CN111618302A - 一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置及方法，具有两套打印头系统，分别为：第一打印头系统用于金属打印，第二打印头系统用于混合型砂打印；所述第一打印头系统通过第一运动机构安装在第一主轴台床上，执行产品的金属打印部分的运动轨迹；所述第二打印头系统通过第二运动机构安装在第二主轴台床上，执行支撑产品腔体的砂型打印部分的运动轨迹；所述第一主轴台床和第二主轴台床分别通过数控控制器与PLC连接。本发明解决电熔增材成型腔体的技术难点，可以同时生产出传统铸造砂型无法制作的产品，且制作过程基于电熔增材技术，可产生成分匀一，性能均一的金属零件。
Description
技术领域
本发明涉及电熔增材制造技术领域，具体涉及一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置及方法。
背景技术
电熔增材对于腔体类零件成型有较大困难，由于增材过程中电热输入高，容易造成悬空部分熔化塌陷，现只可成型垂直角度小的悬空面。而传统方法铸造腔体零件则由于金属结晶的不均匀及材料淬透性限制，无法铸造出需求成分均一的零件，复杂的腔体成型本身也无法通过锻造等处理方式提升材料品质。因此，本领域技术人员亟需研发一种新的增材打印方法，以满足腔体零件尤其是复杂腔体零件快速成型，并能保证成形产品品质的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置，该装置配置两套打印头系统，第一打印头系统进行金属打印，第二打印头系统进行混合型砂打印，该装置对腔体零件和作辅助支撑腔体的砂型部分同时进行分层加工，两种材料相互支撑，有效解决了腔体零件尤其是复杂腔体零件成型难，成型本身无法保证材料品质的问题。
本发明目的是提供一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置，具有两套打印头系统，分别为：第一打印头系统用于金属打印，第二打印头系统用于混合型砂打印；
所述第一打印头系统通过第一运动机构安装在第一主轴台床上，执行产品的金属打印部分的运动轨迹；
所述第二打印头系统通过第二运动机构安装在第二主轴台床上，执行支撑产品腔体的砂型打印部分的运动轨迹；
所述第一主轴台床和第二主轴台床分别通过数控控制器与PLC连接。
所述的增材装置，所述第二打印头系统包括打印枪头，供料机构，以及定量挤出机构；
所述打印枪头通过第二运动机构安装在第二主轴台床上并由第二运动机构控制其运动轨迹；所述打印枪头具有外壳，所述外壳的下端开有枪头出料口，外壳内装有定量挤出机构；
所述供料机构用于盛装混合砂浆，所述供料机构通过定量挤出机构精准控制混合砂浆输送至打印枪头的枪头出料口挤出。优选地，所述供料机构为设置在所述打印枪头上方的漏斗槽，用于盛装混合砂浆；所述漏斗槽下方出口与所述输料管的进料口联通。
进一步地，所述的增材装置，所述定量挤出机构具有输料管，所述输料管内装有挤出件，所述输料管的下端开口为挤出口，所述挤出口与枪头出料口联通，输料管的上端开有进料口，所述供料机构通过进料口向定量挤出机构中的输料管供料。
进一步地，所述的增材装置，所述挤出件为螺旋式结构的蜗杆，所述蜗杆安装在输料管内，蜗杆的顶端延伸至所述输料管外部与驱动电机连接；所述驱动电机驱动蜗杆旋转将输料管中的混合砂浆挤出。
进一步地，所述的增材装置，所述打印枪头外壳套设在所述输料管外部，且所述输料管外壁的底端与外壳内壁接触式相抵，所述外壳内壁与输料管外壁保持一定距离使得外壳内壁与输料管外壁之间形成一容置腔，所述外壳上位于容置腔的上部开有一注水孔；当外壳相对于输料管下移时，输料管底端与外壳分离，使得容置腔的下端形成一出水口，所述出水口与打印枪头出料口相通，清洁用水从所述注水孔注入容置腔内，当输料管底端与外壳分离时，清洁用水经由容置腔的出水口流向枪头出料口，对枪头出料口进行冲洗。
进一步地，所述的增材装置，所述注水孔通过管道与清洁用水的水源联通，所述管道为三通管道，所述三通管道第一支路管与水源联通，第二支路管与压缩空气联通，第三支路管与注水孔联通；所述第一支路管上设有第一电动开关，第二支路管上设有第二电动开关。优选地，所述第一支路管上位于第一电动开关与水源之间还设有定量泵。
进一步地，所述的增材装置，所述外壳上装有外壳升降器，用于带动外壳做相对于输料管的上下移动；所述外壳升降器为一套整合气缸，所述整合气缸通过一个两位四通换向阀控制升降。
本发明另一目的是提供一种双材料打印腔体零件金属电熔增材方法，采用上述的增材装置，包括如下步骤：
S1根据产品性质及其腔体的形状，配制混合砂浆，将配制好的混合砂浆输送至第二打印头系统中，备用；
S2对产品模型分层切片时，分别识别产品的金属打印部分和产品腔体的砂型打印部分，同时生成两套运动轨迹进行输出，其中金属打印部分输出至第一主轴台床，由第一运动机构带动第一打印头系统执行产品的金属打印部分；砂型打印部分输出至第二主轴台床，由第二运动机构带动第二打印头系统执行产品腔体的砂型打印部分；
S3每层打印作业依次为：先控制第二打印头系统打印产品腔体的砂型打印部分，然后使用加热装置对该层打印的砂型层进行加热，当打印的砂型层干燥固化后，再控制第一打印头系统打印该层产品的金属打印部分，每层循环该动作，最终同步成型出产品和用于支撑产品腔体的砂型。
进一步地，所述的增材方法，步骤S1中，混合砂浆的配制：将原砂，膨润土，煤粉按重量比100：5～10：1.5～2.5的比例干混合均匀，再加入水混合搅拌均匀后，输送至第二打印头系统中等待打印使用。
进一步地，所述的增材方法，步骤S3，当第二打印头系统打印完该层产品腔体的砂型打印部分后，退出至打印状态，利用清洁用水对第二打印头系统的枪头出料口进行清洁冲洗，冲洗干净后，再次进入打印状态，准备进行下一层产品腔体砂型打印部分的打印。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明解决电熔增材成型腔体的技术难点，可以同时生产出传统铸造砂型无法制作的产品，且制作过程基于电熔增材技术，可产生成分匀一，性能均一的金属零件。
2、本发明装置配置两套打印头系统，其中一套打印头系统进行金属打印，另一套打印头系统使用原砂与膨润土的混合物进行打印。一套打印头系统为电弧焊机，另一套打印头系统目的为使用型砂连续填充产品腔体部份，起支撑作用，同时也可保证腔体内壁成型的表面质量，同时配置两套运动机构分别执行金属部分和砂型部分打印的运动轨迹。
3、本发明方法在对产品模型分层切片时，分别识别产品实体部分和腔体部分，输出两部分运动轨迹至两套运动机构的控制系统；每层打印作业依次为腔体部分的砂型打印，然后使用激光系统对砂型加热，当层砂型干燥固化后，进行产品部分的打印，每层循环该动作，最终同步成型出产品和砂型。
4、本发明同时对需求的产品和作辅助的砂型作分层加工，两种材料相互支撑，可以避免很多分别整体加工中会面临的问题(如砂型的强度不足，砂型小尺寸间隙制作困难，金属流动性不足造成的砂型设计形状限制等)。本发明提供一种综合砂型铸造和电熔增材双方优点的增材制造解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置的系统框图；
图2为图1所示第二打印头系统的结构示意图；
附图标识：1-第一打印头系统；2-第二打印头系统，2.1-打印枪头，2.1.1-外壳，2.1.2-枪头出料口，2.1.3-注水孔，2.2-供料机构，2.3-定量挤出机构，2.3.1-输料管，2.3.2-蜗杆，2.3.3-进料口，2.4-混合砂浆，2.5-容置腔，2.6-水源，2.7-三通管道，2.7.1-第一电动开关，2.7.2-第二电动开关，2.8-压缩空气，2.9-定量泵，2.10-外壳升降器，2.11-两位四通换向阀；；3-第一主轴台床；4-第二主轴台床；5-数控控制器；6-PLC；7-打印基板；8-砂型层；9-人机界面；10-MIG电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置
如图1所示，具有两套打印头系统，分别为：第一打印头系统1用于金属打印，第二打印头系统2用于混合型砂打印；所述第一打印头系统1通过第一运动机构安装在第一主轴台床3上，执行产品的金属打印部分的运动轨迹；所述第一主轴台床3为三轴台床。所述第二打印头系统2通过第二运动机构安装在第二主轴台4床上，执行支撑产品腔体的砂型打印部分的运动轨迹；所述第二主轴台床4为三轴台床。所述第一主轴台床3和第二主轴台床4分别通过数控控制器5与PLC6连接，所述PLC控制器6还连接有人机界面9。所示第一打印头系统1通过MIG电源10为其供电。
如图2所示，所述第二打印头系统2包括打印枪头2.1，供料机构2.2，以及定量挤出机构2.3；所述打印枪头2.1通过第二运动机构安装在第二主轴台床4上并由第二运动机构控制其运动轨迹；所述供料机构2.2用于盛装混合砂浆2.4，所述供料机构2.2通过定量挤出机构2.3精准控制混合砂浆2.4输送至打印枪头2.1的枪头出料口2.1.2挤出。
所述打印枪头2.1具有外壳2.1.1，所述外壳2.1.1的下端开有枪头出料口2.1.2，外壳2.1.1内装有定量挤出机构2.3；所述定量挤出机构2.3具有输料管2.3.1，所述输料管2.3.1内装有挤出件，所述挤出件为螺旋式结构的蜗杆2.3.2，所述蜗杆2.3.2安装在输料管2.3.1内，蜗杆2.3.2的顶端延伸至所述输料管2.3.1外部与驱动电机连接；所述驱动电机驱动蜗杆2.3.2旋转将输料管2.3.1中的混合砂浆2.4挤出。所述输料管2.3.1的下端开口为挤出口，所述挤出口与枪头出料口2.1.2联通，输料管2.3.1的上端开有进料口2.3.3，所述供料机构2.2通过进料口2.3.3向定量挤出机构2.3中的输料管2.3.1供料。所述供料机构2.2为设置在所述打印枪头2.1上方的漏斗槽，用于盛装混合砂浆2.4；所述漏斗槽下方出口与所述输料管2.3.1的进料口通过管道联通。
所述打印枪头2.1外壳2.1.1套设在所述输料管2.3.1外部，且所述输料管2.3.1外壁的底端与外壳2.1.1内壁接触式相抵，所述外壳2.1.1内壁与输料管2.3.1外壁保持一定距离使得外壳2.1.1内壁与输料管2.3.1外壁之间形成一容置腔2.5，所述外壳2.1.1上位于容置腔2.5的上部开有一注水孔2.1.3；所述外壳2.1.1上装有外壳升降器2.10，用于带动外壳2.1.1做相对于输料管2.3.1的上下移动；所述外壳升降器2.10为一套整合气缸，所述整合气缸通过一个两位四通换向阀2.11控制升降。当外壳2.1.1相对于输料管2.3.1下移时，输料管2.3.1底端与外壳2.1.1分离，使得容置腔2.5的下端形成一出水口，所述出水口与枪头出料口2.1.2相通；清洁用水从所述注水孔2.1.3注入容置腔2.5内。当输料管2.3.1底端与外壳2.1.1分离时，清洁用水经由容置腔2.5的出水口流向枪头出料口2.1.2，对枪头出料口2.1.2进行冲洗。所述注水孔2.1.3通过管道与清洁用水的水源2.6联通，所述水源2.6盛装在一呈漏斗状的水箱中，所述管道为三通管道2.7，所述三通管道2.7第一支路管与水源2.6联通，第二支路管与压缩空气2.8联通，第三支路管与注水孔2.1.3联通；所述第一支路管上设有第一电动开关2.7.1，第二支路管上设有第二电动开关2.7.2。所述第一支路管上位于第一电动开关2.7.1与水源2.6之间还设有定量泵2.9。
第二打印头系统2的工作原理为：首先蜗杆2.3.2通过控制电机驱动，精准控制混合砂浆2.4的输出量，输送至打印枪头2.1头端的枪头出料口2.1.2挤出。其次，外壳升降器2.10为一个整合气缸，通过一个两位四通换向阀2.11控制升降，在打印基板7上打印时打印枪头2.1的外壳2.1.1为上升状态，当打印一定周期后(或打印完一层砂型层8后)，定量挤出机构2.3停止送料；打印枪头2.1的外壳2.1.1下降，同时，第一电动开关2.7.1关闭，第二电动开关2.7.2打开，压缩空气2.8对容置腔2.5作用将容置腔2.5内的清洁用水以一定压力的方式从枪头出料口2.1.2排出，从而达到对枪头出料口1.2的清理清洗。最后，清理清洗后打印枪头2.1的外壳2.1.1上升，继续打印下一周期(或下一层砂型层8)。本发明采用自动化砂型制造的方式作为一种模具3D打印的解决方案，使用细化后的原砂和膨润土水溶液混合后配制成混合砂浆2.4，连续输出作为打印耗材的打印头及耗材供应系统。采用定量供料系统，将混合砂浆2.4可控地输送至打印枪头，连续挤出，使用第二运动机构控制打印枪头的运动轨迹，即可打印出需求复杂且质地均一的砂型模具。
实施例2一种双材料打印腔体零件金属电熔增材方法
采用上述的增材装置，具体包括如下步骤：
S1根据产品性质及其腔体的形状，配制混合砂浆2.4，将配制好的混合砂浆2.4输送至第二打印头系统2的供料机构2.2中，备用；
混合砂浆2.4的配制：将原砂，膨润土，煤粉按重量比100：5～10：1.5～2.5的比例干混合均匀，再加入适量水混合搅拌3-5分钟均匀后，送入供料机构2.2等待打印使用。
S2对产品模型分层切片时，分别识别产品的金属打印部分和产品腔体的砂型打印部分，同时生成两套运动轨迹进行输出，其中金属打印部分输出至第一主轴台床，由第一运动机构带动第一打印头系统执行产品的金属打印部分；砂型打印部分输出至第二主轴台床，由第二运动机构带动第二打印头系统执行产品腔体的砂型打印部分；
S3每层打印作业依次为：先控制第二打印头系统2在打印基板7上打印用于支撑产品腔体的砂型打印部分，然后使用加热装置(激光系统)对该层打印的砂型层8进行干燥加热，当打印的砂型层8干燥固化后，再控制第一打印头系统1打印该层产品的金属打印部分，每层循环该动作，最终同步成型出产品和用于支撑产品腔体的砂型；
当第二打印头系统2打印完该层产品腔体的砂型打印部分后，退出至打印状态，利用清洁用水对第二打印头系统2的枪头出料口2.1.2进行清洁冲洗，冲洗干净后，再次进入打印状态，准备进行下一层产品腔体砂型打印部分的打印。
需要说明的是，当一个元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“元件Ⅰ”、“元件Ⅱ”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“元件Ⅰ”、“元件Ⅱ”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双材料打印腔体零件金属电熔增材装置，其特征在于，具有两套打印头系统，分别为：第一打印头系统用于金属打印，第二打印头系统用于混合型砂打印；
所述第一打印头系统通过第一运动机构安装在第一主轴台床上，执行产品的金属打印部分的运动轨迹；
所述第二打印头系统通过第二运动机构安装在第二主轴台床上，执行支撑产品腔体的砂型打印部分的运动轨迹；
所述第一主轴台床和第二主轴台床分别通过数控控制器与PLC连接。
2.如权利要求1所述的增材装置，其特征在于，所述第二打印头系统包括打印枪头，供料机构，以及定量挤出机构；
所述打印枪头通过第二运动机构安装在第二主轴台床上并由第二运动机构控制其运动轨迹；所述打印枪头具有外壳，所述外壳的下端开有枪头出料口，外壳内装有定量挤出机构；
所述供料机构用于盛装混合砂浆，所述供料机构通过定量挤出机构精准控制混合砂浆输送至打印枪头的枪头出料口挤出。
3.如权利要求2所述的增材装置，其特征在于，所述定量挤出机构具有输料管，所述输料管内装有挤出件，所述输料管的下端开口为挤出口，所述挤出口与枪头出料口联通，输料管的上端开有进料口，所述供料机构通过进料口向定量挤出机构中的输料管供料。
4.如权利要求3所述的增材装置，其特征在于，所述挤出件为螺旋式结构的蜗杆，所述蜗杆安装在输料管内，蜗杆的顶端延伸至所述输料管外部与驱动电机连接；所述驱动电机驱动蜗杆旋转将输料管中的混合砂浆挤出。
5.如权利要求3所述的增材装置，其特征在于，所述打印枪头外壳套设在所述输料管外部，且所述输料管外壁的底端与外壳内壁接触式相抵，所述外壳内壁与输料管外壁保持一定距离使得外壳内壁与输料管外壁之间形成一容置腔，所述外壳上位于容置腔的上部开有一注水孔；当外壳相对于输料管下移时，输料管底端与外壳分离，使得容置腔的下端形成一出水口，所述出水口与打印枪头出料口相通，清洁用水从所述注水孔注入容置腔内，当输料管底端与外壳分离时，清洁用水经由容置腔的出水口流向枪头出料口，对枪头出料口进行冲洗。
6.如权利要求5所述的增材装置，其特征在于，所述注水孔通过管道与清洁用水的水源联通，所述管道为三通管道，所述三通管道第一支路管与水源联通，第二支路管与压缩空气联通，第三支路管与注水孔联通；所述第一支路管上设有第一电动开关，第二支路管上设有第二电动开关。
7.如权利要求5所述的增材装置，其特征在于，所述外壳上装有外壳升降器，用于带动外壳做相对于输料管的上下移动；所述外壳升降器为一套整合气缸，所述整合气缸通过一个两位四通换向阀控制升降。
8.一种双材料打印腔体零件金属电熔增材方法，采用如权利要求1-7任一项所述的增材装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1根据产品性质及其腔体的形状，配制混合砂浆，将配制好的混合砂浆输送至第二打印头系统中，备用；
S2对产品模型分层切片时，分别识别产品的金属打印部分和产品腔体的砂型打印部分，同时生成两套运动轨迹进行输出，其中金属打印部分输出至第一主轴台床，由第一运动机构带动第一打印头系统执行产品的金属打印部分；砂型打印部分输出至第二主轴台床，由第二运动机构带动第二打印头系统执行产品腔体的砂型打印部分；
S3每层打印作业依次为：先控制第二打印头系统打印产品腔体的砂型打印部分，然后使用加热装置对该层打印的砂型层进行加热，当打印的砂型层干燥固化后，再控制第一打印头系统打印该层产品的金属打印部分，每层循环该动作，最终同步成型出产品和用于支撑产品腔体的砂型。
9.如权利要求8所述的增材方法，其特征在于，步骤S1中，混合砂浆的配制：将原砂，膨润土，煤粉按重量比100：5～10：1.5～2.5的比例干混合均匀，再加入水混合搅拌均匀后，输送至第二打印头系统中等待打印使用。
10.如权利要求8所述的增材方法，其特征在于，步骤S3，当第二打印头系统打印完该层产品腔体的砂型打印部分后，退出至打印状态，利用清洁用水对第二打印头系统的枪头出料口进行清洁冲洗，冲洗干净后，再次进入打印状态，准备进行下一层产品腔体砂型打印部分的打印。
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