CN117021578A - 一种超声辅助增材制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光增材制造技术领域，公开了一种超声辅助增材制造装置，包括基板，还包括：支撑架设置在基板的顶面上，支撑架上设有安装块，安装块上设有激光熔喷头；超声辅助部件包括：固定板、超声波压头和驱动组件，固定板设置在安装块上激光熔喷头的下方，固定板的中部位置设有圆形通孔，圆形通孔内转动连接有安装圆板，安装圆板上的中部位置设有供激光熔喷头的开口，超声波压头纵向固定在安装圆板上，驱动组件设置在固定板上，该超声辅助增材制造装置通过设置可将超声波压头进行弧形移动的超声辅助部件，使得在进行增材制造过程中超声波压头时刻作用于工件之上，提高成形件表面平整度，改善成形件的制造精度和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，特别涉及一种超声辅助增材制造装置。
背景技术
增材制造技术又称3D打印技术，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，将材料逐层累加来制造实体零件的技术，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法。与传统的车削、铣削等减材制造不同，增材制造不需要加工刀具、夹具以及繁琐的加工工序，就可以快速而且精确地成型复杂形状的零部件，极大地缩短了产品的研发时间以及研发成本。自被提出以来，增材制造技术得到了快速的发展，被非常广泛地应用于汽车、航空航天、建筑、医疗卫生等领域。激光增材制造技术，是以合金粉末为原料，通过高功率激光对合金粉末进行原位熔化，并使熔融状态的合金粉末快速凝固并逐级沉积来制造实体零件。
但是，在合金粉末的快速熔化和凝固过程中，熔池的凝固是依靠向成形件基体和已沉积层进行热传导实现的，在微观层面上，熔池顶部界面类似椭球体，熔池底部界面近似水平，熔池界面温度从熔池底部到熔池顶部是变化的，且温度梯度变化很大，这会导致已凝固成形的部分存在较大的热应力，且材料相变也存在着组织应力，并导致随时可能出现气孔、缝隙和裂纹，导致成型样件的力学性能较低，而且成形件表面平整度较差，进而导致成形件的制造质量下降。目前抑制成型件产生的气孔、缝隙和裂纹的主要方式是使用超声波压头与工件表面相接触，并产生超声波作用于工件，产生空化效应和机械效应，进而改善层与层之间的结合状态，避免气孔、缝隙和裂纹的出现。
然而在现有技术中的增材制造装置上的超声波压头多是固定设置在激光熔喷头的一侧，这种设置方式在实际使用时发现，对于较为复杂的工件进行打印生产时，激光熔喷头的行进轨迹是复杂多变的，常出现超声波压头在前或激光熔喷头进行圆形等运动轨迹。在这些情况下，固定设置的超声波压头不能时刻作用在激光熔喷头周向所喷出的熔融合金材料上，从而工件的局部结合不紧密，有气孔、缝隙和裂纹未被完全清除，以至于所生产工件质量较差。
发明内容
本发明提出一种超声辅助增材制造装置，该超声辅助增材制造装置通过设置可将超声波压头进行弧形移动的超声辅助部件，使得在进行增材制造过程中超声波压头时刻作用于工件之上，提高成形件表面平整度，改善成形件的制造精度和力学性能，以解决上述现有技术中的不足之处。
本发明的技术方案是：一种超声辅助增材制造装置包括基板，还包括：
支撑架，设置在基板的顶面上，支撑架上设有安装块，所述安装块上设有激光熔喷头；
超声辅助部件，包括：固定板、超声波压头和驱动组件，所述固定板设置在安装块上激光熔喷头的下方，所述固定板的中部位置设有圆形通孔，圆形通孔内转动连接有安装圆板，所述安装圆板上的中部位置设有供激光熔喷头穿过的开口，所述超声波压头纵向固定在安装圆板上，所述驱动组件设置在固定板上；驱动组件用于驱动安装圆板转动。
较佳的，所述安装圆板上设有安装槽，所述安装槽内设有导杆以及转动连接在安装槽内的丝杆，所述丝杆穿出安装圆板，其穿出端设有转扭，所述安装槽内设有螺纹连接在丝杆上的滑块，所述滑块上设有穿过导杆的条形孔，所述超声波压头纵向安装在滑块上。
较佳的，所述。驱动组件包括：齿环和第一步进电机，所述齿环设置在安装圆板的底部，所述第一步进电机设置在固定板的底部，所述第一步进电机的转轴上设有与齿环相啮合的齿轮。
较佳的，所述安装块上设有纵向滑槽，所述超声辅助部件上还设有升降组件，所述升降组件包括：第二步进电机、螺纹杆和移动块，所述第二步进电机设置在安装块上激光熔喷头的上方，所述螺纹杆固定连接在第二步进电机的转轴上，螺纹杆的端部转动连接有与安装块固定连接的支撑块，所述移动块固定连接在固定板的侧边，所述移动块设置在纵向滑槽内，并螺纹连接在螺纹杆上。
较佳的，所述激光熔喷头的侧边设有连接杆，所述连接杆上设有通孔，所述螺纹杆穿过通孔。
较佳的，所述安装槽的侧边设有刻度线，所述滑块上设有与刻度线相对应的基准线。
较佳的，所述基板上设有纵向的安装口，所述安装口内设有Y轴移动组件，所述安装口上方设有与Y轴移动组件相连接的载板。
较佳的，所述支撑架上设有Z轴提升组件，所述Z轴提升组件包括：第三步进电机和第一滚珠丝杠，所述第三步进电机设有两个，设置在支撑架的同一侧，所述第一滚珠丝杠固定连接在第三步进电机的转轴上，第一滚珠丝杠的端部转动连接有固定在支撑架上的支撑板，所述第一滚珠丝杠上设有X轴移动组件。
较佳的，所述X轴移动组件包括：第一丝杠滑块、第四步进电机和第二滚珠丝杆，所述第一丝杠滑块设有两个，分别设置在两个第一滚珠丝杠上，所述第四步进电机设置在第一丝杠滑块上，所述第二滚珠丝杆转动连接在第四步进电机的转轴上，第二滚珠丝杆的端部转动连接在相对一侧的第一丝杆滑块上，所述安装块上设有与第二滚珠丝杆相配合的第二丝杆滑块。
较佳的，所述支撑架为龙门架，支撑架上的侧边设有与基板相连接的加强杆，支撑架之间设有连接板，所述第二丝杆滑块与连接板相贴合。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种超声辅助增材制造装置，该超声辅助增材制造装置在使用时，在进行激光熔喷打印的过程中，根据工件的三维模型协调控制第三步进电机、第四步进电机及第五步进电机进行移动，从而将合金材料逐层打印至载板上，根据激光熔喷头的打印轨迹，控制第一步进电机转动，通过齿轮齿环带动安装圆板进行转动，从而带动超声波压头在激光熔喷头的周向进行旋转，使超声波压头始终位于激光熔喷头的运行轨迹的后方。该超声辅助增材制造装置通过设置可将超声波压头进行弧形移动的超声辅助部件，使得在进行增材制造过程中超声波压头时刻作用于工件之上，改善层与层之间的结合状态，减少成形件内部气孔和微观偏析的形成概率，同时细化晶粒并减少残余应力，提高成形件表面平整度，改善成形件的制造精度和力学性能。且在进行激光熔喷打印之前，根据熔喷将要打印熔喷材料的厚度，启动第二步进电机控制超声辅助部件进行上下移动，使得超声波压头在打印时充分与打印材料相接触，再根据合金材料的冷却速率转动旋钮带动丝杠旋转，并带动滑块在安装槽内进行滑动，从而调整超声波压头与激光熔喷头之间的距离，共同保证了超声波压头与激光熔喷头的配合，使得该装置适应于各种合金材料的熔喷打印，适应性强，本发明设计巧妙，结构简单，实用方便，具有广泛的应用前景，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图；
图2为本发明超声辅助部件侧视剖视结构示意图；
图3为本发明超声辅助部件俯视结构示意图；
图4为本发明超声辅助部件主视结构示意图；
图5为本发明俯视结构示意图。
附图标记说明：
1、基板；11、安装口；12、载板；2、支撑架；21、安装块；211、第二丝杆滑块；22、连接板；3、激光熔喷头；31、连接杆；4、超声辅助部件；41、固定板；411、安装圆板；412、安装槽；413、导杆；414、丝杆；415、滑块；42、超声波压头；43、驱动组件；431、齿环；432、第一步进电机；5、挡板；51、触发开关；6、控制器；7、升降组件；71、第二步进电机；72、螺纹杆；73、移动块；81、Z轴提升组件；811、第三步进电机；812、第一滚珠丝杆；82、X轴移动组件；821、第一丝杠滑块；822、第四步进电机；823、第二滚珠丝杠；83、Y轴移动组件。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。
结合图1至图5所示，一种超声辅助增材制造装置包括基板1，还包括：
支撑架2，设置在基板1的顶面上，支撑架2上设有安装块21，所述安装块21上设有激光熔喷头3；
超声辅助部件4，包括：固定板41、超声波压头42和驱动组件43，所述固定板41设置在安装块21上激光熔喷头3的下方，所述固定板41的中部位置设有圆形通孔，圆形通孔内转动连接有安装圆板411，所述安装圆板411上的中部位置设有供激光熔喷头3穿过的开口，所述超声波压头42纵向固定在安装圆板411上，所述驱动组件43设置在固定板41上；驱动组件43用于驱动安装圆板411转动。
较佳的，所述安装圆板411上设有安装槽412，所述安装槽412内设有导杆413以及转动连接在安装槽413内的丝杆414，所述丝杆414穿出安装圆板411，其穿出端设有转扭，所述安装槽412内设有螺纹连接在丝杆414上的滑块415，所述滑块415上设有穿过导杆413的条形孔，所述超声波压头42纵向安装在滑块415上，所述滑块415的设置便于带动超声波压头42进行移动，以调节超声波压头42距离激光熔喷头3之间的距离。
较佳的，所述。驱动组件43包括：齿环431和第一步进电机432，所述齿环431设置在安装圆板411的底部，所述第一步进电机432设置在固定板41的底部，所述第一步进电机432的转轴上设有与齿环相啮合的齿轮433，所述相比于其他形式的驱动组件43，该种驱动组件43的安装空间更小。
进一步地，所述安装块21上设有纵向滑槽，所述超声辅助部件4上还设有升降组件7，所述升降组件7包括：第二步进电机71、螺纹杆72和移动块73，所述第二步进电机71设置在安装块21上激光熔喷头3的上方，所述的设置位置避免了激光熔喷头3对第二步进电机71的正常运转造成影响，所述螺纹杆72固定连接在第二步进电机71的转轴上，螺纹杆72的端部转动连接有与安装块21固定连接的支撑块，所述移动块73固定连接在固定板41的侧边，所述移动块73设置在纵向滑槽内，并螺纹连接在螺纹杆72上，所述升降组件7的设置能够带动超声辅助部件4进行上下运动，针对于不同厚度的融溶材料，能够做适应性调节，使得超声波压头42与工件紧密贴合，有效的将工件中的气孔、缝隙和裂纹完全清除。
进一步地，所述激光熔喷头3的侧边设有连接杆31，所述连接杆31上设有通孔，所述螺纹杆72穿过通孔，所述通孔的设置避免了螺纹杆72与激光熔喷头3发生干涉，所述连接杆31的设置使得激光熔喷头3能够正好穿过安装圆板411，所述超声波压头42的设置高度低于连接杆31，从而避免在对超声波压头42进行周向旋转时与连接杆31发生干涉。
进一步地，所述安装槽412的侧边设有刻度线，所述滑块415上设有与刻度线相对应的基准线，根据不同材料的冷却速度在进行滑块415与激光熔喷头3之间的间距调节时，以基准线为基础，以刻度线为参考，便于对对滑块415进行量化调节。
进一步地，所述基板1上设有纵向的安装口11，所述安装口11内设有Y轴移动组件83，所述安装口11上方设有与Y轴移动组件83相连接的载板12，所述载板12用于在打印过程中承载成型件，所述Y轴移动组件83采用与Z轴提升组件81相同型号的步进电机，安装口11内设有与步进电机相连接的螺纹杆，载板12的底部设有与螺纹杆相配合的丝杆滑块，以驱动载板12沿Y轴方向进行移动。
进一步地，所述支撑架2上设有Z轴提升组件81，所述Z轴提升组件81包括：第三步进电机811和第一滚珠丝杠812，所述第三步进电机811设有两个，设置在支撑架2的同一侧，所述第一滚珠丝杠812固定连接在第三步进电机811的转轴上，第一滚珠丝杠812的端部转动连接有固定在支撑架2上的支撑板，所述第一滚珠丝杠上设有X轴移动组件82。
进一步地，所述X轴移动组件82包括：第一丝杠滑块821、第四步进电机822和第二滚珠丝杆823，所述第一丝杠滑块821设有两个，分别设置在两个第一滚珠丝杠812上，所述第四步进电机822设置在第一丝杠滑块821上，所述第二滚珠丝杆823转动连接在第四步进电机822的转轴上，第二滚珠丝杆823的端部转动连接在相对一侧的第一丝杆滑块821上，所述安装块21上设有与第二滚珠丝杆823相配合的第二丝杆滑块211。
进一步地，所述支撑架2为龙门架，支撑架2上的侧边设有与基板1相连接的加强杆，所述加强杆的设置增加了支撑架2的稳定性，保证了在进行增材制造过程中，工件的精度，支撑架2之间设有连接板22，所述第二丝杆滑块211与连接板22相贴合。
本实施例的工作原理及使用方法：
本发明提供了一种超声辅助增材制造装置，该超声辅助增材制造装置在使用时，Y轴移动组件控制着载板进行Y轴方向上的移动，X轴移动组件与Z轴提升组件共同控制着超声辅助部件进行X轴方向以及Z轴方向上的移动，在进行激光熔喷打印之前，根据熔喷将要打印熔喷材料的厚度，启动第二步进电机控制超声辅助部件进行上下移动，使得超声波压头在打印时充分与打印材料相接触，再根据合金材料的冷却速率转动旋钮带动丝杠旋转，并带动滑块在安装槽内进行滑动，从而调整超声波压头与激光熔喷头之间的距离，后在进行激光熔喷打印的过程中，根据工件的三维模型协调控制第三步进电机、第四步进电机及第五步进电机进行移动，从而将合金材料逐层打印至载板上，根据激光熔喷头的打印轨迹，控制第一步进电机转动，通过齿轮齿环带动安装圆板进行转动，从而带动超声波压头在激光熔喷头的周向进行旋转，使超声波压头始终位于激光熔喷头的运行轨迹的后方，以便于及时将成型件内产生的气孔、缝隙和裂纹进行及时清除。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声辅助增材制造装置，包括基板(1)，其特征在于，还包括：
支撑架(2)，设置在基板(1)的顶面上，支撑架(2)上设有安装块(21)，所述安装块(21)上设有激光熔喷头(3)；
超声辅助部件(4)，包括：固定板(41)、超声波压头(42)和驱动组件(43)，所述固定板(41)设置在安装块(21)上激光熔喷头(3)的下方，所述固定板(41)的中部位置设有圆形通孔，圆形通孔内转动连接有安装圆板(411)，所述安装圆板(411)上的中部位置设有供激光熔喷头(3)穿过的开口，所述超声波压头(42)纵向固定在安装圆板(411)上，所述驱动组件(43)设置在固定板(41)上；驱动组件(43)用于驱动安装圆板(411)转动。
2.如权利要求1所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述安装圆板(411)上设有安装槽(412)，所述安装槽(412)内设有导杆(413)以及转动连接在安装槽(412)内的丝杆(414)，所述丝杆(414)穿出安装圆板(411)，其穿出端设有转扭，所述安装槽(412)内设有螺纹连接在丝杆(414)上的滑块(415)，所述滑块(415)上设有穿过导杆(413)的条形孔，所述超声波压头(42)纵向安装在滑块(415)上。
3.如权利要求1所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述驱动组件(43)包括：齿环(431)和第一步进电机(432)，所述齿环(431)设置在安装圆板(411)的底部，所述第一步进电机(432)设置在固定板(41)的底部，所述第一步进电机(432)的转轴上设有与齿环相啮合的齿轮(433)。
4.如权利要求1所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述安装块(21)上设有纵向滑槽，所述超声辅助部件(4)上还设有升降组件(7)，所述升降组件(7)包括：第二步进电机(71)、螺纹杆(72)和移动块(73)，所述第二步进电机(71)设置在安装块(21)上激光熔喷头(3)的上方，所述螺纹杆(72)固定连接在第二步进电机(71)的转轴上，螺纹杆(72)的端部转动连接有与安装块(21)固定连接的支撑块，所述移动块(73)固定连接在固定板(41)的侧边，所述移动块(73)设置在纵向滑槽内，并螺纹连接在螺纹杆(72)上。
5.如权利要求4所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述激光熔喷头(3)的侧边设有连接杆(31)，所述连接杆(31)上设有通孔，所述螺纹杆(72)穿过通孔。
6.如权利要求3所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述安装槽(412)的侧边设有刻度线，所述滑块(415)上设有与刻度线相对应的基准线。
7.如权利要求1所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述基板(1)上设有纵向的安装口(11)，所述安装口(11)内设有Y轴移动组件(83)，所述安装口(11)上方设有与Y轴移动组件(83)相连接的载板(12)。
8.如权利要求1所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述支撑架(2)上设有Z轴提升组件(81)，所述Z轴提升组件(81)包括：第三步进电机(811)和第一滚珠丝杠(812)，所述第三步进电机(811)设有两个，设置在支撑架(2)的同一侧，所述第一滚珠丝杠(812)固定连接在第三步进电机(811)的转轴上，第一滚珠丝杠(812)的端部转动连接有固定在支撑架(2)上的支撑板，所述第一滚珠丝杠(812)上设有X轴移动组件(82)。
9.如权利要求8所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述X轴移动组件(82)包括：第一丝杠滑块(821)、第四步进电机(822)和第二滚珠丝杆(823)，所述第一丝杠滑块(821)设有两个，分别设置在两个第一滚珠丝杠(812)上，所述第四步进电机(822)设置在第一丝杠滑块(821)上，所述第二滚珠丝杆(823)转动连接在第四步进电机(822)的转轴上，第二滚珠丝杆(823)的端部转动连接在相对一侧的第一丝杆滑块(821)上，所述安装块(21)上设有与第二滚珠丝杆(823)相配合的第二丝杆滑块(211)。
10.如权利要求9所述的一种超声辅助增材制造装置，其特征在于，所述支撑架(2)为龙门架，支撑架(2)上的侧边设有与基板(1)相连接的加强杆，支撑架(2)之间设有连接板(22)，所述第二丝杆滑块(211)与连接板(22)相贴合。
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| CN202311026116.8A CN117021578A (zh) | 2023-08-15 | 2023-08-15 | 一种超声辅助增材制造装置 |
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| CN117021578A true CN117021578A (zh) | 2023-11-10 |
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