CN114247901A - 一种金属3d打印与后处理一体化成形设备及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属3D打印与后处理一体化成形设备及打印方法，包括：金属3D打印模块；自动化清粉模块；热处理模块；线切割模块。所述金属3D打印模块将打印完未冷却的位于打印底板上的打印零件沿着打印腔体壁上的第一导轨传输至自动化清粉模块内；自动化清粉模块包括用于对打印完未冷却的打印零件进行清粉的吹扫头及辅助清粉的第一转动导向轴。本发明可以实现打印完，零件尚未冷却下来时，直接进行热处理，防止因为零件降温带来的应力水平提升而造成零件开裂风险；可以实现零件的打印与后处理一体化操作，大幅度提升生产效率，可以实现金属打印迈向生产流水线方向转变。全流程系统隔离，无人工接触，减少人员干预，也降低卫生安全风险。
Description
技术领域
本发明涉及金属3D打印技术领域，具体为一种金属3D打印与后处理一体化成形设备及打印方法。
背景技术
增材制造技术在航空航天领域已逐渐广泛应用，凸显出了显著的社会、经济与军事效益。随着增材制造技术的应用发展，大尺寸复杂结构零部件的打印越来越多的需要增材制造技术完成，尤其是在航空、航天、航海及汽车、模具等重点领域中存在巨大的应用空间。
但是随着大尺寸金属零部件增材制造技术应用范围的扩大，其质量控制难题越来凸显，金属增材成形后的后处理工艺成为最后质量可靠性保证的重要一环。金属零件，在增材成形过程经历了反复交变热载荷，存在较大的热应力。特别地，在大尺寸零件的增材制造过程，残余热应力水平越高，后处理的需求尤为重要。受限于现有设备的技术水平，基于人员及设备安全的考虑，一般的处理是，待零件温度冷却至一定水平后，清粉取出零件，再进行热处理，最后切割、清洗、喷砂等处理。
这样处理的零件存在很大开裂风险，一般在零件的冷却过程中，残余应力影响不断加大，直接引起零件的开裂，导致零件打印失败。如果对于一些高性能的钛合金打印，这个打印失败带来的损失可能是数十万。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属3D打印与后处理一体化成形设备及打印方法用于提高打印零件的成品率及避免热处理开裂的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，包括：
金属3D打印模块，其用于生成预设的打印零件；
自动化清粉模块，其与金属3D打印模块相连并对打印零件进行清粉；
热处理模块，其用于对清粉后未冷却的打印零件进行热处理；
所述金属3D打印模块内设有将打印完未冷却的位于打印底板上的打印零件传输至自动化清粉模块内的第一导轨；
所述自动化清粉模块包括用于对打印完未冷却的打印零件进行清粉的吹扫头及辅助清粉的第一转动导向轴。
进一步的，所述热处理模块包括带有凹槽的热处理炉底板及均匀设置在热处理炉底板非凹槽上的牛眼滚珠；所述热处理模块后端设置有用于将热处理完的打印零件切割下来的线切割模块；所述线切割模块内设有第二导轨。
进一步的，所述金属3D打印模块与自动化清粉模块之间设有第一隔板门；所述自动化清粉模块与热处理模块之间设有第二隔板门；所述热处理模块与线切割模块之间设有第三隔板门。
进一步的，所述第一导轨包括平行设置的两个导轨及导轨上设置的输送板；所述输送板通过靠近金属3D打印模块端的第一轴承与远离金属3D打印模块端的第二轴承与导轨滑动/滚动连接；所述输送板通过传动机构驱动；所述输送板上设有至少两个与打印底板配合的伸缩机构；所述伸缩机构的顶轴与打印底板侧方的定位孔相配合。
进一步的，所述传动机构包括与第一轴承内圈相连的带轮固定板及平行设置于导轨侧方的同步带；所述同步带与带轮固定板啮合并通过两端设置的从动轮与主动轮传动。
进一步的，所述第一导轨的尾端设有可沿第一导轨的尾端旋转的第一转动导向轴；所述第一转动导向轴具有容纳第一轴承与第二轴承运动的滑槽；所述第一转动导向轴内侧设有用于将打印零件输送至热处理模块中的清粉模块伸缩机构。
进一步的，所述清粉模块伸缩机构包括承托打印底板的底板及控制打印底板前后运动的长行程伸缩机构；所述长行程伸缩机构上设有防尘罩及带上下伸缩轴推块；所述带上下伸缩轴推块上设有伸缩柱上设有与打印底板底部卡合的伸缩柱；所述带上下伸缩轴推块与热处理炉底板上的凹槽相配合。
进一步的，所述第二导轨与第一导轨结构相同；所述第二导轨内的第二轴承通过带轮固定板与传动机构相连；所述传动机构包括平行设置于导轨侧方的同步带；所述同步带与带轮固定板啮合并通过两端设置的从动轮与主动轮传动；所述第二导轨的首端设有可沿第二导轨的首端旋转的第二转动导向轴；所述第二转动导向轴具有容纳第一轴承与第二轴承运动的滑槽；所述第二转动导向轴与清粉模块伸缩机构相配合。
一种金属3D打印与后处理一体化成形打印方法，，包含如下步骤：
S1：在金属3D打印模块内的打印底板上表面铺设金属粉末；
S2：自上而下移动所述打印底板并对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结为预设形状的打印零件；
S3：将打印完未冷却的打印零件上升至打印底板与第一导轨平齐的高度；
S4：第一导轨通过传动机构将打印完未冷却的打印零件传输至自动化清粉模块内清粉；
S5：清粉后将打印完未冷却的打印零件传输至热处理模块内进行热处理；
S6：热处理后的打印零件通过线切割模块切割下来。
进一步的，所述步骤S4包括吹扫头对打印零件进行吹粉；打印底板沿第一导轨继续向前运动至第二轴承进入第一转向导向轴内部；此时第一转向导向轴逆时针旋转一定角度；传动机构往复运动带动第一轴承在第一导轨内做横向往复运动以及第二轴承在倾斜的第一转向导向轴内做往复运动使得打印底板做类似抖动的复合运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以实现打印完，零件尚未冷却下来时，直接进行热处理，防止因为零件降温带来的应力水平提升而造成零件开裂风险。通过复合运动实现有效的抖动效果提升清粉的效率，更快速的进行热处理工序；可以实现零件的打印与后处理一体化操作，大幅度提升生产效率，可以实现金属打印迈向生产流水线方向转变。全流程系统隔离，无人工接触，减少人员干预，大幅度降低成本的同时，也降低卫生安全风险。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2本发明第一导轨结构示意图；
图3本发明清粉模块伸缩机构结构示意图；
图4本发明热处理模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-4，
一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于，包括：
金属3D打印模块1，其用于生成预设的打印零件101；
自动化清粉模块2，其与金属3D打印模块1相连并对打印零件101进行清粉；
热处理模块3，其用于对清粉后未冷却的打印零件101进行热处理；
所述金属3D打印模块1内设有将打印完未冷却的位于打印底板102上的打印零件101传输至自动化清粉模块2内的第一导轨103；
所述自动化清粉模块2包括用于对打印完未冷却的打印零件101进行清粉的吹扫头201及辅助清粉的第一转动导向轴202。
本发明的一实施例中，所述热处理模块3包括带有凹槽的热处理炉底板302及均匀设置在热处理炉底板302非凹槽上的牛眼滚珠301；所述热处理模块3后端设置有用于将热处理完的打印零件101切割下来的线切割模块4；所述线切割模块4内设有第二导轨401。第二导轨401顺时针旋转可将打印底板102直立起来，方便切割系统进行操作。热处理炉底板302上的凹槽能够方便带上下伸缩轴推块20304在其内部活动，提供滑动空间，通过牛眼滚珠301提高滑动的顺畅度。
本发明的一实施例中，所述金属3D打印模块1与自动化清粉模块2之间设有第一隔板门104；所述自动化清粉模块2与热处理模块3之间设有第二隔板门204；所述热处理模块3与线切割模块4之间设有第三隔板门303。隔板门的设置有利于各模块之间功能的有效区分以及避免各工序之间的相互干扰。通过隔板门实现各分区功能的有效区分，使得各分区的功能相对清晰和独立，能够更好的对单一工序进行有效的实现，提高各工序的稳定性。
本发明的一实施例中，所述第一导轨103包括平行设置的两个导轨及导轨上设置的输送板10307；所述输送板10307通过靠近金属3D打印模块1端的第一轴承10302与远离金属3D打印模块1端的第二轴承10304与导轨滑动/滚动连接；所述输送板10307通过传动机构驱动；所述输送板10307上设有至少两个与打印底板102配合的伸缩机构10305；所述伸缩机构10305的顶轴10306与打印底板102侧方的定位孔相配合。当打印底板102被提升至与第一导轨103同一高度时，伸缩机构10305将顶轴10306顶出插入打印底板102侧方的定位孔中实现连接，通过传动机构带动打印底板102沿着第一导轨103运动。
本发明的一实施例中，所述传动机构包括与第一轴承10302内圈相连的带轮固定板10303及平行设置于导轨侧方的同步带；所述同步带与带轮固定板10303啮合并通过两端设置的从动轮10301与主动轮10308传动。
本发明的一实施例中，所述第一导轨103的尾端设有可沿第一导轨103的尾端旋转的第一转动导向轴202；所述第一转动导向轴202具有容纳第一轴承10302与第二轴承10304运动的滑槽；所述第一转动导向轴202内侧设有用于将打印零件101输送至热处理模块3中的清粉模块伸缩机构203。
本发明的一实施例中，所述清粉模块伸缩机构203包括承托打印底板102的底板20301及控制打印底板102前后运动的长行程伸缩机构20302；所述长行程伸缩机构20302上设有防尘罩20303及带上下伸缩轴推块20304；所述带上下伸缩轴推块20304上设有伸缩柱20305上设有与打印底板102底部卡合的伸缩柱20305；所述带上下伸缩轴推块20304与热处理炉底板302上的凹槽相配合。
本发明的一实施例中，所述第二导轨401与第一导轨103结构相同；所述第二导轨401内的第二轴承10304通过带轮固定板10303与传动机构相连；所述传动机构包括平行设置于导轨侧方的同步带；所述同步带与带轮固定板10303啮合并通过两端设置的从动轮10301与主动轮10308传动；所述第二导轨401的首端设有可沿第二导轨401的首端旋转的第二转动导向轴402；所述第二转动导向轴402具有容纳第一轴承10302与第二轴承10304运动的滑槽；所述第二转动导向轴402与清粉模块伸缩机构203相配合。
一种金属3D打印与后处理一体化成形打印方法，包含如下步骤：
S1：在金属3D打印模块1内的打印底板102上表面铺设金属粉末；
S2：自上而下移动所述打印底板102并对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结为预设形状的打印零件101；
S3：将打印完未冷却的打印零件101上升至打印底板102与第一导轨103平齐的高度；
S4：第一导轨103通过传动机构将打印完未冷却的打印零件101传输至自动化清粉模块2内清粉；
S5：清粉后将打印完未冷却的打印零件101传输至热处理模块3内进行热处理；
S6：热处理后的打印零件101通过线切割模块4切割下来。
进一步的，所述步骤S4包括吹扫头201对打印零件101进行吹粉；打印底板102沿第一导轨103继续向前运动至第二轴承10304进入第一转向导向轴202内部；此时第一转向导向轴202逆时针旋转一定角度；传动机构往复运动带动第一轴承10302在第一导轨103内做横向往复运动以及第二轴承10304在倾斜的第一转向导向轴202内做往复运动使得打印底板102做类似抖动的复合运动。
本发明可以实现打印完，零件尚未冷却下来时，直接进行热处理，防止因为零件降温带来的应力水平提升而造成零件开裂风险。通过复合运动实现有效的抖动效果提升清粉的效率，更快速的进行热处理工序；可以实现零件的打印与后处理一体化操作，大幅度提升生产效率，可以实现金属打印迈向生产流水线方向转变。全流程系统隔离，无人工接触，减少人员干预，大幅度降低成本的同时，也降低卫生安全风险。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于，包括：
金属3D打印模块(1)，其用于生成预设的打印零件(101)；
自动化清粉模块(2)，其与金属3D打印模块(1)相连并对打印零件(101)进行清粉；
热处理模块(3)，其用于对清粉后未冷却的打印零件(101)进行热处理；
所述金属3D打印模块(1)内设有将打印完未冷却的位于打印底板(102)上的打印零件(101)传输至自动化清粉模块(2)内的第一导轨(103)；
所述自动化清粉模块(2)包括用于对打印完未冷却的打印零件(101)进行清粉的吹扫头(201)及辅助清粉的第一转动导向轴(202)。
2.根据权利要求1所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述热处理模块(3)包括带有凹槽的热处理炉底板(302)以及均匀设置在热处理炉底板302非凹槽处上的牛眼滚珠(301)；所述热处理模块(3)后端设置有用于将热处理完的打印零件(101)切割下来的线切割模块(4)；所述线切割模块(4)内设有第二导轨(401)。
3.根据权利要求2所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述金属3D打印模块(1)与自动化清粉模块(2)之间设有第一隔板门(104)；所述自动化清粉模块(2)与热处理模块(3)之间设有第二隔板门(204)；所述热处理模块(3)与线切割模块(4)之间设有第三隔板门(303)。
4.根据权利要求2所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述第一导轨(103)包括平行设置的两个导轨及导轨上设置的输送板(10307)；所述输送板(10307)通过靠近金属3D打印模块(1)端的第一轴承(10302)与远离金属3D打印模块(1)端的第二轴承(10304)与导轨滑动/滚动连接；所述输送板(10307)通过传动机构驱动；所述输送板(10307)上设有至少两个与打印底板(102)配合的伸缩机构(10305)；所述伸缩机构(10305)的顶轴(10306)与打印底板(102)侧方的定位孔相配合。
5.根据权利要求4所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述传动机构包括与第一轴承(10302)内圈相连的带轮固定板(10303)及平行设置于导轨侧方的同步带；所述同步带与带轮固定板(10303)啮合并通过两端设置的从动轮(10301)与主动轮(10308)传动。
6.根据权利要求5所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述第一导轨(103)的尾端设有可沿第一导轨(103)的尾端旋转的第一转动导向轴(202)；所述第一转动导向轴(202)具有容纳第一轴承(10302)与第二轴承(10304)运动的滑槽；所述第一转动导向轴(202)内侧设有用于将打印零件(101)输送至热处理模块(3)中的清粉模块伸缩机构(203)。
7.根据权利要求6所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述清粉模块伸缩机构(203)包括承托打印底板(102)的底板(20301)及控制打印底板(102)前后运动的长行程伸缩机构(20302)；所述长行程伸缩机构(20302)上设有防尘罩(20303)及带上下伸缩轴推块(20304)；所述带上下伸缩轴推块(20304)上设有与打印底板(102)底部卡合的伸缩柱(20305)；所述带上下伸缩轴推块(20304)与热处理炉底板(302)上的凹槽相配合。
8.根据权利要求4所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备，其特征在于：所述第二导轨(401)与第一导轨(103)结构相同；所述第二导轨(401)内的第二轴承(10304)通过带轮固定板(10303)与传动机构相连；所述传动机构包括平行设置于导轨侧方的同步带；所述同步带与带轮固定板(10303)啮合并通过两端设置的从动轮(10301)与主动轮(10308)传动；所述第二导轨(401)的首端设有可沿第二导轨(401)的首端旋转的第二转动导向轴(402)；所述第二转动导向轴(402)具有容纳第一轴承(10302)与第二轴承(10304)运动的滑槽；所述第二转动导向轴(402)与清粉模块伸缩机构(203)相配合。
9.一种金属3D打印与后处理一体化成形打印方法，其特征在于，所述打印方法在如权利要求1-8中任一所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形设备中进行，所述打印方法包含如下步骤：
S1：在金属3D打印模块(1)内的打印底板(102)上表面铺设金属粉末；
S2：自上而下移动所述打印底板(102)并对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结为预设形状的打印零件(101)；
S3：将打印完未冷却的打印零件(101)上升至打印底板(102)与第一导轨(103)平齐的高度；
S4：第一导轨(103)通过传动机构将打印完未冷却的打印零件(101)传输至自动化清粉模块(2)内清粉；
S5：清粉后将打印完未冷却的打印零件(101)传输至热处理模块(3)内进行热处理；
S6：热处理后的打印零件(101)通过线切割模块(4)切割下来。
10.根据权利要求9所述的一种金属3D打印与后处理一体化成形打印方法，其特征在于：所述步骤S4包括吹扫头(201)对打印零件(101)进行吹粉；打印底板(102)沿第一导轨(103)继续向前运动至第二轴承(10304)进入第一转向导向轴(202)内部；此时第一转向导向轴(202)逆时针旋转一定角度；传动机构往复运动带动第一轴承(10302)在第一导轨(103)内做横向往复运动以及第二轴承(10304)在倾斜的第一转向导向轴(202)内做往复运动使得打印底板(102)做类似抖动的复合运动。
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