CN111843184B - 金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法 - Google Patents

金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法，装置包括传送带，传送带通过激光剪裁机，其内部设有数字化编程路线，计算机结合机械手完成剪裁工位。预先对最终工件进行切片编程后数字化剪裁，获得增材制造切片用异形金属箔片，吸盘完成废料与金属异形箔片分离，涂胶完成最后金属结构件的叠层操作。循环操作至获得设计形状工件坯料，固化实现增材制造。该方法利用金属箔超软特点，模具配合下，层层胶合堆垛出具有复杂形状金属结构件。与传统增材制造相比，本方法大大缩短加工流程，利用价格较低的金属箔极大缩小成本。且整个制作过程中废料全部回收，无需达到熔点温度和长时间加热成型，节省能源同时减少污染。

Description

金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法
技术领域：
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法。
背景技术：
金属箔，具有很强的变形能力，一般会用锤锻或是轧制的方式制造，且多半会选用延展性好的材料，例如铝、铜、锡及金。多应用于日常生活中，不过若是因为热辐射产生的低体温症，也可以用金属箔减少热辐射来改善症状。由于其有限的后期成型方法，限制了金属箔在不同领域的应用，如通过异步轧制制成的“手撕钢”，其厚度可达到20微米。
目前，金属结构件成型方法一般为铸造、锻造、轧制、挤压、拉拔、3D打印。其中3D打印技术是一种金属增材制造技术，因其可以快速地将软件设计图制造成复杂精密的零件而受到广泛欢迎。其实质是用软件将图形分层，进行离散化处理，然后利用移动的激光束有选择地熔化/凝固铺展的粉体材料；成形的每一层为离散的模型截面最后逐层堆积成3维模型的一种焊接手段实现成型。但其过程都是冶金工艺过程，即将金属材料通过全部熔化或半固态，使原子呈现能够流动/流变、扩散的状态，然后冷却使金属凝固。前几种5种为成型金属结构件的传统方法，其缺点是不能成型复杂形状；而3D打印虽然可以制备复杂形状的金属件，但是因为高温的熔化过程中也会产生气孔、热裂纹及球化等缺陷。打印时间很长，效率很低，比如，一个杯子需要几个小时。大部分金属材料要考虑氧化等问题，需要在真空中进行打印，限制了工件的尺寸。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法，采用金属箔数字化切片增材制造的方式，利用金属的韧性，配合数字化剪裁工序具有较大变形能力，结合胶体黏结进行金属箔切片层层堆垛，在室温下全自动胶合，完成金属结构件的增材制造，实现复杂形状，包括空心结构金属结构件制备，具有很强的优势。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备，包括传送带，所述的传送带表面固定有若干个加工台，所述的传送带侧方设有激光剪裁机，所述的激光剪裁机连接有机械手装置，所述的机械手装置设置于加工台上方，所述的机械手装置上设有可移动激光头，所述的机械手装置下方对应的加工台区域为激光剪裁区；
所述的传送带上方设有可旋转吸盘装置，所述的可旋转吸盘装置包括对称设置的两个吸盘机械手，分别为下端黏结上半模具的吸盘机械手和下端未黏结上半模具的吸盘机械手，所述的吸盘装置侧方设有全自动涂胶机，其中：
所述的全自动涂胶机包括涂胶机机械手装置，所述的涂胶机机械手装置包括X轴、Y轴和Z轴，所述的Z轴侧壁设有胶瓶固定用束缚夹，所述的Z轴下方设有实验台，所述的实验台上方设有下半模具。
所述的激光剪裁机连接有计算机，所述的计算机实现数字化编程控制剪裁机剪裁路径。
所述的计算机用于调整激光束的焦距、激光功率和扫描速度。
所述的激光剪裁机机械手装置包括机械手X轴和机械手Y轴，所述的机械手X轴和机械手Y轴为可滑动轴，所述的机械手Y轴与激光剪裁机垂直，所述的机械手Y轴与加工台移动方向垂直设置，所述的机械手X轴垂直设置于机械手Y轴上方。
所述的可移动激光头设置于机械手X轴上，所述的可移动激光头产生可旋转激光束，实现激光束旋转照射。
所述的可旋转吸盘装置包括旋转轴，所述的两个吸盘机械手对称设置于旋转轴两端，所述的旋转轴端部通过纵向伸缩杆与吸盘机械手连接。
所述的吸盘机械手下表面均设有矩阵吸气孔，所述的吸盘机械手上表面设有出气孔。
所述的可旋转吸盘装置包括底座，所述的旋转轴中心通过支撑杆与底座连接。
所述的吸盘机械手为全自动机械手气动吸盘。
所述的胶瓶固定用束缚夹用于固定胶瓶及涂胶头，所述的实验台为胶合固化实验台。
所述的全自动涂胶器为可编程全自动点涂器，所述的全自动涂胶机实验台上方的下半模具与吸盘下端的上半模具配合使用，实现胶合。
一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术，采用上述增材制造设备，包括以下步骤：
步骤1，金属箔剪裁：
(1)建立待制备的金属结构件三维模型，根据Materialise Magics软件对三维模型进行离散化处理，设计分层切片，将切片剪裁路径导出到激光切割机的程序中，按设定的轨迹进行切割，获得可堆垛出金属结构件的具有复杂形状的金属箔切片，按照每层金属箔切片离散化形状，使用手柄记忆法，设定最终涂胶路线；
(2)取金属箔置于加工台表面，随传送带移动至激光剪裁区内，激光剪裁机按照计算机输出的剪裁路径进行激光剪裁，获得金属箔切片与废料，随传送带移动，进入分离工序；
步骤2，金属箔切片分离：
采用可旋转吸盘装置的下端未黏结上半模具的吸盘机械手，对金属箔切片进行吸附后，移动至涂胶固化成型工序；
步骤3，涂胶固化成型：
(1)将金属箔切片移动至全自动涂胶机实验台上方的下半模具内，下端黏结上半模具的吸盘机械手下压金属箔切片，至下半模具和上半模具合并后，完成第一片金属箔切片的曲面成型，生成第一片曲面形状的金属箔切片；
(2)移除上半模具，按照涂胶轨迹在第一片曲面形状的金属箔切片上表面进行涂胶；
(3)涂胶后，下端未黏结上半模具的吸盘机械手吸起第二片金属箔切片，与成型的第一片金属箔切片贴合后，通过下端黏结上半模具的吸盘机械手下压，完成第二片金属箔切片成型与胶合，继续按照涂胶轨迹，在第二片曲面形状的金属箔切片表面涂胶，依次重复该过程，实现金属箔切片与胶体的交替层层堆垛，制得金属结构件，其中：
所述的步骤3(2)和步骤3(3)中，涂胶速度为50-500mm/s，具体的：
当待涂胶金属箔切片厚度为0.01mm-1mm，涂胶速度为100-500mm/s；
当待涂胶金属箔切片厚度为1mm-5mm，涂胶速度为50-100mm/s；
当待涂胶金属箔切片厚度为5mm-10mm，涂胶速度≤50mm/s；
所述的步骤3(2)和步骤3(3)中，下端黏结上半模具的吸盘机械手下压速度为0.001-1mm/s，具体的：
当待变型金属箔切片厚度为0.01mm-0.03mm，下压速度为0.001-0.05mm/s；
当待变型金属箔切片厚度在0.03mm-0.06mm，下压速度为0.05-0.5mm/s；
当待变型金属箔切片厚度在0.06mm-10mm，下压速度为0.5-1mm/s；
并根据变型复杂程度，选择变型速度范围内的低点值，避免下压时速度过快导致复杂形状金属箔变形或发生错动；
所述的步骤3(1)和3(3)中，待变型金属箔切片在模具中的最大变形量根据金属箔厚度确定，具体的：
当待变型金属箔切片厚度在0.01mm-0.03mm，穿过待变型金属箔切片重心获得轴线，轴两侧金属箔切片所能成型的金属结构件最大变形角度为180度；所述的轴两侧金属箔切片均匀变型；
当待变型金属箔切片厚度在0.03mm-0.06mm，所能成型的金属结构件最大变形角度为90度；
当待变型金属箔切片厚度在0.06mm-10mm，只能进行层层堆垛，不能变形，防止撕裂。
所述的步骤1(1)中，金属箔切片为平面切片或曲面切片，当为曲面切片时，后续胶合时采用相应的曲面模具。
所述的步骤1(2)中，激光剪裁路径由计算机编程的切片形状控制。
所述的步骤1(2)中，金属箔厚度为0.01-10mm，所述的金属箔的长度、厚度由最终金属结构件的形状决定，所述的金属箔为金属箔片或金属箔带材，当为金属箔带材时，采用吸盘吸附移动至加工台，所述的金属箔带材长度为10-1000m。
所述的步骤1(2)中，金属箔材质基于金属结构件弯曲程度选择，当弯曲程度较大，选用韧性较好的金属箔进行制备；所述的金属箔厚度受使用环境限制，当不能更换材料时，适当减少金属箔厚度，增加金属箔数量，通过减薄单层厚度，增大胶合层数的配合，完成变形较大的任意形状结构件成型。
所述的步骤1(2)中，金属箔材质为纯金属或合金，具体包括Mg、Al、Sn、Zn、Cu、Ag、Au、Ti、Ni、Ti、Pt、W、Mo、Co、Fe纯金属及其合金与不锈钢；其中镁合金、铝合金不耐热，奥氏体不锈钢、Ti合金(TC4、TA15)耐热温度为300～400℃；镍基合金为高温合金，耐热温度为600～700℃。
所述的步骤1(2)中，金属箔材质为GH4033镍基高温合金、316L不锈钢或A356铝合金。
所述的步骤1(2)中，激光功率为10W，扫描速度为100m/s。
所述的步骤1(2)中，金属箔切片的剪裁方法根据待制备金属结构件形状选择，可采用嵌套方法，提高剪裁效率，例如剪裁环形金属箔切片。
所述的步骤1(2)中，加工台中央粘连在传送带上，避免传送带循环向下或翻转传送时加工台掉落，从而可以连续传送金属箔，形成自动生产线。
所述的步骤1(2)中，加工台基板为耐高温材料，具体为不锈钢、陶瓷、或者是有循环水冷的铜板，并通过调控激光功率在10W，以保证只切金属箔，避免切伤下方加工台基板。
所述的步骤2中，采用下端未黏结上半模具的吸盘机械手，调整矩形气孔开合，实现金属箔切片吸附移动。
所述的步骤2中，下端未黏结上半模具的吸盘机械手通过指定矩阵气孔(矩阵孔数控吸盘)，只吸起剪裁后的金属箔切片后，旋转置于下半模具中，再次旋转至下端黏结上半模具的吸盘机械手进行金属箔切片固化胶合时，下端未黏结上半模具的吸盘机械手再次吸起下一片金属箔切片，循环操作。
所述的步骤2中，金属箔切片被吸附后，废料随着传送带继续传递，直到垂直向下完成循环传递时，废料由于重力作用掉入到废料回收桶中，完成金属箔切片与金属箔废料的分离。
所述的步骤2中，传送带上方设有橡胶摩擦辊，以便于废料由于表面张力作用，难以自动掉下时，摩擦废料至下落，过程类似打印机卷入纸。
所述的步骤3中，当为无变形堆垛时，金属箔切片无需进行曲面成型，以平面切片直接下压进行涂胶与胶合操作后，直接成型。
所述的步骤3(2)中，全自动涂胶器会根据上传的轨迹，在金属箔切片上方进行涂胶。
所述的步骤3中，涂胶速度与待涂胶金属箔切片厚度有关，目的保证最终单层涂覆胶体厚度小于待涂胶金属箔厚度的1/10。
所述的步骤3中，待涂胶金属箔切片与待变型金属箔切片均指代金属箔切片，根据不同处理方式进行区别表述。
所述的步骤3(3)中，制备的金属结构件产品厚度为1-1000mm，长度为5-2000mm，例如成型的发动机叶片，可以是空心叶片，当为空心叶片时，激光切割时预留出曲线缝，类似剪纸工艺品，当为发动机中高温合金件，中间留有方便空气流过、具有散热冷却作用的孔道，金属结构件产品厚度范围<30mm；当为成型的大型齿轮或汽车轮毂，金属结构件产品厚度范围是1～1000mm。
所述的步骤3(2)中，采用的上吸盘下表面设置数控矩阵气孔，可根据调节不同位置气孔的闭合，从而只吸起金属箔切片，避免带起金属箔余料。
所述的步骤3(3)中，固化胶粘用胶根据待制备金属结构件使用环境温度限定进行选择，当为常温使用时，固化胶粘用胶为常规结构胶，当为高温使用时，固化胶粘用胶为YK-8909高温结构胶，耐热温度达1700℃，高温绝缘性好。
所述的步骤3(3)中，当制备的金属结构件尺寸较大，吸盘机械手尺寸无法覆盖金属箔切片时，采用压力机代替吸盘机械手，并避免胶固化前滑动，通过缓慢的加压变形过程获得所设计的形状，从而完成大型结构件的固化过程。
本发明的有益效果：
1、本发明的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术，利用金属箔的大变形能力，室温成型，无需熔化，不受热输入的影响，避免了热裂纹、气孔、球化缺陷的产生。
2、本发明利用的数字化激光剪裁机，可灵活的对不同厚度、不同位置的金属箔进行剪裁，配合模具可完成任意复杂形状金属结构件的成型，尤其适用于大型样件的制造，对现有技术中通过挤压工艺，辅以复杂设备进行型材的制备具有一定的替代能力。
3、本发明的全自动生产线，工序较少，生产周期短，成本低，废料可回收利用，清洁无污染、节能又环保。
4、本发明适用范围广，实验环境要求低，包括适用于宇航员太空实验室，根据需求成型所需金属结构件，海上舰船自我维修，航空工业发动机叶片制备(采用传统加工方式，需要80多道工序来完成，而采用本发明的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术，只需3道工序便可以成型，工序流程化繁为简)等。
附图说明：
图1为本发明实施例1的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备整体结构示意图；
图2为本发明实施例1的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法的剪裁工位的数字化激光剪裁过程图；
图3为本发明实施例1的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法的分离工位中的吸盘分离金属箔切片与废料的示意图；
图4为本发明实施例1的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备的可旋转吸盘装置局部结构示意图；
图5为本发明实施例1的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法的涂胶粘结固化工位过程图；
图6为本发明实施例1的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法的上模具与下模具固化示意图；
图7为本发明实施例1制备的发动机叶片金属结构件示意图；
图8为本发明实施例2的保温杯用带有空心层的单层金属箔切片示意图；
图9为本发明实施例2制备的保温杯结构示意图；
图10为本发明实施例3的车轮毂用单层金属箔切片示意图；
图11为本发明实施例3制备的车轮毂结构示意图；
图12为本发明实施例4的保温杯制备流程图；其中：
1-数字化编程计算机，2-激光剪裁机，3-机械手X轴，4-金属箔，5-加工台，6-机械手Y轴，7-激光束，8-激光剪裁路线，9-金属箔，10-金属箔废料，11-被吸盘吸起的成型金属箔切片，12-传送带，13-1下端未黏结上半模具的吸盘机械手，13-2下端黏结上半模具的吸盘机械手，14-伸缩轴，15-旋转轴，16-吸气孔，17-出气孔，18-吸盘底座，19-黏着在吸盘下表面的上半模具，20-全自动涂胶器Y轴，21-全自动涂胶器X轴，22-全自动涂胶器Z轴，23-胶瓶，24-束缚夹，25-涂胶头，26-下半模具，27-胶合固化实验台，28-全自动涂胶器，29-第一片曲面的金属箔切片，30-发动机叶片金属结构件，31-保温杯，32-保温杯空心层，33-轮毂，34-轮毂空心区，35-下外壳模具，36-下夹层模具，37-中间柱体模具，38-上夹层模具，39-上外壳模具，40-1下半层外层半圆形成型曲面，40-2下半层外层半圆形成型曲面，41-保温杯实体，42-真空层；a-保温杯外下半层固化，b-中停添加模具，c-保温杯整体固化过程，d-固化时的整体形状，e-打开外壳模具和抽出夹层模具后的保温杯实体。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备，包括传送带，所述的传送带表面固定有若干个加工台，所述的传送带侧方设有激光剪裁机，所述的激光剪裁机连接有机械手装置，所述的机械手装置设置于加工台上方，所述的机械手装置上设有可移动激光头，所述的机械手装置下方对应的加工台区域为激光剪裁区；
所述的传送带上方设有可旋转吸盘装置，所述的可旋转吸盘装置包括对称设置的两个吸盘机械手，分别为下端黏结上半模具的吸盘机械手和下端未黏结上半模具的吸盘机械手，所述的吸盘装置侧方设有全自动涂胶机，其中：
所述的全自动涂胶机包括涂胶机机械手装置，所述的涂胶机机械手装置包括X轴、Y轴和Z轴，所述的Z轴侧壁设有胶瓶固定用束缚夹，所述的Z轴下方设有实验台，所述的实验台上方设有下半模具。
所述的激光剪裁机连接有计算机，所述的计算机实现数字化编程控制剪裁机剪裁路径。
所述的计算机用于调整激光束的焦距、激光功率和扫描速度。
所述的激光剪裁机机械手装置包括机械手X轴和机械手Y轴，所述的机械手X轴和机械手Y轴为可滑动轴，所述的机械手Y轴与激光剪裁机垂直，所述的机械手Y轴与加工台移动方向垂直设置，所述的机械手X轴垂直设置于机械手Y轴上方；
所述的可移动激光头设置于机械手X轴上，所述的可移动激光头产生可旋转激光束，实现激光束旋转照射；
所述的可旋转吸盘装置包括旋转轴，所述的两个吸盘机械手对称设置于旋转轴两端，所述的旋转轴端部通过纵向伸缩杆与吸盘机械手连接；
所述的吸盘机械手下表面均设有矩阵吸气孔，所述的吸盘机械手上表面设有出气孔；
所述的可旋转吸盘装置包括底座，所述的旋转轴中心通过支撑杆与底座连接；
所述的吸盘机械手为全自动机械手气动吸盘；
所述的胶瓶固定用束缚夹用于固定胶瓶及涂胶头，所述的实验台为胶合固化实验台；
所述的全自动涂胶器为可编程全自动点涂器，所述的全自动涂胶机实验台上方的下半模具与吸盘下端的上半模具配合使用，实现胶合。
一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1，金属箔剪裁：
(1)建立待制备的金属结构件三维模型，根据Materialise Magics软件对三维模型进行离散化处理，设计分层切片，将切片剪裁路径导出到激光切割机的程序中，按设定的轨迹进行切割，获得可堆垛出金属结构件的具有复杂形状的金属箔切片，其中个，金属箔切片为平面切片或曲面切片，当为曲面切片时，后续胶合时采用相应的曲面模具，按照每层金属箔切片离散化形状，使用手柄记忆法，设定最终涂胶路线；
(2)取金属箔置于加工台表面，加工台基板为耐高温材料，具体为不锈钢、陶瓷、或者是有循环水冷的铜板，并通过调控激光功率在10W，以保证只切金属箔，避免切伤下方加工台基板，随传送带移动至激光剪裁区内，激光剪裁机按照计算机输出的剪裁路径进行激光剪裁，激光功率为10W，扫描速度为100m/s，获得金属箔切片与废料，随传送带移动，进入分离工序，其中：金属箔厚度为0.01-10mm，所述的金属箔的长度、厚度由最终金属结构件的形状决定，所述的金属箔为金属箔片或金属箔带材，当为金属箔带材时，采用吸盘吸附移动至加工台，所述的金属箔带材长度为10-1000m；金属箔材质基于金属结构件弯曲程度选择，当弯曲程度较大，选用韧性较好的金属箔进行制备；所述的金属箔厚度受使用环境限制，当不能更换材料时，适当减少金属箔厚度，增加金属箔数量，通过减薄单层厚度，增大胶合层数的配合，完成变形较大的任意形状结构件成型；具体的，金属箔材质为纯金属或合金，具体包括Mg、Al、Sn、Zn、Cu、Ag、Au、Ti、Ni、Ti、Pt、W、Mo、Co、Fe纯金属及其合金与不锈钢；其中镁合金、铝合金不耐热，奥氏体不锈钢、Ti合金(TC4、TA15)耐热温度为300～400℃；镍基合金为高温合金，耐热温度为600～700℃。
步骤2，金属箔切片分离：
采用可旋转吸盘装置的下端未黏结上半模具的吸盘机械手，调整矩形气孔开合，对金属箔切片进行吸附后，移动至涂胶固化成型工序；
所述的步骤2中，下端未黏结上半模具的吸盘机械手通过指定矩阵气孔(矩阵孔数控吸盘)，只吸起剪裁后的金属箔切片后，旋转置于下半模具中，再次旋转至下端黏结上半模具的吸盘机械手进行金属箔切片固化胶合时，下端未黏结上半模具的吸盘机械手再次吸起下一片金属箔切片，循环操作。
其中：金属箔切片被吸附后，废料随着传送带继续传递，直到垂直向下完成循环传递时，废料由于重力作用掉入到废料回收桶中，完成金属箔切片与金属箔废料的分离；传送带上方设有橡胶摩擦辊，以便于废料由于表面张力作用，难以自动掉下时，摩擦废料至下落，过程类似打印机卷入纸。
步骤3，涂胶固化成型：
(1)将金属箔切片移动至全自动涂胶机实验台上方的下半模具内，下端黏结上半模具的吸盘机械手下压金属箔切片，至下半模具和上半模具合并后，完成第一片金属箔切片的曲面成型，生成第一片曲面形状的金属箔切片；
(2)移除上半模具，按照涂胶轨迹在第一片曲面形状的金属箔切片上表面进行涂胶；
(3)涂胶后，下端未黏结上半模具的吸盘机械手吸起第二片金属箔切片，与成型的第一片金属箔切片贴合后，通过下端黏结上半模具的吸盘机械手下压，完成第二片金属箔切片成型与胶合，继续按照涂胶轨迹，在第二片曲面形状的金属箔切片表面涂胶，依次重复该过程，实现金属箔切片与胶体的交替层层堆垛，制得金属结构件，制备的金属结构件产品厚度为1-1000mm，长度为5-2000mm，例如成型的发动机叶片，可以是空心叶片，当为空心叶片时，激光切割时预留出曲线缝，类似剪纸工艺品，当为发动机中高温合金件，中间留有方便空气流过、具有散热冷却作用的孔道，金属结构件产品厚度范围<30mm；当为成型的大型齿轮或汽车轮毂，金属结构件产品厚度范围是1～1000mm；
其中：
所述的步骤3(2)和步骤3(3)中，涂胶速度为50-500mm/s，具体的：
当待涂胶金属箔切片厚度为0.01mm-1mm，涂胶速度为100-500mm/s；
当待涂胶金属箔切片厚度为1mm-5mm，涂胶速度为50-100mm/s；
当待涂胶金属箔切片厚度为5mm-10mm，涂胶速度≤50mm/s；
上述涂胶速度与待涂胶金属箔切片厚度有关，目的保证最终单层涂覆胶体厚度小于待涂胶金属箔厚度的1/10；
所述的步骤3(2)和步骤3(3)中，下端黏结上半模具的吸盘机械手下压速度为0.001-1mm/s，具体的：
当待变型金属箔切片厚度为0.01mm-0.03mm，下压速度为0.001-0.05mm/s；
当待变型金属箔切片厚度在0.03mm-0.06mm，下压速度为0.05-0.5mm/s；
当待变型金属箔切片厚度在0.06mm-10mm，下压速度0.5-1mm/s；
并根据变型复杂程度，选择变型速度范围内的低点值，避免下压时速度过快导致复杂形状金属箔变形或发生错动；
所述的步骤3(1)和3(3)中，待变型金属箔切片在模具中的最大变形量根据金属箔厚度确定，具体的：
当待变型金属箔切片厚度在0.01mm-0.03mm，穿过待变型金属箔切片重心获得轴线，轴两侧金属箔切片所能成型的金属结构件最大变形角度为180度；所述的轴两侧金属箔切片均匀变型；
当待变型金属箔切片厚度在0.03mm-0.06mm，所能成型的金属结构件最大变形角度为90度；
当待变型金属箔切片厚度在0.06mm-10mm，只能进行层层堆垛，不能变形，防止撕裂，当为无变形堆垛时，金属箔切片无需进行曲面成型，以平面切片直接下压进行涂胶与胶合操作后，直接成型。
以下实施例中采用的激光剪裁机为LION系列大族智能高功率光纤激光切割机，配置HANS自动调焦切割头；
全自动机械手气动吸盘型号为BK-BNL-04；
全自动涂胶器型号为HLLS-5661；
固化粘结的胶为YK-8909高温结构胶，耐热温度达1700℃，高温绝缘性好。
实施例1
一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备，其整体结构示意图如图1所，包括传送带12，所述传送带可以调控传送速度、循环流动，所述传送带上粘有等距多个不锈钢板加工台5，所述传送带中央位置放有激光剪裁机2，所述激光剪裁机实验区可由传送带通过，所述激光剪裁机带有可数字化编程或上传剪裁路线的计算机1，所述激光剪裁机带有机械手装置3、6，所述的机械手装置包括X轴3和Y轴6，所述X轴和Y轴为可滑动轴，所述机械手X轴带有方向可旋转的激光束7，所述传送带侧边放有可旋转吸盘，其装置局部结构示意图如图4所示，包括下端未黏结上半模具的吸盘机械手13-1，和下端黏结上半模具的吸盘机械手13-2，所述吸盘机械手带有旋转轴15，所述旋转轴里设有伸缩轴14，所述机械手可调控旋转角度及伸缩高度，所述机械手下表面设有矩阵吸气孔16，所述机械手上端设有出气孔17，可旋转吸盘包括有吸盘底座18，所述机械手13-1下端设有黏着在吸盘下表面的上半模具19，所述吸盘侧边放有一全自动涂胶器28，所述涂胶器带有机械手装置20-23，所述的机械手装置包括X轴21，Y轴20和Z轴22，三者均为可滑动轴，所述机械手Z轴带有束缚夹24，所述束缚夹24固有胶瓶23及涂胶头25，所述涂胶头25下方设有实验台27，所述实验台27上方粘有下半模具26。
采用上述装置，进行金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造发动机叶片：
使用图1的带有传送带12按垂直于加工台5方向循环传送，结合全自动吸盘13的装置完成循环生产线的操作。
剪裁工位的数字化激光剪裁过程图如图2所示，在加工台5中心放入15×10×0.25mm3、厚度为0.025mm的GH4033镍基高温合金金属箔，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留5s，通过数字化编程计算机1上传叶片加工路线8，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s，完成发动机叶片前期剪裁，传送带接着运转将金属箔传送到分离工位，继续停留5s，全自动机械手气动吸盘13会通过调节矩阵吸气孔16，吸起金属箔切片11，在传送带停留的5s里完成下一个金属箔4的切割，当传送带再次启动后多余的金属箔废料10会随传送带垂直传送时掉落到废料回收箱中进行回收，分离工位中的吸盘分离金属箔切片与废料的示意图如图3所示。
在分离工位的5s中，吸盘13首先会通过伸缩轴14向下吸起金属箔切片11，通过旋转轴15逆时针旋转90度，将金属箔切片转到涂胶粘结固化工位，再顺时针旋转180度，此时带有上半模具19的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具26闭合在一起，下压速度为0.001mm/s，完成第一片金属箔切片11的曲面成型，获得第一片曲面的金属箔切片29，所述的曲面为不规则曲面，曲面最大弯曲角度为120度，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。
在下一个金属箔切片被传送来之前需要完成涂胶粘结固化工作。涂胶粘结固化工位过程图如图5所示，首先通过全自动涂胶器Y轴20及X轴21，将涂胶头25定位到金属箔切片11正上方，经过三个机械轴将高温结构胶蛇形走位涂抹在整个金属箔切片11上，涂胶速度为500mm/s，厚度为0.0025mm，再归位退到胶合固化实验台27后面，当第二片金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个金属箔切片11的位置，此时带有上半模具19的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具26闭合在一起，完成第二片金属箔切片的曲面成型及与第一片金属箔切片的固化后，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作，上模具与下模具固化示意图如图6所示。
循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位200次，形成一层金属片、一层胶水的复合样品，冷却后完完成厚度为5.5mm发动机叶片金属结构件30的增材制造，制备的发动机叶片金属结构件示意图如图7所示。因其考核标准主要集中在长度方向上的拉伸性能，所以经拉伸测试其在600℃与堆垛方向垂直的力学性能与本实施例相同成分的GH4033镍基高温合金常规铸造态性能对比数据如下表1所示。
表1
Figure BDA0002589724270000111
实施例2
本实施例的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术的装置结构同实施例1。
金属箔切片的增材制造过程同实施例1，区别在于，将GH4033镍基高温合金金属箔换成316L不锈钢金属箔，来进行保温杯的增材制造实验。
实验环境与实施例1相同，在加工台中心放入直径为100mm厚度为10mm的316L不锈钢金属箔，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留8s，通过数字化编程计算机上传的加工路线，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s，剪裁出保温杯用带有空心层的单层金属箔切片，其结构示意图如图8所示，外径为100mm，内径为60mm，中心空腔厚度为2mm，空腔为非连通状态，端部包括有杯把用实心端头，传送带接着运转将金属箔切片传送到分离工位，继续停留8s，全自动机械手气动吸盘会通过调节矩阵吸气孔，吸起金属箔切片，通过旋转轴逆时针旋转90度，将金属箔切片转到涂胶粘结固化工位，再顺时针旋转180度，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，下压速度为1mm/s，完成第一片金属箔切片成型，金属箔切片无弯曲，吸盘再逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。下一个样品被传送来之前，首先通过全自动涂胶器Y轴及X轴，将涂胶头定位到金属箔切片正上方，经过三个机械轴将蛇形涂抹在整个金属箔切片上，涂胶速度为30mm/s，厚度为1mm，再归位退到胶合固化实验台后面，当第二片金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个金属箔切片的位置，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，完成第二片金属箔切片的曲面成型及与第一片金属箔切片的固化后，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位20次，形成一层金属片、一层胶水的复合样品，完成高度为220mm保温杯的增材制造，制备的保温杯结构示意图如图9所示。其室温下与堆垛方向垂直的力学性能数与本实施例相同成分的316L不锈钢常规铸造态性能对比据如下表2所示。
表2
Figure BDA0002589724270000121
实施例3
本实施例的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术的装置结构同实施例1。
金属箔切片的增材制造过程同实施例1，区别在于，将GH4033镍基高温合金金属箔换成A356铝合金金属箔，来进行轮毂的增材制造实验。
实验环境与实施例1相同，在加工台中心放入直径为550mm厚度为2mm的A356铝合金金属箔，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留10s，通过数字化编程计算机上传的加工路线，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s，剪裁出轮毂的空心区，获得车轮毂用单层金属箔切片示意图如图10所示，传送带接着运转将金属箔传送到分离工位，继续停留10s，全自动机械手气动吸盘会通过调节矩阵吸气孔，吸起金属箔切片，通过旋转轴逆时针旋转90度，将金属箔切片转到涂胶粘结固化工位，再顺时针旋转180度，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，下压速度为0.8mm/s，完成第一片金属箔切片成型，金属箔切片无弯曲，吸盘再逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。下一个样品被传送来之前，首先通过全自动涂胶器Y轴及X轴，将涂胶头定位到金属箔切片正上方，经过三个机械轴将胶水蛇形涂抹在整个金属箔切片上，涂胶速度为80mm/s，厚度为0.2mm，再归位退到胶合固化实验台后面，当第二片金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个金属箔切片的位置，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，完成第二片金属箔切片的曲面成型及与第一片金属箔切片的固化后，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位100次，形成一层金属片、一层胶水的复合样品，完成厚度为220mm轮毂的增材制造，制备的车轮毂结构示意图如图11所示。其室温下与堆垛方向垂直的力学性能与本实施例相同成分的A356铝合金常规铸造态性能对比数据如下表3所示。
表3
Figure BDA0002589724270000131
实施例4
本实施例的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造技术的装置结构同实施例2。
金属箔切片的增材制造过程同实施例2，区别在于，采用两瓣式夹层模具来进行保温杯的增材制造实验。所述的下半模具包括带有半圆形凹槽的下外壳模具，所述的上半模具包括下夹层模具，中间柱体模具，上夹层模具和上外壳模具，所述的各上半模具根据下压进程更换性使用。
实验环境与实施例2相同，在加工台中心放入厚度为0.06mm的316L不锈钢金属箔片，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留8s，通过数字化编程计算机上传的加工路线，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s扫描速度逐个剪裁出保温杯下半层外层半圆形曲面成型用金属箔片、保温杯下半层内层半圆形曲面成型用金属箔片、上半层外层半圆形曲面成型用金属箔片、上半层内层半圆形曲面成型用金属箔片，以及实心端头成型用矩形金属箔片，保温杯制备流程图如图12所示，传送带接着运转将金属箔切片传送到分离工位，继续停留8s，全自动机械手气动吸盘会通过调节矩阵吸气孔，吸起保温杯下半层半圆形曲面成型用金属箔切片，过旋转轴逆时针旋转90度，将被吸盘吸起的成型金属箔切片11通转到涂胶粘结固化工位内的下外壳模具35，再顺时针旋转180度，此时带有下夹层模具36的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下外壳模具35闭合在一起，下压速度为0.06mm/s，完成第一片金属箔切片成型，获得第一片曲面的金属箔切片29，最大弯曲角度为90度，吸盘再逆时针旋转90度后带着下夹层模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个保温杯下半层半圆形曲面成型用金属箔切片的分离工作。下一个样品被传送来之前，首先通过全自动涂胶器Y轴及X轴，将涂胶头定位到金属箔切片正上方，经过三个机械轴将蛇形涂抹在整个保温杯下半层半圆形曲面成型用金属箔切片上，涂胶速度为300mm/s，厚度为0.006mm，再归位退到胶合固化实验台后面，当第二片保温杯下半层半圆形曲面成型用金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个保温杯下半层半圆形曲面成型用金属箔切片的位置，此时带有下夹层模具36(厚度为2mm)的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，完成第二片金属箔切片的曲面成型及与第一片金属箔切片的固化后，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作，保温杯外下半层固化如图a所示。循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位20次后，暂停循环，完成保温杯下半层外层半圆形曲面成型，下夹层模具固定置于保温杯下半层外层半圆形成型曲面上，中停添加模具如图b所示；吸盘安装中间柱体模具37，继续循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位15次，完成保温杯下半层内层半圆形曲面成型，获得下半层外层半圆形成型曲面40-1和下半层内层半圆形成型曲面40-2，并进行实心端头成型用矩形金属箔片黏结固化，获得中间有真空夹层的杯体下半层，再将中间柱体模具37放置到固化工位中，通过上夹层模具与上外壳模具39配合，同理完成杯体上半层的制备，保温杯整体固化过程如图c所示，最后固化时的整体形状如图d所示，脱模后完成直径为100mm的保温杯增材制造，打开外壳模具和抽出夹层模具后的保温杯实体如图e所示。其室温下与堆垛方向垂直的力学性能与本实施例相同成分的316L不锈钢常规铸造态性能对比数据如下表2所示。
表4
Figure BDA0002589724270000151
对比例1
金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法同实施例1，区别在于，本例采用厚度为2mm厚的GH4033镍基高温合金金属箔制备发动机叶片。具体方案如下：
在加工台中心放入15×10×0.25mm3、厚度为2mm的GH4033镍基高温合金金属箔，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留5s，通过数字化编程计算机上传的加工路线，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s，剪裁出轮毂的空心区，传送带接着运转将金属箔传送到分离工位，继续停留10s，全自动机械手气动吸盘会通过调节矩阵吸气孔，吸起金属箔切片，通过旋转轴逆时针旋转90度，将金属箔切片转到涂胶粘结固化工位，再顺时针旋转180度，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，下压速度为0.001mm/s，完成第一片金属箔切片成型，金属箔切片最大弯曲角度为120度，吸盘再逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。下一个样品被传送来之前，首先通过全自动涂胶器Y轴及X轴，将涂胶头定位到金属箔切片正上方，经过三个机械轴将胶水蛇形涂抹在整个金属箔切片上，涂胶速度为500mm/s，厚度为0.2mm，再归为退到胶合固化实验台后面，当第二片金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个金属箔切片的位置，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，完成第二片金属箔切片的曲面成型及与第一片金属箔切片的固化后，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位2次，形成一层金属片、一层胶水的复合样品，完成厚度为4.4mm叶片的增材制造。由于金属箔过厚导致在模具中挤压形成曲面时出现了裂纹，未达到标准。
对比例2
金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法同实施例1，区别在于，本例采用先涂胶、粘结后固化成型的顺序制备发动机叶片。具体方案如下：
在加工台中心放入15×10×0.25mm3、厚度为0.025mm的GH4033镍基高温合金金属箔，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留5s，通过数字化编程计算机上传的加工路线，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s，剪裁出轮毂的空心区，传送带接着运转将金属箔传送到分离工位，继续停留10s，全自动机械手气动吸盘会通过调节矩阵吸气孔，吸起金属箔切片，通过旋转轴逆时针旋转90度，将金属箔切片转到涂胶粘结固化工位，再顺时针旋转90度复位，通过全自动涂胶器Y轴及X轴，将涂胶头定位到金属箔切片正上方，经过三个机械轴将胶水蛇形涂抹在整个金属箔切片上，涂胶速度为500mm/s，厚度为0.0025mm，再归位退到胶合固化实验后面，当第二片金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个金属箔切片的位置万层涂胶粘结工位，吸盘再顺时针旋转90度，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，下压速度为0.001mm/s，完成粘结后的曲面成型，金属箔最大弯曲角度接近120度，吸盘再逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位200次，形成一层金属片、一层胶水的复合样品，完成厚度为5.5mm叶片的增材制造。由于金属箔涂先进行了涂胶粘结工位，再进行曲面成型的固化工作时较为困难，在弯曲度较大的地方金属箔难以错动变形，出现了折断，导致材料未达到标准。
对比例3
金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造设备及方法同实施例1，区别在于，本例采用模具下压速度为0.5mm/s来制备发动机叶片。具体方案如下：
在加工台中心放入15×10×0.25mm3、厚度为0.025mm的GH4033镍基高温合金金属箔，通过传送带以0.1m/s的速度进行传送，传送到激光剪裁机中心停留5s，通过数字化编程计算机上传的加工路线，激光功率为10W，扫描速度为100mm/s，剪裁出轮毂的空心区，传送带接着运转将金属箔传送到分离工位，继续停留10s，全自动机械手气动吸盘会通过调节矩阵吸气孔，吸起金属箔切片，通过旋转轴逆时针旋转90度，将金属箔切片转到涂胶粘结固化工位，再顺时针旋转180度，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，下压速度为0.5mm/s，完成第一片金属箔切片成型，金属箔最大弯曲角度接近120度，吸盘再逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。下一个样品被传送来之前，首先通过全自动涂胶器Y轴及X轴，将涂胶头定位到金属箔切片正上方，经过三个机械轴将胶水蛇形涂抹在整个金属箔切片上，涂胶速度为500mm/s，厚度为0.025mm，再归位退到胶合固化实验台后面，当第二片金属箔切片被吸盘传送过来时，落在上一个金属箔切片的位置，此时带有上半模具的那只机械手会转到涂胶粘结固化工位，下压与下半模具闭合在一起，完成第二片金属箔切片的曲面成型及与第一片金属箔切片的固化后，吸盘在逆时针旋转90度后带着上半模具离开涂胶粘结固化工位，并准备下一个金属箔切片的分离工作。循环以上剪裁工位、分离工位及涂胶粘结固化工位200次，形成一层金属片、一层胶水的复合样品，完成厚度为5.5mm叶片的增材制造。由于模具下压速度过快导致在金属箔切面挤压形成曲面时，尖端变形较大的位置出现了撕裂，未达到标准。

Claims (9)

1.一种金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，采用增材制造设备完成，所述的设备包括传送带，所述的传送带表面固定有若干个加工台，所述的传送带侧方设有激光剪裁机，所述的激光剪裁机连接有机械手装置，所述的机械手装置设置于加工台上方，所述的机械手装置上设有可移动激光头，所述的机械手装置下方对应的加工台区域为激光剪裁区；
所述的传送带上方设有可旋转吸盘装置，所述的可旋转吸盘装置包括对称设置的两个吸盘机械手，分别为下端黏结上半模具的吸盘机械手和下端未黏结上半模具的吸盘机械手，所述的可旋转吸盘装置侧方设有全自动涂胶机，其中：
所述的全自动涂胶机包括涂胶机机械手装置，所述的涂胶机机械手装置包括X轴、Y轴和Z轴，所述的Z轴侧壁设有胶瓶固定用束缚夹，所述的Z轴下方设有实验台，所述的实验台上方设有下半模具；
所述的方法包括以下步骤：
步骤1，金属箔剪裁：
(1)建立待制备的金属结构件三维模型，对三维模型进行离散化处理，设计分层切片，将切片剪裁路径导出到激光剪裁机的程序中，按设定的轨迹进行切割，获得可堆垛出金属结构件的具有复杂形状的金属箔切片，按照每层金属箔切片离散化形状，使用手柄记忆法，设定最终涂胶轨迹；
(2)取金属箔置于加工台表面，随传送带移动至激光剪裁区内，激光剪裁机按照计算机输出的剪裁路径进行激光剪裁，获得金属箔切片与废料，随传送带移动，进入分离工序；
步骤2，金属箔切片分离：
采用可旋转吸盘装置的下端未黏结上半模具的吸盘机械手，对金属箔切片进行吸附后，移动至涂胶固化成型工序；
步骤3，涂胶固化成型：
(1)将金属箔切片移动至全自动涂胶机实验台上方的下半模具内，下端黏结上半模具的吸盘机械手下压金属箔切片，至下半模具和上半模具合并后，完成第一片金属箔切片的曲面成型，生成第一片曲面形状的金属箔切片；
(2)移除上半模具，按照涂胶轨迹在第一片曲面形状的金属箔切片上表面进行涂胶；
(3)涂胶后，下端未黏结上半模具的吸盘机械手吸起第二片金属箔切片，与成型的第一片曲面形状的金属箔切片贴合后，通过下端黏结上半模具的吸盘机械手下压，完成第二片金属箔切片成型与胶合，继续按照涂胶轨迹，在第二片曲面形状的金属箔切片表面涂胶，依次重复该过程，实现金属箔切片与胶体的交替层层堆垛，制得金属结构件，其中：
所述的步骤3(2)和步骤3(3)中，涂胶速度为50-500 mm/s，具体的：
当待涂胶金属箔切片厚度为0.01mm-1mm，涂胶速度为100-500 mm/s；
当待涂胶金属箔切片厚度为1mm-5mm，涂胶速度为50-100 mm/s；
当待涂胶金属箔切片厚度为5mm-10mm，涂胶速度≤50 mm/s；
所述的步骤3(1)和步骤3(3)中，下端黏结上半模具的吸盘机械手下压速度为0.001-1mm/s，具体的：
当待变型金属箔切片厚度为0.01mm-0.03mm，下压速度为0.001-0.05 mm/s；
当待变型金属箔切片厚度在0.03mm-0.06mm，下压速度为0.05-0.5 mm/s；
当待变型金属箔切片厚度在0.06mm-10mm，下压速度为0.5-1 mm/s；
并根据变型复杂程度，选择变型速度范围内的低点值，避免下压时速度过快导致复杂形状金属箔切片变形或发生错动；
所述的步骤3(1)和3(3)中，待变型金属箔切片在模具中的最大变形量根据金属箔厚度确定，具体的：
当待变型金属箔切片厚度在0.01mm-0.03mm，穿过待变型金属箔切片重心获得轴线，轴两侧金属箔切片所能成型的金属结构件最大变形角度为180°；所述的轴两侧金属箔切片均匀变型；
当待变型金属箔切片厚度在0.03mm-0.06mm，所能成型的金属结构件最大变形角度为90°；
当待变型金属箔切片厚度在0.06mm-10mm，只能进行层层堆垛，不能变形，防止撕裂。
2.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于：
所述的激光剪裁机连接有计算机，所述的计算机实现数字化编程控制激光剪裁机剪裁路径，所述的计算机用于调整激光束的焦距、激光功率和扫描速度；
所述的激光剪裁机机械手装置包括机械手X轴和机械手Y轴，所述的机械手X轴和机械手Y轴为可滑动轴，所述的机械手Y轴与激光剪裁机垂直，所述的机械手Y轴与加工台移动方向垂直设置，所述的机械手X轴垂直设置于机械手Y轴上方。
3.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于：
所述的可移动激光头设置于机械手X轴上，所述的可移动激光头产生可旋转激光束，实现激光束旋转照射；
所述的可旋转吸盘装置包括旋转轴，所述的两个吸盘机械手对称设置于旋转轴两端，所述的旋转轴端部通过纵向伸缩杆与吸盘机械手连接，所述的吸盘机械手下表面均设有矩阵吸气孔，所述的吸盘机械手上表面设有出气孔；
所述的吸盘机械手为全自动机械手气动吸盘。
4.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，根据Materialise Magics软件对三维模型进行离散化处理。
5.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中：金属箔厚度为0.01-10mm，金属箔材质为纯金属或合金。
6.根据权利要求5所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，金属箔材质为GH4033镍基高温合金、316L不锈钢或A356铝合金。
7.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，激光功率为10W，扫描速度为100m/s。
8.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，通过控制涂胶速度，保证最终单层涂覆胶体厚度小于待涂胶金属箔切片厚度的1/10。
9.根据权利要求1所述的金属箔数控剪裁胶合直接成型增材制造方法，其特征在于，所述的步骤3(3)中，制备的金属结构件产品厚度为1-1000mm，长度为5-2000mm；当为常温使用时，固化胶粘用胶为常规结构胶，当为高温使用时，固化胶粘用胶为YK-8909高温结构胶。
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CN114535670B (zh) * 2022-03-21 2022-07-12 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种弱刚度易氧化微小t型零件的高表面质量加工方法

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CN201437186U (zh) * 2009-07-10 2010-04-14 东莞市博世机电设备有限公司 全自动商标激光切割机
EP3061032A4 (en) * 2013-10-25 2017-10-11 CPI Card Group -Colorado, Inc. Multi-metal layered card
CN105711084B (zh) * 2014-08-06 2019-05-10 深圳市微航磁电技术有限公司 一种薄膜材质为原料的3d彩色激光打印机
CN104551416A (zh) * 2014-12-31 2015-04-29 苏州凯锝微电子有限公司 一种适用于晶圆的切割装置
CN107790329A (zh) * 2017-10-27 2018-03-13 珠海市博杰电子有限公司 一种高速高精密点胶机
CN111050495B (zh) * 2018-10-12 2023-01-13 擎声自动化科技（上海）有限公司 多层厚铜板的内层制作方法
CN209971265U (zh) * 2019-05-14 2020-01-21 合肥硕美密胺制品有限公司 一种易于进行商标贴标的密胺餐具压塑机

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