CN112916872A - 一种增材制造系统及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材制造系统及增材制造方法，用于制造三维金属零件，系统包括：熔融组件、金属液喷射组件、三维运动平台、塑性挤压组件、切削组件、控制组件和视觉检测组件；方法步骤为：按照设定路径移动基板或金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积到基板上，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层；当每喷射完预设沉积层之后，对沉积层施加压力进行挤压，同时对喷射完成的三维金属零件进行同工位下的内外轮廓减材精加工，直至完成所述三维金属零件。本发明在喷射沉积金属制件的过程中，对金属制件施加压力后进行同工位内外轮廓精加工，能够实现金属制件内部逐层致密化，有效减少甚至消除内部孔隙，细化工件内部晶粒，提升零件整体性能和精度。

Description

一种增材制造系统及增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种增材制造系统及增材制造方法。

背景技术

金属增材制造是将液态金属按照规定路径逐层沉积到基板上，获得三维金属零件的快速制造方法，具有高效率、低成本、柔性化、绿色化的特点，目前被广泛应用于航空、航天、军事、医疗等高端领域中高性能、结构复杂零部件的快速、直接制造。

目前的金属熔融直写技术、金属喷射成形技术均属于金属增材制造领域范畴。

金属熔融直写技术，是通过基板或熔融直写喷头的三维运动，将熔融金属液按照规定路径沉积，通过逐道、逐层沉积结合，形成金属零件的过程。但熔融直写过程中，由于金属冷却速度较快，当第n层沉积时，n-1层往往已经冷却，余热不足以支持良好的层间重熔，难以形成冶金结合效果。因此，层间结合质量是限制金属熔融直写制件性能的主要问题。

金属喷射成形技术，是通过熔融金属的雾化沉积，直接制取金属零件或坯料的快速成形技术。与金属熔融直写相比，喷射沉积的基础成形单元为雾化金属液滴，沉积时以半固态形式聚集并凝固，解决了明显的分层问题；且金属喷射沉积时雾化金属的快速凝固会提高金属制件性能。但喷射沉积的实质为微铸造，因此不可避免的仍具有部分微观孔隙，致密性仍需提高。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种增材制造系统及增材制造方法。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种增材制造系统，用于制造三维金属零件，所述系统包括：

金属液喷射组件，用于将金属液喷射到基板上；

三维运动平台，包括所述基板和运动组件，所述运动组件用于移动所述基板，从而将所述金属液逐层沉积到所述基板上，沉积层逐层堆积形成所述三维金属零件；

塑性挤压组件，用于在每喷射完成预设层数的沉积层之后，对沉积层施加压力进行挤压，以减少或消除所述三维金属零件内部的空隙；

切削组件，位于所述三维运动平台的同工位，用于对喷射完成的所述三维金属零件进行减材精加工；

控制组件，用于控制所述增材制造系统的各部件进行加工作业；

视觉检测组件，用于检测挤压之后的沉积层是否达到预设厚度，如果达到所述预设厚度，所述塑性挤压组件则停止挤压；如果挤压之后的沉积层未达到预设厚度，则继续按照设定挤压参数进行挤压加工，直至挤压之后的沉积层达到预设厚度。

进一步的，所述运动组件包括纵向轴、横向轴、竖向轴、第一滑块以及第二滑块；

所述纵向轴固定于所述三维运动平台上，所述纵向轴承载所述第一滑块，所述第一滑块能够沿所述纵向轴移动，所述第一滑块上固定有所述横向轴，所述横向轴承载所述第二滑块，所述第二滑块能够沿所述横向轴移动，所述第二滑块还连接所述竖向轴，所述竖向轴能够相对所述第二滑块上下移动，所述竖向轴的上端设置所述基板。

进一步的，所述塑性挤压组件包括压实组件和压实运动组件，其中所述压实组件可进行加热，对沉积层进行不同温度的压实加工，压实组件为辊压、锻压、锻打装置中的一种；其中所述压实组件通过所述压实运动组件以设定高度、压力、速度和道次对沉积层进行压实加工。

进一步的，所述压实运动组件包括一对纵向滑轨，所述纵向滑轨固定在所述三维运动平台上，并位于所述基板的两侧，所述纵向滑轨承载第三滑块，所述第三滑块能够沿所述纵向滑轨移动，所述第三滑块上设置有竖向滑轨，所述竖向滑轨承载所述压实组件，所述压实组件能够沿所述竖向滑轨上下移动，所述压实组件的至少一端连接有夹紧部件。

进一步的，所述切削组件包括切削运动系统和切削刀具，切削运动系统可以为三轴运动系统或机械手中的一种。

进一步的，所述切削组件结合视觉检测组件完成对所述三维金属零件的减材精加工。

在本发明实施例中，喷射堆积过程、塑性挤压过程以及切削加工过程在同工位进行，喷射挤压切削一体化成形，是在喷射成形在材料制备方面优势的基础上，通过同工位塑性挤压、切削加工的模块化集成，采用增材、等材、减材复合的方式，提高了制造效率和自动化程度，并能够获得均匀致密、性能良好、精度较高的金属制件。

第二方面，提供了一种增材制造方法，用于制造三维金属零件，所述方法包括：

在进行金属液喷射之前，先根据零件形状进行三维模型分层处理，得到层片信息；

喷射所需的金属液先经过熔炼及纯净化，然后将准备好的金属液移至金属液喷射组件中，再将金属液喷射组件移至指定位置；

根据当前层片信息，按设定路径移动基板或金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积到所述基板上，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层；

当每喷射完成预设层数的沉积层之后，对沉积层施加压力进行挤压，以减少或消除所述三维金属零件内部的空隙；

在喷射加工的同工位下，对喷射完成的所述三维金属零件进行内外轮廓减材精加工；

判断是否已喷射完成所述三维金属零件，如果否，则转第一个步骤，直至喷射完成所述三维金属零件。

进一步的，所述对沉积金属制件施加压力的方式不进行具体限定，包括但不限于辊压、锻压、锻打等方式。

进一步的，所述对沉积层施加压力进行挤压的步骤，包括：

使用可加热轧辊，以设定高度、压力、速度、道次和温度对沉积层进行辊压加工。

进一步的，所述每次对沉积层进行挤压之后，检测挤压之后的沉积层是否达到预设厚度，如果达到预设厚度，则停止挤压加工。如果挤压之后的沉积层未达到预设厚度，则继续按照设定挤压参数进行挤压加工，直至挤压之后的沉积层达到预设厚度。

在本发明实施例中，喷射堆积过程、塑性挤压过程以及切削加工过程在同工位进行，喷射挤压切削一体化成形，是在喷射成形在材料制备方面优势的基础上，通过同工位塑性挤压、切削加工的模块化集成，采用增材、等材、减材复合的方式，提高了制造效率和自动化程度，并能够获得均匀致密、性能良好、精度较高的金属制件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种增材制造系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种增材制造系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种增材制造方法的流程图。

附图标记说明：1、熔融组件；2、金属液喷射组件；3、三维运动平台；30、基板；31、纵向轴；32、横向轴、33、竖向轴；34、第一滑块；35、第二滑块；4、塑性挤压组件；40、压实组件；41、纵向滑轨；42、第三滑块；43、竖向滑轨；44、夹紧部件；5、切削组件；6、控制组件；7、视觉检测组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参照图1，为本发明实施例提供的一种增材制造系统的结构框图，该增材制造系统用于制造三维金属零件，该系统具体包括熔融组件1、金属液喷射组件2、三维运动平台3、塑性挤压组件4、切削组件5以及控制组件6。其中控制组件6用于控制系统的各部件，包括熔融组件1、金属液喷射组件2、三维运动平台3、塑性挤压组件4以及切削组件5进行加工作业，以制造所需形状的三维金属零件。

熔融组件1(图2未画出)，用于根据三维金属零件成形所需原材料成分，进行金属液的熔炼及纯净化，从而去除金属液中的夹杂和氧化物，获得洁净金属液。金属液的熔化温度、保温时间、过滤装置等可根据具体场景需要进行调整。本发明实施例不对金属液的熔炼及纯净化方法进行具体限定。

如图2所示，金属液喷射组件2，用于盛装经过熔融组件1熔炼及纯净化之后的金属液，并能将金属液喷射到基板30上，以制造所需形状的三维金属零件。

在金属液喷射组件2进行喷射加工之前，控制组件6根据金属零件形状进行三维模型分层处理，得到层片信息。控制组件6还可以根据设定层厚，确定单层喷射时间；根据金属零件所需性能，调整气液比例，获得不同粒径、形态的金属液滴。控制组件6然后根据当前层片信息，按设定路径移动基板30或金属液喷头，使金属液喷头处于当前填充区域中心位置，逐层进行金属液喷射填充。

在本发明实施例中，三维运动平台3通过移动基板30，以实施喷射加工。具体的，三维运动平台3包括基板30和运动组件，运动组件用于按照设定路径移动基板30，从而将金属液逐层沉积到基板30上。并且每喷射完成一层沉积层，基板30下降一层，运动组件继续按照设定路径移动基板30，进行金属液喷射沉积，沉积层逐层堆积形成三维金属零件。

进一步的，该运动组件包括纵向轴31、横向轴32、竖向轴33、第一滑块34以及第二滑块35。

纵向轴31固定于三维运动平台3上，纵向轴31承载第一滑块34，第一滑块34能够沿纵向轴31移动，第一滑块34上固定有横向轴32，横向轴32承载第二滑块35，第二滑块35能够沿横向轴32移动，第二滑块35还连接竖向轴33，竖向轴33能够相对第二滑块35上下移动，竖向轴33的上端设置基板30。基于上述运动组件的构造，在控制组件6的控制下，基板30能够进行上下、左右、前后的三维运动，以实现按照设定路径移动基板30，逐层喷射沉积金属制件。

塑性挤压组件4，用于在每喷射完成预设层数的沉积层之后，对沉积层(金属制件)施加压力进行挤压，以减少或消除三维金属零件内部的空隙。

当喷射沉积完成预设层数的沉积层(一层或多层)，通过控制组件6的程序控制结束当前层喷射。然后根据待加工零件性能需要确定挤压工艺参数，由塑性挤压组件4对当前沉积层施加压力进行挤压。在挤压沉积层的过程中能够借助喷射余温后者设置不同轧辊温度实现塑性加工，实现单层或多层沉积平面的致密化及平整化，同时使沉积金属发生变形强化效果。

本发明实施例在喷射沉积金属制件的过程中，在设定挤压参数下进行等材加工，在压力作用下能够实现金属制件内部逐层致密化，有效减少甚至消除内部孔隙；并且能够产生有效的塑性变形，进一步细化工件内部晶粒，提升零件整体机械性能；以及通过逐层挤压提高沉积表面的平整度，利于后续制件沉积结合及切削加工。

优选的，塑性挤压组件4包括压实组件40和压实运动组件，压实组件40可进行加热，对沉积层进行不同温度的辊压加工；压实组件40通过压实运动组件以设定高度、压力、速度和道次对沉积层进行辊压加工。

具体的，辊压运动组件包括一对纵向滑轨41，纵向滑轨41固定在三维运动平台3上，并位于基板30的两侧，纵向滑轨41承载第三滑块42，第三滑块42能够沿纵向滑轨41移动，从而对沉积层进行反复辊压加工。第三滑块42上设置有竖向滑轨43，竖向滑轨43承载压实组件40，压实组件40能够沿竖向滑轨43上下移动，从而调节压实组件40的高度。压实组件40的至少一端连接有夹紧部件44，压实组件40被夹紧后，能够对沉积层进行挤压。该夹紧部件44可以为电机，并且该电机同时也可以用于调节压实组件40在竖向滑轨43方向上的高度。

需要说明的是，塑性挤压组件4也可以采用其他形式的可以给沉积金属制件施加压力的装置，例如锻压、锻打装置等。

该系统还包括视觉检测组件7，用于检测挤压之后的沉积层是否达到预设厚度，如果达到预设厚度，控制组件6则控制塑性挤压组件4停止挤压加工。然后基板30下降一层继续进行喷射沉积加工，如此循环反复工作，直至加工完成所需形状的三维金属零件。

该视觉检测组件7包括激光传感器，用于检测金属制件的外形几何以及定位。

喷射成形的金属零件加工精度较低，金属零件成形后必须进行精加工，才能投入实际使用。基于此，该系统还包括与三维运动平台3位于同工位的切削组件5，切削组件5用于对喷射完成的三维金属零件进行减材精加工，切削组件5包括机械手和切削刀具。

切削组件5能够结合视觉检测组件7完成对三维金属零件的减材精加工。具体的，控制组件6根据零件成形精度要求，结合视觉检测组件7，确定需进行切削加工部位。控制组件6根据加工需求，启动机械手，调用合适的切削刀具进行减材精加工。

在本发明实施例中，喷射堆积过程、塑性挤压过程以及切削加工过程在同工位进行，喷射挤压切削一体化成形，是在喷射成形在材料制备方面优势的基础上，通过同工位塑性挤压、切削加工的模块化集成，采用增材、等材、减材复合的方式，提高了制造效率和自动化程度，并能够获得均匀致密、性能良好、精度较高的金属制件。

参照图3，为本发明实施例提供的一种增材制造方法的流程图，该方法用于制造三维金属零件，具体包括以下步骤。

步骤301，按照设定路径移动基板或金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积到所述基板上，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层。

在进行金属液喷射之前，先根据零件形状进行三维模型分层处理，得到层片信息。

喷射所需的金属液先经过熔炼及纯净化，然后将准备好的金属液移至金属液喷射组件中，再将金属液喷射组件移至指定位置，根据当前层片信息，按设定路径移动基板或金属液喷头，使金属液喷头处于当前填充区域中心位置，逐层进行金属液喷射填充。

步骤302，当每喷射完成预设层数的沉积层之后，对沉积层(金属制件)施加压力进行挤压，以减少或消除所述三维金属零件内部的空隙。

在喷射加工的同工位下，对沉积金属制件进行挤压，不仅能够有效减少甚至消除金属制件内部的空隙，而且能够提高制造效率和自动化程度。

本发明实施例采用辊压方式对沉积层进行挤压。具体的，使用轧辊，以设定高度、压力、速度、道次和温度对沉积层进行辊压加工。在挤压沉积层的过程中能够借助喷射余温或者设置不同的轧辊温度实现塑性加工，实现单层或多层沉积平面的致密化及平整化，同时使沉积金属发生变形强化效果。

每次对沉积层进行挤压之后，检测挤压之后的沉积层是否达到预设厚度，如果达到预设厚度，则停止挤压加工。如果挤压之后的沉积层未达到预设厚度，则继续按照设定挤压参数进行挤压加工，直至挤压之后的沉积层达到预设厚度。

需要说明的是，也可以采用其他施压方式对沉积金属制件施加压力，例如锻压、锻打方式等，本发明实施例对于对沉积金属制件施加压力的方式不进行具体限定。

步骤303、在喷射加工的同工位下，对喷射完成的所述三维金属零件进行内外轮廓减材精加工。

步骤304，判断是否已喷射完成所述三维金属零件，如果是，则转下一步，否则转步骤301。

本发明实施例在喷射沉积金属制件的过程中，在设定挤压参数下进行等材加工，在压力作用下能够实现金属制件内部逐层致密化，有效减少甚至消除内部孔隙；并且能够产生有效的塑性变形，进一步细化工件内部晶粒，提升零件整体机械性能；以及通过逐层挤压提高沉积表面的平整度，利于后续制件沉积结合及切削加工。

在本发明实施例中，喷射堆积过程、塑性挤压过程以及切削加工过程在同工位进行，喷射挤压切削一体化成形，是在喷射成形在材料制备方面优势的基础上，通过同工位塑性挤压、切削加工的模块化集成，采用增材、等材、减材复合的方式，提高了制造效率和自动化程度，并能够获得均匀致密、性能良好、精度较高的金属制件。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于图1所示的系统实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种增材制造系统，用于制造三维金属零件，其特征在于，包括：

金属液喷射组件，用于将金属液喷射到基板上；

三维运动平台，包括所述基板和运动组件，所述运动组件用于移动所述基板，从而将所述金属液逐层沉积到所述基板上，沉积层逐层堆积形成所述三维金属零件；

塑性挤压组件，用于在每喷射完成预设层数的沉积层之后，对沉积层施加压力进行挤压，以减少或消除所述三维金属零件内部的空隙；

切削组件，位于所述三维运动平台的同工位，用于对喷射完成的所述三维金属零件进行减材精加工；

控制组件，用于控制所述增材制造系统的各部件进行加工作业；

视觉检测组件，用于检测挤压之后的沉积层是否达到预设厚度，如果达到所述预设厚度，所述塑性挤压组件则停止挤压；如果挤压之后的沉积层未达到预设厚度，则继续按照设定挤压参数进行挤压加工，直至挤压之后的沉积层达到预设厚度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运动组件包括纵向轴、横向轴、竖向轴、第一滑块以及第二滑块；

所述纵向轴固定于所述三维运动平台上，所述纵向轴承载所述第一滑块，所述第一滑块能够沿所述纵向轴移动，所述第一滑块上固定有所述横向轴，所述横向轴承载所述第二滑块，所述第二滑块能够沿所述横向轴移动，所述第二滑块还连接所述竖向轴，所述竖向轴能够相对所述第二滑块上下移动，所述竖向轴的上端设置所述基板。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述塑性挤压组件包括压实组件和压实运动组件：

其中所述压实组件可进行加热，对沉积层进行不同温度的压实加工，压实组件为辊压、锻压、锻打装置中的一种；

其中所述压实组件通过所述压实运动组件以设定高度、压力、速度和道次对沉积层进行压实加工。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述压实运动组件包括一对纵向滑轨，所述纵向滑轨固定在所述三维运动平台上，并位于所述基板的两侧，所述纵向滑轨承载第三滑块，所述第三滑块能够沿所述纵向滑轨移动，所述第三滑块上设置有竖向滑轨，所述竖向滑轨承载所述压实组件，所述压实组件能够沿所述竖向滑轨上下移动，所述压实组件的至少一端连接有夹紧部件。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述切削组件包括切削运动系统和切削刀具，切削运动系统可以为三轴运动系统或机械手中的一种。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述切削组件结合视觉检测组件完成对所述三维金属零件的减材精加工。

7.一种增材制造方法，用于制造三维金属零件，其特征在于，包括：

在进行金属液喷射之前，先根据零件形状进行三维模型分层处理，得到层片信息，喷射所需的金属液先经过熔炼及纯净化，然后将准备好的金属液移至金属液喷射组件中，再将金属液喷射组件移至指定位置；

根据当前层片信息，按设定路径移动基板或金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积到所述基板上，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层；

当每喷射完成预设层数的沉积层之后，对沉积层施加压力进行挤压，以减少或消除所述三维金属零件内部的空隙；

在喷射加工的同工位下，对喷射完成的所述三维金属零件进行内外轮廓减材精加工；

判断是否已喷射完成所述三维金属零件，如果否，则转第一个步骤，直至喷射完成所述三维金属零件。

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