CN115502417B - 真空增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空增材制造装置及方法，光路系统中，等离子体激发单元沿着激发光路激发脉冲激光轰击待测真空开关屏蔽罩以产生激光等离子体；光路对焦单元对焦激发光路和采集光路以聚焦脉冲激光于待测真空开关的屏蔽罩上，光路对焦单元包括产生可见光的可见激光器和调节激发光路的调节装置，图像采集单元采集激光等离子体图像及其与可见光斑对焦图像，图像采集单元包括经由采集光路采集可见光斑图像的相机和采集激光等离子体图像的门控型探测器；真空度检测单元连接图像采集单元以处理激光等离子体图像并提取特征参量，真空度检测单元包括特征参量与真空度的关系得出待测真空开关的真空度的处理模块。

Description

真空增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于真空冷焊领域，特别是一种真空增材制造装置及方法。

背景技术

2020年宇航领域十大科学问题和技术难题发布，面向空间超大型天线结构的在轨增材制造技术与超大型空间光学装置在轨组装和维护技术被纳入其中。这两项技术，均属于空间在轨制造范畴。金属3D打印以其先进性和巨大的工程应用潜力，成为了我国发展制造业重要技术方向。目前，常用的金属3D打印主要采用目标金属高温熔化和再冷却相结合的方法来实现3D打印。在实现3D打印加工的同时，也存在内应力大、气穴缺陷和加工精度低的问题。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在问题，本发明提出一种真空增材制造装置及方法，本专利提出的的金属冷焊3d打印，利用冷焊低温低压高强度的特性，可以在较高的精度和成品强度下，完成金属3d打印，弥补了当前金属增材制造技术的问题，且可以在未来的太空建设中发挥重要的作用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种真空增材制造装置包括，

真空三维移动平台，其包括，

机架，其承载于底座且处于真空环境中，

升降单元，其在Z轴方向可移动布置于所述机架，所述升降单元包括至少一台Z轴电机，

X轴移动单元，其在X轴方向可移动布置于所述升降单元，所述X轴移动单元包括X轴电机，

Y轴移动单元，其在Y轴方向可移动布置于所述X轴移动单元，所述Y轴移动单元包括Y轴电机；

空间运动控制模块，其连接所述升降单元、X轴移动单元和Y轴移动单元，其包括，

步进电机驱动模块，其连接所述z轴电机、X轴电机和Y轴电机，

控制模块，其连接所述步进电机驱动模块以输出控制信号使得步进电机驱动模块驱动z轴电机、X轴电机和Y轴电机；

上位机，其连接所述空间运动控制模块和粉末发生器模块，其包括，

串口通讯模块，其用于串口交互通信，

切片生成模块，其连接所述串口通讯模块，所述切片生成模块单步控制或者模型切片，

处理模块，其连接所述串口通讯模块和切片生成模块以解析切片生成切片数据且生成控制电机运动的控制信号；

粉末发生器模块，其支承于所述Y轴移动单元，其包括，

真空步进电机，其连接所述处理模块，

无刷电机，其将金属丝料打磨成粉末，

蠕动泵，其连接所述无刷电机以输送粉末，所述粉末被喷射进行单层冷焊后加压。

真空增材制造装置中，支承粉末的增材平台固定于所述升降单元。

真空增材制造装置中，控制模块为mks robinpro控制器。

真空增材制造装置中，所述mks robinpro控制器输出驱动信号驱动z轴电机、X轴电机和Y轴电机以及无刷电机运动。

真空增材制造装置中，所述无刷电机为水冷无刷电机。

一种利用所述的真空增材制造装置的制造方法包括以下步骤：

上位机获取待打印零件的三维数据，对其进行切片，生成逐步运动文件，

空间运动控制模块对运动文件进行分析得出各时刻z轴电机、X轴电机和Y轴电机以及无刷电机运动的运动状态，输出对应的驱动信号，

启动粉末生成模块喷射可进行冷焊的洁净金属粉末进行单层冷焊生成，

所述单层打印完成，通过将打印生产的粉末纵向加压进行冷焊强化，逐层打印直到打印完成零件。

有益效果

本发明利用冷焊低温低压高强度的特性，可以在较高的精度和成品强度下，完成金属3d打印，弥补了当前金属增材制造技术的问题。同时采用步进电机系统，充分利用成熟技术，提高了系统可靠性，在提高了可靠性的同时降低了系统的整体成本。同时利用stl和Gcode和数据传输方式，提高了系统的兼容性。通过真空冷焊洁净金属直接结合的方法，降低了传统热熔3D打印的高内应力和气孔缺点。通过粉末生成冷焊的方法，提高了原料的可运输性和多种金属材料的适用性，可以使用包括铜，铝，锡，铅等多种金属和合金进行冷焊。通过模型切片，适应金属冷焊3D打印的需求，使得打印精度得到保证。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明真空增材制造装置的结构示意图；

图2为本发明真空增材制造装置的一个实施例的打印产品的微观晶相图；

图3为本发明真空增材制造方法流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，真空增材制造装置包括：

真空三维移动平台，其包括，

机架，其承载于底座且处于真空环境中，

升降单元，其在Z轴方向可移动布置于所述机架，所述升降单元包括至少一台Z轴电机，

X轴移动单元，其在X轴方向可移动布置于所述升降单元，所述X轴移动单元包括X轴电机，

Y轴移动单元，其在Y轴方向可移动布置于所述X轴移动单元，所述Y轴移动单元包括Y轴电机；

空间运动控制模块，其连接所述升降单元、X轴移动单元和Y轴移动单元，其包括，

步进电机驱动模块，其连接所述z轴电机、X轴电机和Y轴电机，

控制模块，其连接所述步进电机驱动模块以输出控制信号使得步进电机驱动模块驱动z轴电机、X轴电机和Y轴电机；

上位机，其连接所述空间运动控制模块和粉末发生器模块，其包括，

串口通讯模块，其用于串口交互通信，

切片生成模块，其连接所述串口通讯模块，所述切片生成模块单步控制或者模型切片，

处理模块，其连接所述串口通讯模块和切片生成模块以解析切片生成切片数据且生成控制电机运动的控制信号；

粉末发生器模块，其支承于所述Y轴移动单元，其包括，

真空步进电机，其连接所述处理模块，

无刷电机，其将金属丝料打磨成粉末，

蠕动泵，其连接所述无刷电机以输送粉末，所述粉末被喷射进行单层冷焊后加压。

真空增材制造装置的优选实施例中，支承粉末的增材平台固定于所述升降单元。

真空增材制造装置的优选实施例中，控制模块为mks robinpro控制器。

真空增材制造装置的优选实施例中，所述mks robinpro控制器输出驱动信号驱动z轴电机、X轴电机和Y轴电机以及无刷电机运动。

真空增材制造装置的优选实施例中，所述无刷电机为水冷无刷电机，采用了真空步进电机和步进电机驱动，通过mks robinpro控制器对模型切片的Gcode进行解析，控制驱动器输出驱动信号驱动真空步进电机和真空无刷电机运动，达到了低成本真空三维运动和粉末可控生成的效果，具有成本及稳定性优势，并且可以适应太空环境。

在一个实施例中，真空增材制造装置包括空间运动控制模块，真空三维移动平台，粉末发生器模块和上位机。空间运动控制模块主要负责在系统接到切片数据并且开机工作后进行运动步进电机的控制信号到驱动信号的转换和无刷电机信号的输出，并将控制进度结果回传至上位机软件。空间运动控制模块包括mks robinpro控制模块,以及步进电机驱动模块tb6600。每个步进电机对应一个步进电机驱动模块，通过mks robinpro模块输出控制信号控制驱动模块，驱动模块再驱动步进电机。该系统总共包含6台步进电机驱动模块和一台mks robinpro模块，以及对应的链接pcb板。

真空三维移动平台主要负责对在空间环境中移动粉末发生器模块并移动打印平台，使得制造零件的材料逐层生成能够完成。环境探测模块包括六台真空步进电机，包括两台z轴电机，一台x轴电机，一台y轴电机以及两台进料电机，皮带轮和轴承系统，以及由2020铝材制造的机架和辐射散热平台组成，其中真空步进电机组接受空间运动控制模块的驱动。

粉末发生器模块主要负责将金属丝料通过高速无刷电机打磨成粉末，使其表面暴露出来，可以进行真空冷焊。此模块包括一台高速水冷无刷电机，一台蠕动泵和一台真空步进电机组成，其中无刷电机要求使用转速30000转以上的内转子无刷电机，可以使用水冷系统对其进行冷却。

上位机通过对stl格式的模型文件进行解析切片，生成控制电机运动的Gcode文件。上位机软件系统包括切片生成模块和串口通讯模块，在检测到有串口连接存在或导入stl文件时，软件启动对应的模块系统，进行单步控制或者模型切片。其中模型切片使用开源切片算法slic进行切片，按照打印的精度速度和最终密度要求进行模型切片和内部填充，生成逐层打印的过程中三维平台的运动步骤，使用Gcode编写该步骤并打包生成Gcode文件供打印机使用。

在一个实施例中，采用了基于无刷电机的金属丝材粉碎设备，通过将粉碎并喷射到打印平面上，在真空度高于10^-3Pa的情况下，使真空下粉碎产生的洁净金属表面相结合，达到了低成本的金属冷焊的技术效果，具有成本以及可行性优势，和实用性意义。同时采用了逐层压实的加固技术，可以将打印生成的金属构件进一步密实，达到了高效的增材制造和低内部应力低气穴密度的技术效果，具有打印件强度高，密度高以及打印精度优势，和实用性意义。如图2所示，微观结构中裂隙并非沿冷焊界面形成，可以发现真空冷焊那个结合金属基体。

如图3所示，一种利用所述的真空增材制造装置的制造方法包括以下步骤：

上位机获取待打印零件的三维数据，对其进行切片，生成逐步运动文件，

空间运动控制模块对运动文件进行分析得出各时刻z轴电机、X轴电机和Y轴电机以及无刷电机运动的运动状态，输出对应的驱动信号，

启动粉末生成模块喷射可进行冷焊的洁净金属粉末进行单层冷焊生成，

所述单层打印完成，通过将打印生产的粉末纵向加压进行冷焊强化，逐层打印直到打印完成零件。

优选实施方式中，方法包括，

步骤1：上位机软件系统获取到要打印的零件的三维stl文件，对其进行切片，生成逐步运动文件Gcode。

步骤2：空间运动控制模块对Gcode进行分析，得出各时刻步进电机的运动状态，输出对应的驱动信号。

步骤3：粉末生成模块启动，喷射可进行冷焊的洁净金属粉末进行单层冷焊生成。

步骤4：该层打印完成，通过将打印生产的粉末纵向加压进行冷焊强化。

步骤3中，通过粉末生成模块的打磨可以消除金属表面的氧化层和其他污染物，使得洁净的金属暴露出来，可以进行冷焊。该步骤保护利用真空冷焊产生的逐层生成3D打印的方法。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (6)

1.一种真空增材制造装置，其包括，

真空三维移动平台，其包括，

机架，其承载于底座且处于真空环境中，

升降单元，其在Z轴方向可移动布置于所述机架，所述升降单元包括至少一台Z轴电机，

X轴移动单元，其在X轴方向可移动布置于所述升降单元，所述X轴移动单元包括X轴电机，

Y轴移动单元，其在Y轴方向可移动布置于所述X轴移动单元，所述Y轴移动单元包括Y轴电机；

空间运动控制模块，其连接所述升降单元、X轴移动单元和Y轴移动单元，其包括，

步进电机驱动模块，其连接所述Z轴电机、X轴电机和Y轴电机，

控制模块，其连接所述步进电机驱动模块以输出控制信号使得步进电机驱动模块驱动Z轴电机、X轴电机和Y轴电机；

上位机，其连接所述空间运动控制模块和粉末发生器模块，其包括，

串口通讯模块，其用于串口交互通信，

切片生成模块，其连接所述串口通讯模块，所述切片生成模块单步控制或者模型切片，

处理模块，其连接所述串口通讯模块和切片生成模块以解析切片生成切片数据且生成控制电机运动的控制信号；

粉末发生器模块，其支承于所述Y轴移动单元，其包括，

真空步进电机，其连接所述处理模块，

无刷电机，其将金属丝料打磨成粉末，

蠕动泵，其连接所述无刷电机以输送粉末，所述粉末被喷射进行单层冷焊后加压。

2.根据权利要求1真空增材制造装置，其中，优选的，支承粉末的增材平台固定于所述升降单元。

3.根据权利要求1真空增材制造装置，其中，控制模块为mks robinpro控制器。

4.根据权利要求3真空增材制造装置，其中，所述mks robinpro控制器输出驱动信号驱动Z轴电机、X轴电机和Y轴电机以及无刷电机运动。

5.根据权利要求1真空增材制造装置，其中，所述无刷电机为水冷无刷电机。

6.一种利用如权利要求1-5中任一项所述的真空增材制造装置的制造方法，所述方法包括以下步骤：

上位机获取待打印零件的三维数据，对其进行切片，生成逐步运动文件，

空间运动控制模块对运动文件进行分析得出各时刻Z轴电机、X轴电机和Y轴电机以及无刷电机运动的运动状态，输出对应的驱动信号，

启动粉末生成模块喷射可进行冷焊的洁净金属粉末进行单层冷焊生成，

所述单层打印完成，通过将打印生产的粉末纵向加压进行冷焊强化，逐层打印直到打印完成零件。