CN112705820A

CN112705820A - 增材制造打印系统用的锤压装置及增材制造打印系统

Info

Publication number: CN112705820A
Application number: CN202011511631.1A
Authority: CN
Inventors: 张国瑜; 李午红; 邢飞; 王传强
Original assignee: Nanjing Zhongke Raycham Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Zhongke Raycham Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112705820B

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及增材制造打印系统用的锤压装置及增材制造打印系统，包括：用于在基板上打印形成鱼鳞状熔覆层的熔覆部件；耦合到所述熔覆部件并与熔覆部件保持一个凝固间距的锤头，锤头被设置成可上下运动，以对基板上成型的鱼鳞状熔覆层锤压；凝固间距被定义为覆熔部件与刚凝固的最邻近的鱼鳞纹之间的间距；锤头下端的锤压面被设置成与熔覆层上鱼鳞纹形状相仿的弧形形态。针对熔覆层鱼鳞纹形状，通过调节锤击频率配合半圆弧式锤头，有效的对熔覆层进行锤击，提高熔覆层表面平整度，且降低熔覆层内部气孔率，提高打印件的力学性能。

Description

增材制造打印系统用的锤压装置及增材制造打印系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及增材制造打印系统用的锤压装置及增材制造打印系统。

背景技术

金属增材制造技术按热源类型可分为3类，分别为激光、电子束和电弧增材制造。激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术是通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，现已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖技术领域部分关键零部件，但由于其原材料、热源特点，金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形，其原材料、时间成本很高，具有诸多不足之处：(1)对于激光热源，其成形速率慢、铝合金对激光的吸收率低等；(2)对于电子束热源，真空炉体尺寸对构件体积的限制；(3)粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。

基于上述原因，现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性，为了应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求，基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到部分学者关注。电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工。

目前，电弧增材制造的压力装置为大型辊轮机，在打印过程结束后通过辊轮在熔覆层上进行辊压，此方法对复杂型结构无法实现，且辊压精度较差，不能与熔覆层进行良好贴合，极易造成熔覆层压偏、压裂的现象，因此，出现了锤压的方案，但现有技术中的锤压机构只是对熔覆层表面单纯的敲打，具体锤压效果不明显。

现有技术文献：

专利文献1：CN108340047A一种锤击强化电弧增材制造铝镁合金结构件的方法

专利文献2：CN108176913A电磁场与受迫加工复合辅助的电弧增材制造方法与设备

发明内容

本发明目的在于提供增材制造打印系统用的锤压装置及增材制造打印系统，能在熔覆层刚刚凝固后，使用与鱼鳞纹仿形的弧形锤头针对性的对鱼鳞纹进行锤压，将熔覆层中的气孔压出，并保持锤压后的熔覆层表面平整，提高打印件成形效果及其力学性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种增材制造打印系统，包括：

用于在基板上打印形成鱼鳞状熔覆层的熔覆部件；

耦合到所述熔覆部件并与熔覆部件保持一个凝固间距的锤头，所述锤头被设置成可被驱动而沿着垂直于所述基板平面的方向上下运动，以对基板上成型的鱼鳞状熔覆层进行锤压；所述凝固间距被定义为覆熔部件与刚凝固的最邻近的鱼鳞纹之间的间距；

其中，锤头下端的锤压面被设置成与熔覆层上鱼鳞纹形状相仿的弧形形态。

优选地，所述熔覆部件为支持同轴送丝或者旁轴送丝打印的电弧焊枪，或者为高频线圈送丝熔覆部件。

优选地，所述熔覆部件和锤头均耦合到同一机床，或者机械手上。

优选地，所述打印系统还包括驱动装置，用于驱动所述锤头运动以改变锤头相对于熔覆部件的角度位置和/或相对距离。

优选地，所述打印系统还包括与所述锤头连接形成整体的锤压控制器和连杆，锤头连接到所述连杆上，锤压控制器用于驱动所述连杆与锤头沿着垂直于基板平面的方向作同步上下运动。

优选地，所述锤压控制器还被设置用于以设定的频率、压深和压力对每个熔覆层上鱼鳞纹锤压，并且每个熔覆层上鱼鳞纹被锤压一次。

优选地，所述锤压控制器包括液压缸、活塞、活塞杆以及液压驱动控制机构，液压驱动控制机构用于控制液压缸内压力变化以驱动活塞和活塞杆的直线往复运动，从而带动与活塞杆连接的所述连杆同步运动。

优选地，所述锤头可拆卸的安装到连杆的底部位置。

优选地，所述锤压控制器被设置成按照下述方式控制锤压频率：

令覆熔速度为V，鱼鳞纹间距为L，则锤压频率f控制为V/L。

根据本发明的改进，还提出一种增材制造打印系统用的锤压装置，包括：

耦合到增材制造打印系统的熔覆部件并与熔覆部件保持一个凝固间距的锤头，所述锤头被设置成可被驱动而沿着垂直于所述基板平面的方向上下运动，以对基板上成型的鱼鳞状熔覆层进行锤压；所述凝固间距被定义为覆熔部件与刚凝固的最邻近的鱼鳞纹之间的间距；

其中，锤头下端的锤压面被设置成与熔覆层上的鱼鳞纹形状相仿的弧形形态。

优选地，锤压装置还包括驱动装置，用于驱动所述锤头运动以改变锤头相对于熔覆部件的角度位置和/或相对距离。

优选地，所述锤压装置还包括与所述锤头连接形成整体的锤压控制器和连杆，锤头连接到所述连杆上，锤压控制器用于驱动所述连杆与锤头沿着垂直于基板平面的方向作同步上下运动。

优选地，所述驱动装置耦合到用于安装固定熔覆部件的机床或者机械手上

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是本发明增材制造打印系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中锤头的控制原理框图

图3是本发明实施例中覆熔部件和锤头在鱼鳞纹上的作用时序图；

图4是本发明实施例中锤头的结构示意图；

图5a-5c是不同锤头锤压焊道时的示意图；

图6是本发明实施例1锤击前后的力学性能对比示意图；

图7是本发明实施例2锤击前后的力学性能对比示意图；

图8是本发明实施例3锤击前后的力学性能对比示意图；

图9是本发明实施例4锤击前后的力学性能对比示意图。

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用于增材制造的锤压装置及方法来实施，这是因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。

现有技术在电弧增材制造过程中，在焊道上打印形成鱼鳞纹状熔覆层后，通过普通压头进行轧压，例如平整的压头或者辊轮，此时将导致多个鱼鳞纹共同受力且重复受力，这样重复轧压受力使得熔覆层容易变形，而辊压压头施压时，多个鱼鳞纹持续受力，内部应力无法释放，导致内部组织改善不明显而且容易引入新的应力集中，造成性能下降。本发明旨在实现，单独的对每个鱼鳞纹进行独立的锤压，并且对每个鱼鳞纹仅仅锤压一次，使每一个鱼鳞纹均匀受力，在锤压过程中不会对其他鱼鳞纹和组织造成影响，由此，对熔覆层起到良好的去应力效果，保护熔覆层不会受压力影响而变形。而采用刚刚凝固位置锤击，有效去除气孔，保证成型质量，以提高力学性能。

本发明结合边覆熔边锤压的方式，减少增材加工时间。

结合图1所示，本实施例中提供的一种基于鱼鳞纹状锤头进行边熔覆边锤压的增材制造系统，以图1所示的电弧熔丝增材制造为例，其中标号1表示电弧焊枪作为熔覆部件，在在增材制造打印过程可采用通轴送丝或者旁轴送丝方式。

如图1所示的增材制造系统还包括锤头5，与电弧焊枪1耦合并且二者之间保持一定距离，在电弧焊枪1沿着预定的打印路径在基板10上进行熔覆加工时，锤头5沿着预定的路径并与与电弧焊枪1联动地同步运动，以此，锤头5作为与电弧焊枪1联动的锤压装置的主体，对打印凝固的鱼鳞状熔覆层20进行锤压。

本发明的实施例中，结合图4所示，锤头5被设置成与鱼鳞纹仿形的弧形压头，锤头下端的锤压面被设置成与焊道上鱼鳞纹形状相仿。如此，锤头5单独的对每个鱼鳞纹锤压，使熔覆层的每一个鱼鳞纹均匀受力，由此，对熔覆层起到了良好的去应力效果，保护熔覆层不会受压力影响而变形；在刚刚凝固位置锤击，有效去除气孔，保证成型质量。

在可选的实施例中，锤头5还可以被配置通过驱动装置驱动做旋转、平移或者升降运动，尤其是围绕覆熔部件1为中心运动，例如改变锤头相对于电弧焊枪1的角度位置和相对距离。

如此，一方面，通过距离变化可调节二者之间的凝固间距，凝固间距被定义为覆熔部件与刚凝固的最邻近的鱼鳞纹之间的间距，可根据不同的熔覆材料的凝固时间来确定凝固间距，例如通过初试打印进行观察和测试而确定间距。本发明的实施例中，示例性的以五个鱼鳞纹的间距为例进行说明，即，锤头5与覆熔部件1之间在增材轨迹上始终保持五个鱼鳞纹的间距，依此方式，结合图3所示的打印时序和锤压时序控制，当覆熔部件1首次增材时打印完五个鱼鳞纹时，当打印第六个鱼鳞纹时，锤头5才能开始锤压，然后依次跟随覆熔部件1在打印路径上移动，实现边打印边锤压，图示中T1,T2,T3,…,Tn表示打印形成第n个鱼鳞纹熔覆层的时序，t1,t2,t3,…,tn表示锤头5对对应的鱼鳞纹进行锤压的时序。

在另一方面，通过改变锤头的角度，可适配多种不同的打印场景和打印要求。例如，在一些实施例中，通过打印工艺的配置，打印出来的鱼鳞纹具有规则的沿着焊道水平直线方向延伸的趋势，则锤头5底部的鱼鳞纹与电弧焊枪1保持水平方向的直线对其即可。在另一些实施例中，例如通过对不同的材料和/或打印工艺的配置，打印出的鱼鳞纹具有偏转的角度，则可通过驱动装置来驱动锤头做一定角度的旋转来适配打印出的熔覆层的鱼鳞纹的角度方向。

图1示例性的表示了驱动装置与锤头的位置关系的示例。在图示的示例中，驱动装置以标号2标识，其被设置在覆熔部件1的一侧，与机床或者机械手耦合连接。应当理解，电弧焊枪1可被安装到机床或者机械手上，以利于通过机床或者机械手的驱动进行打印作业。

图1所示的实施例中，驱动装置2被设置包括旋转电机和传动机构，尤其是对旋转电机输出的旋转力进行力矩变化或者力矩方向变换后，施加到锤头5上，使得锤头运动来改变其相对于电弧焊枪1的水平位置和/或相对于电弧焊枪的水平距离。在本发明中使用的传动机构可基于现有齿轮传动和/或齿条等传动机构实现。

可选地，锤压控制器3、连杆4、锤头5依次连接，形成整体的锤压机构，并保持垂直方向，与打印基板10(也称为基底)垂直，耦合到驱动装置2上，驱动装置2输出的力矩驱动锤压机构做整体的运动，如前述的转动一定角度或者平移以调整锤头相对。锤压机构与驱动装置2构成本发明提出的锤压装置。

锤压控制器3可选地包括油缸以及控制油缸内的液压变化的控制机构，控制机构可采用现有技术中包括例如液压阀、电磁阀等控制总成，控制液压杆的伸缩量、伸缩频率和压力，由此，通过油缸内的压力变化驱动活塞和活塞杆的伸缩运动，连杆4与活塞杆固定连接，并随着活塞杆同步运动，从而驱动锤头5同步的上下运动。连杆4与活塞杆可一体成型。

在可选的实施例中，油缸的活塞杆构成所述的连杆4。

以上实施例以油缸(液压缸)为例进行说明，应当理解，前述锤压控制器3旨在用于驱动锤头相对于熔覆表面(尤其是基板表面)做垂直的上下运动，根据发明的教导下，在另外的实施例中，锤压控制器还可以采用电机(旋转电机或者直线电机)、气动等能够实现垂直于熔覆表面方向的往复直线运动的机构实现。

如此，锤压控制器3控制锤头5对焊道上的熔覆层鱼鳞纹的锤压频率、压力和深度。

锤头5可以根据不同的打印工艺需要来制作，尤其优选地，锤头5与液压杆4可拆卸连接，例如锤头5以销连接或螺纹连接等方式可拆卸连接到连杆4的底部，以便更换锤头5。

在可选的实施例中，覆熔部件1还可以以电弧焊枪之外的其他的方式实现，例如高频线圈熔丝熔覆加工，熔覆部件1可包括用于加热丝材(尤其是金属或者合金丝材)的第一高频线圈以及用于熔化丝材的第二高频线圈，从上到下同轴送丝，熔融态的金属液经由自身重力作用以及上方丝材的推动落入下方的基板上，形成鱼鳞状的熔覆层。在可选的具体实现中，第一高频线圈和第二高频线圈可采用现有的方式实现，例如CN108857031A中公开的方式，在此引入作为参考。

根据前述实施例描述的锤压装置，本发明公开的实施例还提出一种改善鱼鳞纹状熔覆层内部组织的增材制造打印方法，包括以下步骤：

根据覆熔材料以及覆熔速度确定覆熔部件与刚凝固的鱼鳞纹间的间距，定义为凝固间距；

控制熔覆部件1以及与熔覆部件耦合的锤头5，由熔覆部件1在基板上沿着预定的路径进行熔覆加工，保持锤头延迟的沿覆熔部件轨迹行走，并与覆熔部件间隔一个凝固间距；

由锤压控制器控制锤头以设定频率、压力和压深对熔覆层刚刚凝固后的鱼鳞纹锤压，使熔覆层平整；

其中，锤头对每个鱼鳞纹只对应的锤压一次。

在可选打印过程中，还包括以下步骤：

调整锤头5的角度使其与基板上的鱼鳞纹状熔覆层的鱼鳞纹的角度匹配。

优选的，锤压频率控制方式包括：

令覆熔速度为V，鱼鳞纹间距为L，则控制锤压频率f＝V/L。

优选的，锤头在锤压时，刚好覆盖一个鱼鳞纹。

优选的，鱼鳞纹的凝固为自然凝固。

结合图5所示为本发明采用的鱼鳞状弧形压头、普通压头以及辊压压头对鱼鳞纹状熔覆层的锤压示意。普通压头在锤压时，多个鱼鳞纹共同受力且重复受力；这样重复锤击使得熔覆层容易变形；另外压头在锤压的部分和没有锤压的部分时，锤压有间隙，锤头易变形，底部不平整，影响锤压效果，不能起到良好的锤压效果。

而使用辊压压头施压时，多个鱼鳞纹持续受力；如此连续的对熔覆层进行辊压，熔覆层容易变形；并且由于熔覆层连续受力，使其内部应力无法释放，反而增加，不能起到良好的去应力效果。

如前述分析，本发明通过上述仿形的鱼鳞纹锤头以及锤压控制，可对熔覆层起到了良好的去应力效果，保护熔覆层不会受压力影响而变形；在刚刚凝固位置锤击，有效去除气孔，保证成型质量。

下面结合打印的示例，更加具体地描述前述打印过程的实施以及实施效果。

实施例1

以铝合金为基材，以电弧熔丝打印为例，打印工艺参数如下：电流146A，送丝速度7.5m/min，成形速度1.2m/min，干伸长度10mm，气流量18l/min，打印效果较好，熔覆层表面光滑平整，鱼鳞纹均匀可见，在此参数下进行锤压，压力5kg，压深为0.5mm，频率对应鱼鳞纹间距，1200次/min。

由此，覆熔部件1在一分钟内覆熔处1200个鱼鳞纹，而锤头5在一分钟之内锤压1200次，对应每个鱼鳞纹锤压一次。

经测试，铝合金熔覆层的力学参数对比如下：

1、抗拉强度：锤压前是175Mpa，锤压后是280Mpa，提升百分之60％；

2、硬度：锤压前是60HV，锤压后是80Mpa，提升百分之33.3％。

结合附图6a-6b所示的锤压前后的内部组织微观示意图，图6a中气孔多，而图6b组织致密性高，力学性能明显改善。

实施例2

以钛合金为基材，以电弧熔丝打印为例，打印工艺参数如下：

电流250A，送丝速度6.5m/min，成形速度0.6m/min，干伸长度13mm，气流量25l/min，打印效果较好，熔覆层表面光滑平整，鱼鳞纹均匀可见，在此参数下进行锤压，压力10kg，压深0.3mm，频率对应鱼鳞纹间距，400次/min。

经测试，钛合金熔覆层的力学参数如下：

1、抗拉强度：锤压前是850Mpa，锤压后是900Mpa，提升百分之5.9％；

2、硬度：锤压前是320HV，锤压后是350HV，提升百分之9.4％。

其效果结合附图7a-7b所示，图7a中气孔及裂纹多，而图7b中的组织致密性高，表面平整效果改善。

实施例3

以不锈钢为基材，以电弧熔丝打印为例，打印工艺参数如下：

电流187A，送丝速度5.6m/min，成形速度0.48m/min，干伸长度10mm，气流量20l/min，打印效果较好，熔覆层表面光滑平整，鱼鳞纹均匀可见，在此参数下进行锤压，压力5kg，压深0.5mm，频率对应鱼鳞纹间距，600次/min。

经测试，不锈钢熔覆层的力学参数如下：

1、抗拉强度：锤压前是750Mpa，锤压后是790Mpa，提升百分之5.3％；

2、硬度：锤压前是450Mpa，锤压后是480Mpa，提升百分之6.7％。

其效果结合附图8a-8b所示，图8a中表面纹理杂乱，而图8b组织致密性高，表面平整明显改善。

实施例4

以高强钢为基材，以电弧熔丝打印为例，打印工艺参数如下：

电流198A，送丝速度4.3m/min，成形速度0.36m/min，干伸长度12mm，气流量23l/min，打印效果较好，熔覆层表面光滑平整，鱼鳞纹均匀可见，在此参数下进行锤压，压力10kg，压深0.2mm，频率对应鱼鳞纹间距，360次/min。

经测试，高强钢熔覆层的力学参数如下：

1、抗拉强度：锤压前是950Mpa，锤压后是1050Mpa，提升百分之10.5％；

2、硬度：锤压前是530HV，锤压后是580HV，提升百分之9.4％。

3、冲击：锤压前是280J，锤压后是360HV，提升百分之28％。

4、伸长率：锤压前是13％，锤压后是15％，提升百分之15％。

结合附图9a-9b所示，图9a中裂缝及气孔大，而图9b裂纹以及气孔细密，组织明显改善。

结合以上实施例，针对熔覆层20鱼鳞纹形状，通过调节锤击频率配合半圆弧式锤头，对每个鱼鳞纹仅锤压一次，不重复锤压，并且锤压准确，不干扰周围的鱼鳞纹，有效的对熔覆层10进行锤击，大大提高熔覆层20表面平整度，且降低熔覆层10内部气孔率，提高了打印件成形及力学性能。且调节锤击力度及频率对不同打印材料提供了最有效的锤击方式。

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

1.一种增材制造打印系统，其特征在于，包括：

用于在基板上打印形成鱼鳞状熔覆层的熔覆部件；

2.根据权利要求1所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述熔覆部件为支持同轴送丝或者旁轴送丝打印的电弧焊枪，或者为高频线圈送丝熔覆部件。

3.根据权利要求1所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述熔覆部件和锤头均耦合到同一机床，或者机械手上。

4.根据权利要求1所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述打印系统还包括驱动装置，用于驱动所述锤头运动以改变锤头相对于熔覆部件的角度位置和/或相对距离。

5.根据权利要求1所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述打印系统还包括与所述锤头连接形成整体的锤压控制器和连杆，锤头连接到所述连杆上，锤压控制器用于驱动所述连杆与锤头沿着垂直于基板平面的方向作同步上下运动。

6.根据权利要求5所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述锤压控制器还被设置用于以设定的频率、压深和压力对每个熔覆层上鱼鳞纹锤压，并且每个熔覆层上鱼鳞纹被锤压一次。

7.根据权利要求5所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述锤压控制器包括液压缸、活塞、活塞杆以及液压驱动控制机构，液压驱动控制机构用于控制液压缸内压力变化以驱动活塞和活塞杆的直线往复运动，从而带动与活塞杆连接的所述连杆同步运动。

8.根据权利要求7所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述锤头可拆卸的安装到连杆的底部位置。

9.根据权利要求4-8中任意一项所述的增材制造打印系统，其特征在于，所述锤压控制器被设置成按照下述方式控制锤压频率：

令覆熔速度为V，鱼鳞纹间距为L，则锤压频率f控制为V/L。

10.一种增材制造打印系统用的锤压装置，其特征在于，包括：

11.根据权利要求10所述的增材制造打印系统用的锤压装置，其特征在于，锤压装置还包括驱动装置，用于驱动所述锤头运动以改变锤头相对于熔覆部件的角度位置和/或相对距离。

12.根据权利要求10所述的增材制造打印系统用的锤压装置，其特征在于，所述锤压装置还包括与所述锤头连接形成整体的锤压控制器和连杆，锤头连接到所述连杆上，锤压控制器用于驱动所述连杆与锤头沿着垂直于基板平面的方向作同步上下运动。

13.根据权利要求10所述的增材制造打印系统用的锤压装置，其特征在于，所述锤压控制器还被设置用于以设定的频率、压深和压力对每个熔覆层上鱼鳞纹锤压，并且每个熔覆层上鱼鳞纹被锤压一次。

14.根据权利要求10-13中任意一项所述的增材制造打印系统用的锤压装置，其特征在于，所述驱动装置耦合到用于安装固定熔覆部件的机床或者机械手上。