满足：L1＝L2。

5.根据权利要求1所述的激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，所述控制系统控制在打印工作开始时的第一次打印为通过砂型3D打印系统进行砂型支撑的第一层的打印。

6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的激光熔融沉积与砂型支撑复合打印柔性装备的增材制造打印方法，其特征在于，包括：

步骤1、控制砂型3D打印系统工作，使多轴机器人操作打印喷头在基板上开始打印砂型支撑的第一层，层高H1，然后控制多轴机器人离开工作区域；

步骤2、控制重载机器人操作压盘将打印的砂型支撑压实，此时砂型支撑的层高变为k*H1，然后控制重载机器人离开工作区域；

步骤3、控制送粉式金属3D打印系统工作，多轴机器人旋转加工头连接板，使用送粉式激光加工头在基板上打印出金属零件和金属支撑的第一层，保证层高H2＝k*H1，k为压实比，然后控制多轴机器人离开工作区域；

步骤4、判断增材制造打印是否完成，如果未完成，则重复上述步骤1-3，交替使用两个3D打印系统逐层打印零件，并在每层的砂型支撑打印后使用压盘进行压实操作，其中金属零件和砂型支撑的每一层的高度按照上述第一层的设定进行，直到完成打印作业。

7.根据权利要求6所述的增材制造打印方法，其特征在于，所述方法更加包含打印完成后的分离处理，包括以下步骤：

零件打印完成后，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,然后使用溶解剂溶解砂型支撑、去除剩余金属支撑从而得到最终的金属零件。