CN114101712A - 一体式电弧3d打印增减材制造系统与增减材加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种一体式电弧3D打印增减材制造系统与增减材加工方法，包括双柱龙门系统、多轴机器人、纵向行驶滑轨、法兰连接件、减震组件、电弧增材打印系统、铣削减材加工系统及毫克能加工系统；双柱龙门系统可沿着纵向行驶滑轨移动；多轴机器人倒挂安装在双柱龙门系统的龙门横梁处，并可沿着龙门横梁移动。电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统均连接到法兰连接件上。法兰连接件与铣削减材加工系统及毫克能加工系统与之间均连接有减震组件；电弧增材打印系统位于增材制造加工方向的前部，铣削减材加工系统与毫克能加工系统依次位于电弧增材打印系统的后方，本发明可去除应力、降低气孔率及变形量，提高打印层的表面强度。

Description

一体式电弧3D打印增减材制造系统与增减材加工方法
技术领域
本发明涉及电弧增减材制造技术领域，具体而言涉及一种一体式电弧3D打印增减材制造系统与方法。
背景技术
电弧增减材复合制造技术是一种将产品设计、软件控制以及增材制造与减材制造相结合的新兴技术。丝材电弧增材制造(WAAM)，因其在金属增材制造中具有制备成本低、沉积效率高、材料利用率高等优势而备受关乎，尤其是电弧增减材复合制造对于大型框架构件上肋板或类似薄壁墙体、筋板等构件的加工十分适合，可以实现降低制造成本和提高生产效率，但因其热输入高、成型精度相对较低，使得其工业应用存在一定局限性。同时，增材后控形减材制造的切削问题不同于传统的去除加工，也受增材沉积表面不均匀性、增材余热和残余应力等因素影响。
发明内容
本发明目的在于提供一种一体式电弧3D打印增减材制造系统与方法，实现不拆卸样件的情况下的电弧打印后的精加工，并且可去除应力，降低气孔率及变形量，提高打印层表面强度与力学性能。
为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种一体式电弧3D打印增减材制造系统，包括双柱龙门系统、多轴机器人、纵向行驶滑轨、法兰连接件、减震组件、电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统；
所述纵向行驶滑轨，相对地设置，其定义Y方向；
所述双柱龙门系统，被设置成可沿着所述纵向行驶滑轨移动，所述双柱龙门系统的立柱定义Z方向；
所述多轴机器人，倒挂地安装在双柱龙门系统的龙门横梁处，并可沿着龙门横梁移动，所述龙门横梁定义X方向；
所述电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统均连接到法兰连接件上，并通过法兰连接件与所述多轴机器人连接；其中，法兰连接件与铣削减材加工系统之间以及法兰连接件与毫克能加工系统与之间均连接有减震组件；
所述电弧增材打印系统位于增材制造加工方向的前部，所述铣削减材加工系统与毫克能加工系统依次位于电弧增材打印系统的后方，并且铣削减材加工系统与毫克能加工系统可绕电弧增材打印系统旋转，使得打印过程中铣削减材加工系统以及毫克能加工系统二者始终位于电弧增材打印系统的正后方。
优选地，电弧增材打印系统包括用于增材制造的电弧焊枪，所述电弧焊枪与焊接电源相连，对送丝机送入电弧焊枪并到达基板表面的焊丝进行电弧增材制造加工，电弧焊枪内部设置有保护气通道，用以将外部送入的保护气输送至基板表面。
优选地，铣削减材加工系统包括电主轴以及铣刀，电主轴通过上述减震组件连接到法兰连接件，所述电主轴带动铣刀快速旋转，完成对电弧增材打印系统打印的熔覆层的粗加工。
优选地，毫克能加工系统包括高频脉冲系统及毫克能加工刀头，高频脉冲系统驱动毫克能加工刀头对完成熔覆层粗加工的表面进行豪克能处理，实现精加工。
优选地，铣刀设置在电弧焊枪的后方50mm位置，所述毫克能加工刀头位于铣刀的后方30mm位置，并且电弧焊枪、铣刀、毫克能加工刀头在增材制造加工方向上共线。
根据本发明的第二方面还提出一种铝合金接合棱型圆环件的增减材加工方法，所述铝合金接合棱型圆环件的加工过程包括：
使用分层切片软件制作圆环件的增材制造STL文件，所述圆环件的壁厚10-20mm、直径100-200mm、高度100-500mm；
层高1.8mm分层处理，电弧3D打印的丝材选用直径1.2mmER4043铝合金，电弧打印工艺采用沿成行件的短边蛇形往复式打印，蛇形短边间距2.8mm；
打印过程中，第一层的打印过程中采用轮廓线加沿短边蛇形扫描，保证第一层与基板的接合强度，通过沿轮廓打印封边；第二层及以上采用沿短边蛇形复式扫描，打印起点随机变换，设置成形速度为0.02-0.04m/s；
铝合金焊丝通过送丝机送达焊枪前端，干伸长为12mm，设置电流120A，电压15V，送丝速度6.0m/min，氩气保护气流量25L/min；
每打印50mm高度，电主轴夹持铣刀对熔覆层表面进行粗加工，设置铣刀高度在熔覆层下方0.3mm，电主轴转速为2000转/min，粗加工进行30mm后通过毫克能对表面精加工，当打印行走120mm后熄弧，并继续空行走80mm，保证毫克能的精加工完成，然后进行下一层电弧打印填充以及粗加工与精加工处理，直至打印结束；
完成表面精加工后，拆卸电弧焊枪，确定定位基准，进行侧壁铣削和毫克能精加工同步进行，直至完成整个零件精加工。
优选地，在打印与加工同步进行的过程中，铣刀及毫克能加工刀头同步随焊枪头旋转，保证打印过程中二者始终位于焊枪头后方。
优选地，在打印与加工同步进行的过程中，毫克能加工刀头与铣刀刀头保持同等高度
本发明提出的适用于电弧3D打印的增减材加工系统及工艺方法，通过电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统的配合，实现打印、精加工与粗加工的同步进行，电弧焊枪后方50mm设置电主轴并装夹铣刀，电主轴后方30mm设置毫克能加工刀头，电主轴与毫克能加工头可围绕电弧焊枪进行360度自由旋转并可以单独工作，且高度可依照焊枪自行控制。针对铝合金接合棱型圆环件的打印工艺采用蛇形往复式路径成形零件，在成形一定高度后，可调节电主轴和毫克能加工头高度，进行铣削及毫克能加工，防止打印件到一定高度后内壁无法加工，导致层间接合楞易出现应力集中，影响力学性能；后续的毫克能加工可使打印表面成镜面，实现了在不拆卸样件的情况下的电弧打印后的精加工，并且可去除应力，降低气孔率及变形量，提高打印层表面强度，达到了良好的增减材一体化成形。
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是本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统的结构示意图。
图2是本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统的增-减材加工的执行机构的示意图。
图3是利用本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统打印的铝合金接合棱型圆环件的示意图。
图4是按照传统的增材制造打印工艺，即电弧打印与铣削复合加工实现的铝合金接合棱型圆环件的表面形貌示意图。
图5是利用本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统打印的铝合金接合棱型圆环件的表面形貌示意图。
附图中个标号的含义如下：
1-龙门系统，2-多轴机器人，3-纵向行驶滑轨，4-工作平台。
5-法兰连接件，6-减震组件，7-焊丝，8-焊枪，9-电主轴，10-高频脉冲系统，11-铣刀，12-毫克能加工刀头，13-熔覆层，14-基板。
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一种来实施，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。
结合图1、2所示，根据本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统，包括双柱龙门系统1、多轴机器人2、纵向行驶滑轨3、工作平台4、法兰连接件5、减震组件6以及电弧增材打印系统、铣削减材加工系统与毫克能加工系统。
多轴机器人2，例如采用500Kg级的六轴机器人，倒挂地安装在双柱龙门系统的龙门横梁12上，并可沿着龙门横梁12移动。
电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统均连接到法兰连接件5上，并通过法兰连接件5与多轴机器人2连接。其中的铣削减材加工系统以及毫克能加工系统均作为减材加工系统。法兰连接件5与铣削减材加工系统之间以及法兰连接件与毫克能加工系统与之间均连接有减震组件6，防止减材过程中发生抖动影响多轴机器人的精度。
结合图1所示，纵向行驶滑轨3，相对地设置，其定义Y方向。
双柱龙门系统的龙门横梁定义了X方向，其立柱11定义了Z方向。
如图1、2所示，电弧增材打印系统包括用于增材制造的电弧焊枪8，电弧焊枪与外部的焊接电源相连，对送丝机送入电弧焊枪并到达基板14表面的焊丝7进行电弧增材制造加工，电弧焊枪内部设置有保护气通道，用以将外部送入的保护气输送至基板表面，防止打印过程中熔覆层13发生氧化现象。
如图1、2所示，铣削减材加工系统包括电主轴9以及铣刀11，电主轴9通过上述减震组件6连接到法兰连接件5，由此，电主轴9带动铣刀11快速旋转，完成对电弧增材打印系统打印的熔覆层13的粗加工。
结合图1、2所示，毫克能加工系统包括高频脉冲系统10及毫克能加工刀头12，高频脉冲系统驱动毫克能加工刀头对完成熔覆层粗加工的表面进行豪克能处理，实现精加工。
结合图1、2，电弧增材打印系统位于增材制造加工方向的前部，铣削减材加工系统与毫克能加工系统依次位于电弧增材打印系统的后方，使得在打印和加工同步进行时，电主轴及毫克能加工头同步随焊枪头旋转，保证打印过程中二者始终位于焊枪头后方，避免焊枪头在X/Y方向上任意角度打印干涉现象。
在具体的示例中，如图2所示，铣刀11设置在电弧焊枪8的后方50mm位置，毫克能加工刀头12位于铣刀11的后方30mm位置，并且电弧焊枪8、铣刀11、毫克能加工刀头12在增材制造加工方向上共线。
结合图3所示的利用本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统打印的铝合金接合棱型圆环件的结构，我们以本发明的图1、2所示的增减材加工系统进行加工，其工艺过程包括：
使用分层切片软件制作圆环件的增材制造STL文件，所述圆环件的壁厚10-20mm、直径100-200mm、高度100-500mm；
层高1.8mm分层处理，电弧3D打印的丝材选用直径1.2mmER4043铝合金，电弧打印工艺采用沿成行件的短边蛇形往复式打印，蛇形短边间距2.8mm；
打印过程中，第一层的打印过程中采用轮廓线加沿短边蛇形扫描，保证第一层与基板的接合强度，通过沿轮廓打印封边；第二层及以上采用沿短边蛇形复式扫描，打印起点随机变换，设置成形速度为0.02-0.04m/s；
铝合金焊丝通过送丝机送达焊枪前端，干伸长为12mm，设置电流120A，电压15V，送丝速度6.0m/min，氩气保护气流量25L/min；
每打印50mm高度，电主轴夹持铣刀对熔覆层表面进行粗加工，设置铣刀高度在熔覆层下方0.3mm，电主轴转速为2000转/min，粗加工进行30mm后通过毫克能对表面精加工，当打印行走120mm后熄弧，并继续空行走80mm，保证毫克能的精加工完成，然后进行下一层电弧打印填充以及粗加工与精加工处理，直至打印结束；
完成表面精加工后，拆卸电弧焊枪，确定定位基准，进行侧壁铣削和毫克能精加工同步进行，直至完成整个零件精加工。
结合以上的打印工艺，在打印过程中，首层(第一层)需要保证与基板的接合强度，热输入较大，采用220-250℃，采用沿轮廓打印封边的方式，防止打印过程熔池外溢现象，然后逐层降低热输入，并采用沿短边蛇形复式扫描(打印)的方式，直到熔覆层温度趋于稳定值，以铝合金为例为170-200℃，打印速度为0.02-0.04m/s，每个蛇形短边速度保持一致，防止熔池对流在拐角处产生气孔。
结合图2以及图3，本发明设置电主轴设置于电弧焊枪之后50mm处，旨在实现打印及铣削工作同步进行，熔池后50mm处的铝合金金属由于热量原因更易于铣削，防止铣刀距离熔池过近温度过高，发生粘刀及伤刀的现象。
本发明的实施例中，结合图2、3所示，毫克能加工刀头设置于电主轴之后30mm处，旨在实现铣削、毫克能加工同步进行，防止铣削过程的削末飞溅至毫克能加工表面，实现了对每一熔覆层的精加工，去除每一熔覆层应力，防止开裂及变形缺陷，增强熔覆层表面强度和平整度，使打印过程更加稳定，打印性能显著提升，同时克服了电弧打印成形精度差的瓶颈。
应当理解，在本发明的打印与加工同步进行的过程中，铣刀11及毫克能加工刀头12同步随焊枪头旋转，保证打印过程中二者始终位于焊枪头后方，避免电弧焊枪在X/Y方向上任意角度打印干涉现象。毫克能加工刀头与铣刀刀头在减少材料加工过程中始终保持同等高度。
结合图2所示，电主轴9可单独完成铣削加工。可将焊枪头及毫克能加工头拆卸，防止干涉，打印一定高度后进行侧壁铣削，防止打印模型过高，内壁无法加工的现象，同时解决了2次装夹重复定位和熔覆层表面不平整的问题。
在本发明的铝合金接合棱型圆环件的加工工艺中，完整打印件及表面的精加工后，拆卸电弧焊枪，可采用现有TCP定位确定定位基准，然后利用铣到进行侧壁铣削和以及同步利用毫克能加工刀头进行毫克能精加工，同步进行，直至完成整个零件精加工。
结合图3所示的成型件，成形尺寸为壁厚20mm、直径200mm、高度100mm的圆环件。
如图4所示为按照传统的增材制造打印工艺，即电弧打印与铣削复合加工实现的铝合金接合棱型圆环件的表面形貌示意图，其表面致密度96％，与图5所示的利用本发明实施例的一体式电弧3D打印增减材制造系统打印的铝合金接合棱型圆环件的表面形貌对比可见，通过本发明的打印工艺，致密度提升到99.8％，致密度得到显著提升。
如下表所示的力学性能的对比，表1为采用传统的增材制造打印工艺打印的成形件的力学测试结果，表2是采用本发明的打印工艺获得成型件(铝合金接合棱型圆环件)的力学测试结果，可见通过本发明的打印工艺获得的成型件的屈服强度、拉伸强度以及延伸率均得到显著的提升。
表1采用传统增材制造打印工艺打印的成形件的测试结果
Figure BDA0003378383240000061
表2采用本发明的打印工艺获得成型件的力学测试结果
Figure BDA0003378383240000071
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 (8)

1.一种一体式电弧3D打印增减材制造系统，其特征在于，包括双柱龙门系统、多轴机器人、纵向行驶滑轨、法兰连接件、减震组件、电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统；
所述纵向行驶滑轨，相对地设置，其定义Y方向；
所述双柱龙门系统，被设置成可沿着所述纵向行驶滑轨移动，所述双柱龙门系统的立柱定义Z方向；
所述多轴机器人，倒挂地安装在双柱龙门系统的龙门横梁处，并可沿着龙门横梁移动，所述龙门横梁定义X方向；
所述电弧增材打印系统、铣削减材加工系统以及毫克能加工系统均连接到法兰连接件上，并通过法兰连接件与所述多轴机器人连接；其中，法兰连接件与铣削减材加工系统之间以及法兰连接件与毫克能加工系统与之间均连接有减震组件；
所述电弧增材打印系统位于增材制造加工方向的前部，所述铣削减材加工系统与毫克能加工系统依次位于电弧增材打印系统的后方，并且铣削减材加工系统与毫克能加工系统可绕电弧增材打印系统旋转，使得打印过程中铣削减材加工系统以及毫克能加工系统二者始终位于电弧增材打印系统的正后方。
2.根据权利要求1所述的一体式电弧3D打印增减材制造系统，其特征在于，所述电弧增材打印系统包括用于增材制造的电弧焊枪，所述电弧焊枪与焊接电源相连，对送丝机送入电弧焊枪并到达基板表面的焊丝进行电弧增材制造加工，电弧焊枪内部设置有保护气通道，用以将外部送入的保护气输送至基板表面。
3.根据权利要求2所述的一体式电弧3D打印增减材制造系统，其特征在于，所述铣削减材加工系统包括电主轴以及铣刀，电主轴通过上述减震组件连接到法兰连接件，所述电主轴带动铣刀快速旋转，完成对电弧增材打印系统打印的熔覆层的粗加工。
4.根据权利要求3所述的一体式电弧3D打印增减材制造系统，其特征在于，所述毫克能加工系统包括高频脉冲系统及毫克能加工刀头，高频脉冲系统驱动毫克能加工刀头对完成熔覆层粗加工的表面进行豪克能处理，实现精加工。
5.根据权利要求4所述的一体式电弧3D打印增减材制造系统，其特征在于，所述铣刀设置在电弧焊枪的后方50mm位置，所述毫克能加工刀头位于铣刀的后方30mm位置，并且电弧焊枪、铣刀、毫克能加工刀头在增材制造加工方向上共线。
6.一种根据权利要求1-5中任意一项所述的一体式电弧3D打印增减材制造系统的铝合金接合棱型圆环件的增减材加工方法，其特征在于，所述铝合金接合棱型圆环件的加工过程包括：
使用分层切片软件制作圆环件的增材制造STL文件，所述圆环件的壁厚10-20mm、直径100-200mm、高度100-500mm；
层高1.8mm分层处理，电弧3D打印的丝材选用直径1.2mmER4043铝合金，电弧打印工艺采用沿成行件的短边蛇形往复式打印，蛇形短边间距2.8mm；
打印过程中，第一层的打印过程中采用轮廓线加沿短边蛇形扫描，保证第一层与基板的接合强度，通过沿轮廓打印封边；第二层及以上采用沿短边蛇形复式扫描，打印起点随机变换，设置成形速度为0.02-0.04m/s；
铝合金焊丝通过送丝机送达焊枪前端，干伸长为12mm，设置电流120A，电压15V，送丝速度6.0m/min，氩气保护气流量25L/min；
每打印50mm高度，电主轴夹持铣刀对熔覆层表面进行粗加工，设置铣刀高度在熔覆层下方0.3mm，电主轴转速为2000转/min，粗加工进行30mm后通过毫克能对表面精加工，当打印行走120mm后熄弧，并继续空行走80mm，保证毫克能的精加工完成，然后进行下一层电弧打印填充以及粗加工与精加工处理，直至打印结束；
完成表面精加工后，拆卸电弧焊枪，确定定位基准，进行侧壁铣削和毫克能精加工同步进行，直至完成整个零件精加工。
7.根据权利要求6所述的铝合金接合棱型圆环件的增减材加工方法，其特征在于，在打印与加工同步进行的过程中，铣刀及毫克能加工刀头同步随焊枪头旋转，保证打印过程中二者始终位于焊枪头后方。
8.根据权利要求6所述的铝合金接合棱型圆环件的增减材加工方法，其特征在于，在打印与加工同步进行的过程中，毫克能加工刀头与铣刀刀头保持同等高度。
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