CN110538994A - 电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法，所述的柔性装置包括电弧熔丝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。本发明的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备同时具备电弧3D打印系统和砂型3D打印系统，两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零件结构由电弧熔丝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，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。本发明可解决普通电弧增材制造设备无法打印支撑、不能制造具有大倾斜角、局部镂空等特征的复杂金属零件，同时打印零件与基板分离时费时费力的问题。

Description

电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体而言涉及一种电弧熔丝与砂型支 撑复合打印柔性装备与打印方法。

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。

电弧熔丝3D打印技术(又称电弧增材制造技术，简称WAAM)，采用逐层 堆焊的方式制造金属实体构件，主要基于TIG、MIG/MAG、PLASMA等焊接技 术发展而来，成形零件由电弧熔丝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成 形环境对成形件尺寸理论上无限制，成形速率可达4-8kg/h。随着我国航天技术 的发展，固体火箭发动机作为运载火箭助推器成为可行的技术方案。固体助推 器的关键部件为与芯级连接的捆绑连接环大尺寸异型结构，采用传统的车铣复 合加工，材料浪费巨大，加工周期长、成本高，成为制约固体助推器研制的关键技术瓶颈。而电弧增材制造在大尺寸异型构件方面的高度可实现性为解决上 述瓶颈提供了重要突破口。

然而电弧熔丝3D打印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。电弧熔丝3D打印技术为 线成型，适合实心件打印成型，但是不适合做断续打印，所以很难打印金属支 撑，无法打印具有大倾斜角、局部镂空等特征的复杂零件；另外打印完成后基 板与零件分离难度大、费时费力。

发明内容

本发明目的在于提供一种电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方 法，解决传统电弧增材制造设备无法打印支撑，不能制造具有大倾斜角、局部 镂空等特征的复杂金属零件的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备 包括电弧熔丝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；

所述电弧熔丝3D打印系统包括焊枪、送丝机、丝盘以及焊机电源，丝盘内 放置金属焊丝，送丝机被设置用于将金属焊丝传输至焊枪的前端，焊机电源被 设置成在其被启动后在焊枪前端将电能转化热能从而融化金属焊丝至熔融状 态，并在所述基板上进行金属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；

所述打印喷头以及焊枪均安装到一呈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焊枪 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，控制所述电弧熔丝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电弧熔丝3D打印系统的焊枪在基板上逐层打 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，所述焊枪与打印喷头的轴线形成一个夹角α。

进一步地，焊丝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。

进一步地，所述电弧熔丝3D打印系统的送丝机固定在多轴机器人上并与多 轴机器人保持随动状态。

根据本发明的改进，还提出一种基于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、控制电弧熔丝3D打印系统工作，多轴机器人旋转加工头连接板， 使用焊枪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；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，本发明的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备同时具 备电弧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，控制运动执行机构操作两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零 件结构由电弧熔丝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 可解决普通电弧增材制造设备无法打印支撑、不能制造具有大倾斜角、局部镂 空等特征的复杂金属零件，同时打印零件与基板分离时费时费力的问题。

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电弧熔丝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-焊枪；12-送丝机；13-丝盘；14-焊机电源；

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，本发明所提供的电弧熔丝与砂型支撑复合 打印柔性装备包括电弧熔丝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。电弧熔丝 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，被设置用于控制电弧熔丝 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为运动执行机构，多轴机器人用于带动 电弧熔丝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，电弧熔丝3D打印系统包括焊枪11、送丝机12、丝盘13以及焊 机电源14，丝盘13内放置金属焊丝，送丝机12被设置用于将金属焊丝传输至 焊枪11的前端，焊机电源14被设置成在其被启动后在焊枪前端将电能转化热 能从而融化金属焊丝至熔融状态，并在基板上进行金属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以及焊枪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可控制焊枪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，控制电弧熔丝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电弧熔丝3D打印系统的焊枪 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。

电弧熔丝3D打印系统的送丝机12固定在多轴机器人上并与多轴机器人保 持随动状态，并且在较佳的例子中，送丝机12与焊枪11的距离为1.2m。

优选地，焊枪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 焊枪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，焊丝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，从而在避 免打印复杂模型时焊枪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电弧熔丝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的层高变为k*H1，k为压实比；然后控制重载机器人离开工作区域；

步骤3、控制电弧熔丝3D打印系统工作，多轴机器人31旋转加工头连接板 34，使用焊枪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。

与现有技术相比，本发明的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备同时具 备电弧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，控制运动执行机构操作两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零 件结构由电弧熔丝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 可解决普通电弧增材制造设备无法打印支撑、不能制造具有大倾斜角、局部镂 空等特征的复杂金属零件，提升了电弧熔丝3D打印工艺范围，同时解决了现有 技术中打印零件与基板分离时费时费力的问题。

同时，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。

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 (8)

1.一种电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，包括电弧熔丝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；

所述电弧熔丝3D打印系统包括焊枪、送丝机、丝盘以及焊机电源，丝盘内放置金属焊丝，送丝机被设置用于将金属焊丝传输至焊枪的前端，焊机电源被设置成在其被启动后在焊枪前端将电能转化热能从而融化金属焊丝至熔融状态，并在所述基板上进行金属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；

所述打印喷头以及焊枪均安装到一呈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焊枪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，控制所述电弧熔丝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电弧熔丝3D打印系统的焊枪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所述的电弧熔丝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所述的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，所述焊枪与打印喷头的轴线形成一个夹角α。

4.根据权利要求1所述的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，焊丝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所述的电弧熔丝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.根据权利要求1所述的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备，其特征在于，所述电弧熔丝3D打印系统的送丝机固定在多轴机器人上并与多轴机器人保持随动状态。

7.一种基于权利要求1至6中任意一项所述的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、控制电弧熔丝3D打印系统工作，多轴机器人旋转加工头连接板，使用焊枪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。

8.根据权利要求7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。