CN111185599A - 一种基于高速喷丸的金属增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于高速喷丸的金属增材制造装置及方法，包括喷丸、喷丸调节机构、回收料箱、成型箱、储料箱、金属粉末预热器、X‑Y扫描镜、控制器和连续激光器；本发明综合使用SLS或DMLS和喷丸技术，通过精准的控制连续激光参数(涵盖连续激光光斑形状、连续激光扫描速度等)、喷嘴直径、喷嘴距离、覆盖率、喷丸速度、质量流率、喷丸时间和作用区域，在一定时间里使得零件表面受到冲击，从而使得表层组织得到细化，引入残余压应力并优化表层组织结构，使得金属材料表面强度和硬度、抗疲劳性能、抗应力腐蚀破裂以及耐高温氧化等均能获得显著的提高。

Description

一种基于高速喷丸的金属增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，特别涉及一种基于高速喷丸的金属增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术又称为3D打印技术，是上个世纪90年代兴起的快速成型技术，采用堆积原理对金属材料进行制造。增材制造技术根据不同的材料有近十种不同技术，在国内常用的是选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)、直接金属激光烧结技术(Direct Metal Laser Sintering,DMLS)。其中SLS技术是利用粉末在激光照射下进行成型，由控制系统控制堆积成型，步骤为：首先用铺粉辊子铺材料粉末，然后使用金属粉末预热器对材料粉末进行预热到接近融化点，然后使用选择激光器在此表面上进行扫描，使得粉末温度上升至融化点，再进行烧结，再次进行铺粉，烧结，直到模型烧结完成。现有的金属3D打印技术，使用的一般从几十微米到几百微米的粉末，由于高能束的长期周期性剧烈加热和冷却以及工艺参数、外部环境、扫描路径的变换等不连续和不稳定因素，导致成型零件出现变形开裂、孔洞、夹杂、裂纹等问题，除此之外，由于金属粉末在经历快速的冷热加工是，使得成型零件在尺寸精度和内部组织等方面都不能满足使用标准，这样则会大大的增加打印成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高速喷丸的金属增材制造装置及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，包括喷丸、喷丸调节机构、回收料箱、成型箱、储料箱、金属粉末预热器、X-Y扫描镜、控制器和连续激光器；回收料箱、成型箱和储料箱并排设置在平面形成箱组，箱组的侧面固定设置有喷丸调节机构，喷丸调节机构连接喷丸，喷丸对准成型箱；成型箱的上方设置有金属粉末预热器和X-Y扫描镜；储料箱上方设置有连续激光器；金属粉末预热器、连续激光器和喷丸均连接到控制器，X-Y扫描镜连接连续激光器；控制器控制金属粉末预热器、X-Y扫描镜、连续激光器和喷丸的启停。

进一步的，喷丸调节机构包括手腕关节、手臂关节、底座、手臂摆动气缸A、升降气缸B、伸缩气缸C、手腕摆动气缸D；

底座固定设置在平面，底座上固定设置手臂摆动气缸A，手臂摆动气缸A通过手臂关节连接升降气缸B，升降气缸B输出端设置伸缩气缸C，伸缩气缸C输出端连接手腕摆动气缸D，手腕摆动气缸D连接手腕关节。

进一步的，升降气缸B的侧面通过固定环轴向设置有若干导向装置，导向装置的顶端连接伸缩气缸C，固定环两端的导向装置均固定设置有定位挡块。

进一步的，回收料箱、成型箱和储料箱的底板均为活动板，均能够沿所在箱体轴向移动。

进一步的，活动板的底部分别安装有回收料箱Z轴运动台、成型箱Z轴运动台和储料箱Z轴运动台；回收料箱Z轴运动台、成型箱Z轴运动台和储料箱Z轴运动台均连接到控制器。

进一步的，回收料箱内设置有回收粉末；成型箱内设置有成型余料和成型模型；储料箱内设置有金属粉末，储料箱顶端设置有铺粉辊子。

进一步的，一种基于高速喷丸的金属增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，根据不同增材制造金属粉末材料的性能，通过控制系统输出控制信号控制储料箱内的储料箱Z轴运动台向上移动；

步骤2，通过控制系统控制铺粉辊子按匀速速度将储料箱推出的金属粉末均匀的推至成型箱，并继续保持运动速度将多余的金属粉末推至回收料箱进行回收；

步骤3，回退铺粉辊子至初始位置停止，打开金属粉末预热器加热至设定温度；

步骤4，关闭金属粉末预热器，调节好连续激光器的输出功率、光斑形状和尺寸，打开连续激光器，沿着规划的扫描路径对金属粉末层进行扫略成型；

步骤5，调节好喷丸装置的喷嘴直径、喷嘴距离、覆盖率、喷丸速度、质量流率、喷丸时间，以及手腕关节，导向装置，定位挡块，手臂关节，手臂摆动气缸，升降气缸，手腕摆动气缸，进而使用气抓控制喷丸装置，待连续激光器扫略过的成型表面冷却一定时间，随即打开喷丸装置与连续激光器在同一工作层进行扫略工作，控制喷丸装置沿着规划的工艺路径对已成型表面进行冲击强化；

步骤6，待喷丸装置对该层表面冲击强化后，重复步骤1至步骤5，直至最终零件逐层堆积成型完毕。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明综合使用SLS或DMLS和喷丸技术，通过精准的控制连续激光参数(涵盖连续激光光斑形状、连续激光扫描速度等)、喷嘴直径、喷嘴距离、覆盖率、喷丸速度、质量流率、喷丸时间和作用区域，在一定时间里使得零件表面受到冲击，从而使得表层组织得到细化，引入残余压应力并优化表层组织结构，使得金属材料表面强度和硬度、抗疲劳性能、抗应力腐蚀破裂以及耐高温氧化等均能获得显著的提高。

附图说明

图1是本发明具体实施的工作原理图

图2是连续激光器利用圆光斑进行简单零件成型的扫描路径

图3是喷丸利用弹丸流对零件进行冲击强化的路径

1—回收料箱；2—回收料箱Z轴控制台；3—回收粉末；4—控制系统；5—控制信号；6—成型余料；7—金属粉末预热器；8—X-Y扫描镜；9—喷丸；10—连续激光器；11—成型箱；12—铺粉辊子；13—金属粉末；14—储料箱；15—储料箱Z轴运动台；16—成型箱Z轴运动台；17—成型模型；18—手腕关节；19—导向装置；20—定位挡块；21—手臂关节；22—底座；A—手臂摆动气缸；B—升降气缸；C—伸缩气缸；D—手腕摆动气缸；E—气抓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图3，一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，包括喷丸9、喷丸调节机构、回收料箱1、成型箱11、储料箱14、金属粉末预热器7、X-Y扫描镜8、控制器4和连续激光器10；回收料箱1、成型箱11和储料箱14并排设置在平面形成箱组，箱组的侧面固定设置有喷丸调节机构，喷丸调节机构连接喷丸9，喷丸9对准成型箱11；成型箱11的上方设置有金属粉末预热器7和X-Y扫描镜8；储料箱14上方设置有连续激光器10；金属粉末预热器7、连续激光器10和喷丸9均连接到控制器4，X-Y扫描镜8连接连续激光器10；控制器4控制金属粉末预热器7、X-Y扫描镜8、连续激光器10和喷丸9的启停。

喷丸调节机构包括手腕关节18、手臂关节21、底座22、手臂摆动气缸A、升降气缸B、伸缩气缸C、手腕摆动气缸D；

底座22固定设置在平面，底座22上固定设置手臂摆动气缸A，手臂摆动气缸A通过手臂关节21连接升降气缸B，升降气缸B输出端设置伸缩气缸C，伸缩气缸C输出端连接手腕摆动气缸D，手腕摆动气缸D连接手腕关节18。

升降气缸B的侧面通过固定环轴向设置有若干导向装置19，导向装置19的顶端连接伸缩气缸C，固定环两端的导向装置19均固定设置有定位挡块20。

回收料箱1、成型箱11和储料箱14的底板均为活动板，均能够沿所在箱体轴向移动。

活动板的底部分别安装有回收料箱Z轴运动台2、成型箱Z轴运动台16和储料箱Z轴运动台15；回收料箱Z轴运动台2、成型箱Z轴运动台16和储料箱Z轴运动台15均连接到控制器4。

回收料箱1内设置有回收粉末3；成型箱11内设置有成型余料6和成型模型17；储料箱14内设置有金属粉末13，储料箱14顶端设置有铺粉辊子12。

一种基于高速喷丸的金属增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，根据不同增材制造金属粉末材料的性能，通过控制系统输出控制信号控制储料箱内的储料箱Z轴运动台向上移动；

步骤2，通过控制系统控制铺粉辊子按匀速速度将储料箱推出的金属粉末均匀的推至成型箱，并继续保持运动速度将多余的金属粉末推至回收料箱进行回收；

步骤3，回退铺粉辊子至初始位置停止，打开金属粉末预热器加热至设定温度；

步骤4，关闭金属粉末预热器，调节好连续激光器的输出功率、光斑形状和尺寸，打开连续激光器，沿着规划的扫描路径对金属粉末层进行扫略成型；

步骤5，调节好喷丸装置的喷嘴直径、喷嘴距离、覆盖率、喷丸速度、质量流率、喷丸时间，以及手腕关节，导向装置，定位挡块，手臂关节，手臂摆动气缸，升降气缸，手腕摆动气缸，进而使用气抓控制喷丸装置，待连续激光器扫略过的成型表面冷却一定时间，随即打开喷丸装置与连续激光器在同一工作层进行扫略工作，控制喷丸装置沿着规划的工艺路径对已成型表面进行冲击强化；

步骤6，待喷丸装置对该层表面冲击强化后，重复步骤1至步骤5，直至最终零件逐层堆积成型完毕。

如图1所示，一种基于高速喷丸逐层强化的金属增材制造工艺，其实施步骤如下：

步骤一、根据不同增材制造金属粉末13材料的性能，通过控制系统4输出控制信号5控制储料箱14内的储料箱Z轴运动台15向上移动一定距离；

步骤二、通过控制系统4控制铺粉辊子12按一定运动速度将储料箱14推出的金属粉末13均匀的推至成型箱11，并继续保持运动速度将多余的金属粉末13推至回收料箱1进行回收；

步骤三、快速回退铺粉辊子12至初始位置停止，打开金属粉末预热器7按一定的加热速率加热至设定温度；

步骤四、关闭金属粉末预热器7，调节好连续激光器10的输出功率、光斑形状和尺寸，打开连续激光器10，按一定的扫描速度沿着规划的扫描路径对金属粉末层进行扫略成型；

步骤五、调节好喷丸装置9的喷嘴直径、喷嘴距离、覆盖率、喷丸速度、质量流率、喷丸时间等，以及手腕关节18，导向装置19，定位挡块20，手臂关节21，手臂摆动气缸A，升降气缸B),伸缩气缸C，手腕摆动气缸D，进而使用气抓E控制喷丸装置，待连续激光器10扫略过的成型表面冷却一定时间，随即打开喷丸装置9与连续激光器10在同一工作层进行扫略工作，控制喷丸装置9沿着规划的工艺路径对已成型表面进行冲击强化；

步骤六、待喷丸装置9对该层表面冲击强化后，重复步骤一至步骤五，直至最终零件逐层堆积成型完毕。

图2是连续激光器利用圆光斑进行简单零件成型的扫描路径，图3是喷丸利用弹丸流对零件进行冲击强化的路径。

Claims (7)

1.一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，其特征在于，包括喷丸(9)、喷丸调节机构、回收料箱(1)、成型箱(11)、储料箱(14)、金属粉末预热器(7)、X-Y扫描镜(8)、控制器(4)和连续激光器(10)；回收料箱(1)、成型箱(11)和储料箱(14)并排设置在平面形成箱组，箱组的侧面固定设置有喷丸调节机构，喷丸调节机构连接喷丸(9)，喷丸(9)对准成型箱(11)；成型箱(11)的上方设置有金属粉末预热器(7)和X-Y扫描镜(8)；储料箱(14)上方设置有连续激光器(10)；金属粉末预热器(7)、连续激光器(10)和喷丸(9)均连接到控制器(4)，X-Y扫描镜(8)连接连续激光器(10)；控制器(4)控制金属粉末预热器(7)、X-Y扫描镜(8)、连续激光器(10)和喷丸(9)的启停。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，其特征在于，喷丸调节机构包括手腕关节(18)、手臂关节(21)、底座(22)、手臂摆动气缸A、升降气缸B、伸缩气缸C、手腕摆动气缸D；

底座(22)固定设置在平面，底座(22)上固定设置手臂摆动气缸A，手臂摆动气缸A通过手臂关节(21)连接升降气缸B，升降气缸B输出端设置伸缩气缸C，伸缩气缸C输出端连接手腕摆动气缸D，手腕摆动气缸D连接手腕关节(18)。

3.根据权利要求2所述的一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，其特征在于，升降气缸B的侧面通过固定环轴向设置有若干导向装置(19)，导向装置(19)的顶端连接伸缩气缸C，固定环两端的导向装置(19)均固定设置有定位挡块(20)。

4.根据权利要求1所述的一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，其特征在于，回收料箱(1)、成型箱(11)和储料箱(14)的底板均为活动板，均能够沿所在箱体轴向移动。

5.根据权利要求4所述的一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，其特征在于，活动板的底部分别安装有回收料箱Z轴运动台(2)、成型箱Z轴运动台(16)和储料箱Z轴运动台(15)；回收料箱Z轴运动台(2)、成型箱Z轴运动台(16)和储料箱Z轴运动台(15)均连接到控制器(4)。

6.根据权利要求1所述的一种基于高速喷丸的金属增材制造装置，其特征在于，回收料箱(1)内设置有回收粉末(3)；成型箱(11)内设置有成型余料(6)和成型模型(17)；储料箱(14)内设置有金属粉末(13)，储料箱(14)顶端设置有铺粉辊子(12)。

7.一种基于高速喷丸的金属增材制造方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的高速喷丸的金属增材制造装置，包括以下步骤：

步骤1，根据不同增材制造金属粉末材料的性能，通过控制系统输出控制信号控制储料箱内的储料箱Z轴运动台向上移动；

步骤2，通过控制系统控制铺粉辊子按匀速速度将储料箱推出的金属粉末均匀的推至成型箱，并继续保持运动速度将多余的金属粉末推至回收料箱进行回收；

步骤3，回退铺粉辊子至初始位置停止，打开金属粉末预热器加热至设定温度；

步骤4，关闭金属粉末预热器，调节好连续激光器的输出功率、光斑形状和尺寸，打开连续激光器，沿着规划的扫描路径对金属粉末层进行扫略成型；

步骤5，调节好喷丸装置的喷嘴直径、喷嘴距离、覆盖率、喷丸速度、质量流率、喷丸时间，以及手腕关节，导向装置，定位挡块，手臂关节，手臂摆动气缸，升降气缸，手腕摆动气缸，进而使用气抓控制喷丸装置，待连续激光器扫略过的成型表面冷却一定时间，随即打开喷丸装置与连续激光器在同一工作层进行扫略工作，控制喷丸装置沿着规划的工艺路径对已成型表面进行冲击强化；

步骤6，待喷丸装置对该层表面冲击强化后，重复步骤1至步骤5，直至最终零件逐层堆积成型完毕。

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