CN204524257U - 电子束熔融及激光铣削复合3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及3D打印设备技术领域，公开了电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，包括基座，基座上设有加工平台；基座上设有用于将金属粉铺设在加工平台的铺粉结构；加工平台的上方分别设有电子束发射结构以及激光铣削头；电子束发射结构发射电子束对金属粉层进行熔融以形成单层或多层近似形体；激光铣削头发射激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工。3D打印设备将以激光铣削为主的去除式加工与以电子束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成，克服3D打印技术在尺寸和形状等方面的缺陷，克服切削对零部件复杂程度等方面的制约，不须对加工后的零件进行二次加工，避免装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题。

Description

电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及3D打印设备的技术领域，尤其涉及电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备。

背景技术

金属熔融3D打印技术(Selective Laser Melting，SLM)是利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料，无需粘结剂，由3D模型直接成型出与铸件性能相当的任意复杂结构零件。

金属熔融3D打印技术虽然可以成型出达到铸造强度级别的零件，但是成型出的零件的形状误差大、表面光洁度不高，这样，成型后的零件则需要采用传统的机械加工方式对此进行二次加工，才能得到航空制造工业所要求的形状及表面精度。而航空航天行业大部分零件，如发动机喷嘴、叶片、蜂窝结构的燃烧室等，一般是复杂薄壁或点阵夹芯结构，或是尺寸较大的形状，或是自由曲面等形状，当采用金属熔融3D打印技术加工出来的零件，再放入机床进行二次加工时，则存在以下问题：

1)、装夹困难，或装夹后，由于坐标变换无法精确定位零件参考点，导致加工误差大；

2)、对于薄壁结构的零件，加工时，由于无支撑零件的面，导致零件应力变形；

3)、部分零件由于内部结构复杂，刀具无法伸入其内部，导致难以加工。

由于上述问题的存在，导致目前金属熔融3D打印技术虽然已经应用到飞机零件的生产制造中，但应用面较窄，仅应用于一些对精度、强度要求不高的零件，或者形状较简单及容易二次机械加工的零件的加工上，距离广泛应用还存 在较大差距。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，旨在解决现有技术中，采用金属熔融3D打印技术加工的零件在机床进行二次加工，存在装夹困难、加工误差大、零件易变性及难以加工的问题。

本实用新型是这样实现的，电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，包括基座，所述基座上设有沿竖向移动的加工平台；所述基座上设有用于将金属粉铺设在所述加工平台形成金属粉层的铺粉结构；所述加工平台的上方分别设有电子束发射结构以及可在立体空间移动的激光铣削头；所述电子束发射结构发射电子束对位于所述加工平台上的金属粉层进行熔融加工以形成单层或多层近似形体；所述激光铣削头发射激光束对形成在所述加工平台上的单层或多层近似形体进行铣削加工。

进一步地，所述基座上设有两个相间隔并排布置的导轨，所述加工平台位于两所述导轨之间；所述铺粉结构包括刮刀以及储粉箱，所述刮刀的两端分别活动连接于两所述导轨，所述刮刀的下端与所述加工平台之间具有间隙；所述储粉箱具有上端开口且用于装置金属粉的储粉腔，所述基座中设有与所述储粉腔的上端开口对齐的通孔；所述储粉箱的储粉腔中设有竖向移动且用于将金属粉运送至所述基座上的运粉台，所述运粉台分别与所述储粉腔的上端开口及通孔对齐布置。

进一步地，所述基座上设有两个相间隔并排布置的导轨，所述加工平台位于两所述导轨之间；所述铺粉结构包括刮刀以及位于所述刮刀上方的漏粉箱，所述刮刀的两端分别活动连接于两所述导轨，所述刮刀的下端与所述加工平台之间具有间隙；所述漏粉箱中设有用于装置金属粉的储粉腔，所述漏粉箱的下端设有漏粉孔，所述刮刀的上端设有用于收集经由所述漏粉孔落下的金属粉的集粉槽。

进一步地，所述铺粉结构包括两个所述刮刀及两个所述漏粉箱，两个所述刮刀分别设置在所述加工平台的前端及后端，两个所述漏粉箱分别位于两个所述刮刀的上方。

进一步地，所述加工平台的两侧分别设有用于检测铺设在所述加工平台上的金属粉层厚度的传感器。

进一步地，所述电子束发射结构包括发射电子束的电子束发生器以及通电产生磁场的线圈，所述电子束发生器发射的电子束穿过所述线圈产生的磁场。

进一步地，两个所述导轨上活动连接有门架，所述门架包括两个相间隔布置的连接臂以及横梁，两个所述连接臂的下端分别活动连接在两个所述导轨上，所述横梁的两端分别连接在两个所述连接臂的上端；所述横梁上活动连接有沿着横梁移动的移动端子，所述移动端子上活动连接有相对于所述移动端子上下移动的连接板，所述激光铣削头连接于所述连接板上。

进一步地，所述激光铣削头内设有供冷却水流通的冷却管路。

进一步地，所述电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备还包括回收箱，所述回收箱中具有用于容置并回收所述基座上金属粉的回收腔，所述回收箱位于所述基座的下方，所述基座中设有连通所述回收腔的回收口。

进一步地，所述电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备装置在加工室的加工空间内，所述加工室的加工空间呈真空状或充有惰性气体。

与现有技术相比，本实用新型提供的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备加工零件，利用电子束发射结构发射的电子束逐层熔融金属粉层后，利用激光铣削头发出的激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，循环重复直至零件加工完毕，该3D打印设备将传统的以激光铣削为主的去除式精密加工与以电子束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成为一体，既能克服传统3D打印技术在尺寸和形状精度等方面的缺陷，也可以克服切削加工对零部件复杂程度等方面的制约，这样，则不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题，为3D打 印技术开辟更加广阔的应用空间，为航空航天产业核心精密零部件的生产制造提供新的方法和手段；另外，采用激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，属于非接触式铣削加工，避免传统式刀具直接与单层或多层近似形体直接接触加工存在的缺陷，大大提高铣削加工的精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备的立体示意图；

图2是本实用新型实施例提供的激光铣削头的立体示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

如图1～2所示，为本实用新型提供的较佳实施例。

本实用新型提供的3D打印设备1，复合了激光铣削加工及电子束熔融，其可以用于成型各种零件，如航空制造工业所需的零件等。

电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1包括基座100、铺粉结构、电子束发射结构101以及激光铣削头114，其中，基座100作为整个3D打印设备1的基础，起到承载作用，基座100上设有沿竖直方向移动的加工平台109，金属粉被铺设在该加工平台109上；铺粉结构设置在基座100上，铺粉结构用于将金属粉等输送到加工平台109上，且金属粉在加工平台109上形成金属粉层；电子束发射结构101位于加工平台109的上方，其发射可以在水平面移动的电子束，且该电子束用于对形成在加工平台109上的金属粉层进行熔融加工以形成单层或多层近似形体；激光铣削头114位于加工平台109的上方，其可以在 空间中立体移动，该激光铣削头114可以发射激光束对加工平台109上熔融成型的单层或多层近似形体进行铣削加工。

参照图1所示，设定平行于加工平台109的XY平面为水平面，Z方向则为竖直方向，垂直于水平面的平面为竖直平面，这样，加工平台109可以在沿Z方向上下移动，电子束发射结构101发射的电子束在XY平面移动，而激光铣削头114可以在X、Y、Z方向移动。

在上述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1中，采用电子束发射结构101发射的电子束熔融金属粉层进行3D打印，利用激光铣削头114发射的激光束对电子束发射结构101每次加工的单层或多层近似形体进行铣削加工，融合3D打印技术及铣削加工为一体。

在实际加工过程中，其具体操作过程如下：

1)、铺粉结构将金属粉输送至加工平台109上，并铺设在加工平台109上，形成金属粉层；按照3D打印技术，电子束发射结构101发射电子束对加工平台109上的金属粉层熔融加工，逐行逐层堆积形成单层或多层的近似形体；

2)、利用激光铣削头114发射的激光束对加工平台109上形成的单层或多层的近似形体进行铣削，以达到构件所需的尺寸及表面精度；

3)、重复循环上述步骤1)及步骤2)，一直到最后零件的形状加工完毕。

每次完成上述步骤1)及2)，加工平台109则会向下移动一定距离，以保证重新布置在加工平台109上的金属粉层与电子束发射结构101发射的电子束的焦点之间的距离保持不变。在步骤1)中，利用电子束发射结构101发出的电子束在水平面移动，在加工平台109上的金属粉层中成型单层或多层近似形体；在步骤2)中，利用激光铣削头114发射的激光束在立体空间移动，可以对各种类型的单层或多层近似形体全方位进行铣削。

利用本实施例提供的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1加工零件，利用电子束逐层熔融金属粉层后，利用激光铣削头114发射的激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，循环重复直至零件加工完毕，该3D打印设备将 传统的以激光铣削为主的去除式精密加工与以电子束熔融3D打印为主的增量叠层制造工艺集成为一体，既能克服传统3D打印技术在尺寸和形状精度等方面的缺陷，也可以克服切削加工对零部件复杂程度等方面的制约，这样，则不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题，为3D打印技术开辟更加广阔的应用空间，为航空航天产业核心精密零部件的生产制造提供新的方法和手段。

另外，采用激光铣削头114发射的激光束对单层或多层近似形体进行铣削加工，属于非接触式铣削加工，避免传统式刀具直接与单层或多层近似形体直接接触加工存在的缺陷，大大提高铣削加工的精度。

本实施例中，在基座100上设有两排相间隔并行布置的导轨105，该两个导轨105布置在加工平台109的两侧；铺粉结构包括刮刀104以及储粉箱103，刮刀104的两端分别活动连接在两个导轨105上，这样，刮刀104则可以沿着导轨105在水平面上移动，且刮刀104的下端面与加工平台109之间具有间隙；储粉箱103具有上端开口的储粉腔，储粉箱103的储粉腔用于存储金属粉，该储粉箱103位于基座100的下方，且在基座100中，设有连通该储粉箱103上端开口的通孔，也就是说，通孔与储粉箱103的上端开口对齐，当然，该通孔也位于两个导轨105之间。

在储粉箱103中还设有可以上下移动的运粉台，该运粉台与储粉箱103的上端开口及基座100中的通孔分别对齐布置，这样，当刮刀104需要在加工平台109上铺设金属粉层时，运粉台上运载着金属粉，并向上移动，分别穿过储粉箱103的上端开口及基座100的通孔，直至金属粉显露在基座100上，这样，利用刮刀104则可以将金属粉刮至加工平台109上，形成金属粉层，当然，每次形成在加工平台109上的金属粉层的厚度，与刮刀104下端与加工平台109的间隙一致。

这样，根据实际加工需要，则可以选择每次铺设在加工平台109上的金属粉层的厚度，只需要调整刮刀104，调节刮刀104下端与加工平台109之间的 间隙则可。

作为优选的实施例，本实施例中，铺粉结构包括有两个上述的刮刀104以及两个上述的储粉箱103，这样，两个刮刀104的两端分别活动连接在两个导轨105上，且两个刮刀104分别设置在加工平台109的前端及后端，这样，在利用刮刀104进行铺粉时，则可以利用两个刮刀104交互操作，大大提高了铺粉效率。

或者，作为其它实施例，本实施例中，铺粉结构还可以是包括上述的刮刀104以及漏粉箱，该漏粉箱位于基座100的上方，其中设有储粉腔，金属粉则存储在该漏粉箱的储粉腔中。在漏粉箱的下端设有漏粉孔，该漏粉孔连通漏粉腔，漏粉腔内的金属粉可以通过该漏粉孔落在基座100上，并由刮刀104进行铺粉操作，将金属粉铺设在加工平台109上，形成金属粉层。

具体地，漏粉孔呈条状延伸布置，这样，保证通过刮刀104进行铺粉后的金属粉层的宽度满足使用需要。一般情况下，保证漏粉孔的长度略大于加工平台109的宽度。

当然，对于设置漏粉箱实现自上而下漏粉的结构，也可以设置两个漏粉箱，分别位于加工平台109的上方的前端及后端，并且，配合两个刮刀104，实现交互式铺粉操作。

为了对铺设在加工平台109上的金属粉层的厚度进行检测，本实施例中，在加工平台109的两侧分别设有传感器107，该传感器107用于对铺设在加工平台109上的金属粉层的厚度进行检测，传感器107检测的信息通过反馈给控制中心，进而由控制中心对加工平台109与刮刀104之间的间隙进行调节。

具体地，为了更加准确的检测金属粉层的厚度，本实施例，在加工平台109的两侧，沿着加工平台109的侧边延伸，分别布置有多个上述的传感器107。

电子束发射结构101包括电子束发生器以及线圈，其中，电子束发生器可以发射电子束，其发射的电子束通过线圈通电形成的磁场，这样，通过对线圈磁场的调节，则可以改变电子束的传输路径，实现电子束在水平面的移动，根 据需要加工近似形体构件的形状要求，对应地调节线圈产生的磁场，从而实现电子束的偏移。

为了实现加工平台109上上下移动，上述的加工平台109下方连接有升降马达111，利用该升降马达111的动力驱动，驱动加工平台109的上下移动，当每次铺粉结构在加工平台109上铺设一层金属粉层后，升降平台则控制加工平台109下降固定距离，从而保证电子束发射结构101发射的电子束的焦点落在金属粉层上的距离不变。

本实施例中，在两个导轨105上设有门架106，该门架106包括两相间隔布置的连接臂1062以及横梁1061，两连接臂1062的下端分别活动连接在两导轨105上，且可以沿着导轨105移动，横梁1061连接在两连接臂1062的上端，这样，横梁1061则呈横跨状布置在两个导轨105之间。在横梁1061上活动连接有移动端子112，该移动端子112可以沿着横梁1061移动。

在上述的移动端子上还活动连接有连接板113，该连接板113可以相对移动端子上下移动，也就是沿着竖向移动，沿着Z方向移动。激光铣削头114连接在该连接板113上，这样，当连接板113在竖向移动时，激光铣削头114也随之在竖向移动。

在上述的结构中，横梁1061可以沿着两个导轨105移动，也就是沿着Y方向移动，移动端子112可以沿着横梁1061移动，也就是沿着X方向移动，连接板113相对于连接板113上下移动，也就是沿Z方向移动，这样，激光铣削头114则可以在立体空间移动。

另外，激光铣削头114内设有冷却管路115，该冷却管路115中供冷却水连通，这样，通过在冷却管路115内流通冷却水，则可以利用冷却水的流动，带走激光铣削头114中个构件工作过程中产生的热量，起到散热的效果，保证激光铣削头114较佳的工作效率及性能。

本实施例中，电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1还包括金属粉回收结构，该金属粉回收结构用于将基座100上加工剩余的金属粉进行回收，这 样，则有利于金属粉的循环利用。

具体地，金属粉回收结构包括回收箱110，该回收箱110中设有用于容置回收的金属粉的回收腔，回收箱110位于基座100的下方，在基座100中设有回收口，该回收口连通回收箱110的回收腔，这样，基座100上加工剩余的金属粉则可以通过回收口进入回收箱110的回收腔中，回收腔内的金属粉，进行残渣滤除，则可以重新循环使用。

本实施例中，回收口布置在加工平台109的侧边，当然，沿着刮刀104铺粉时的移动方向，回收口布置在加工平台109的后端；或者，对于两个刮刀104配合交互式铺粉的操作，回收口可以分别设置在加工平台109的前端及后端；或者，作为其它实施例，回收口可以布置的加工平台109的两侧。

为了使得电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1在加工的过程中，金属粉不会被氧化，从而使得成型的零件的性能较佳，本实施例中，电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1还包括加工室，该加工室内具有加工空间，且该加工空间呈真空状态，或者，加工空间内充入惰性气体，上述的基座100布置在加工室的加工空间内，也就是电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备1装置在加工室的加工空间内，这样，可以减少环境对金属熔融或凝固时的影响，提高金属的机械以及物理性能，为金属电子束熔融3D打印技术开辟更加广阔的应用空间，为高熔点金属的生产制造提供新的方法和手段。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，包括基座，所述基座上设有沿竖向移动的加工平台；所述基座上设有用于将金属粉铺设在所述加工平台形成金属粉层的铺粉结构；所述加工平台的上方分别设有电子束发射结构以及可在立体空间移动的激光铣削头；所述电子束发射结构发射电子束对位于所述加工平台上的金属粉层进行熔融加工以形成单层或多层近似形体；所述激光铣削头发射激光束对形成在所述加工平台上的单层或多层近似形体进行铣削加工。

2.如权利要求1所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述基座上设有两个相间隔并排布置的导轨，所述加工平台位于两所述导轨之间；所述铺粉结构包括刮刀以及储粉箱，所述刮刀的两端分别活动连接于两所述导轨，所述刮刀的下端与所述加工平台之间具有间隙；所述储粉箱具有上端开口且用于装置金属粉的储粉腔，所述基座中设有与所述储粉腔的上端开口对齐的通孔；所述储粉箱的储粉腔中设有竖向移动且用于将金属粉运送至所述基座上的运粉台，所述运粉台分别与所述储粉腔的上端开口及通孔对齐布置。

3.如权利要求1所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述基座上设有两个相间隔并排布置的导轨，所述加工平台位于两所述导轨之间；所述铺粉结构包括刮刀以及位于所述刮刀上方的漏粉箱，所述刮刀的两端分别活动连接于两所述导轨，所述刮刀的下端与所述加工平台之间具有间隙；所述漏粉箱中设有用于装置金属粉的储粉腔，所述漏粉箱的下端设有漏粉孔，所述刮刀的上端设有用于收集经由所述漏粉孔落下的金属粉的集粉槽。

4.如权利要求3所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述铺粉结构包括两个所述刮刀及两个所述漏粉箱，两个所述刮刀分别设置在所述加工平台的前端及后端，两个所述漏粉箱分别位于两个所述刮刀的上方。

5.如权利要求1至4任一项所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述加工平台的两侧分别设有用于检测铺设在所述加工平台上的金属粉层厚度的传感器。

6.如权利要求1至4任一项所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述电子束发射结构包括发射电子束的电子束发生器以及通电产生磁场的线圈，所述电子束发生器发射的电子束穿过所述线圈产生的磁场。

7.如权利要求2或3所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，两个所述导轨上活动连接有门架，所述门架包括两个相间隔布置的连接臂以及横梁，两个所述连接臂的下端分别活动连接在两个所述导轨上，所述横梁的两端分别连接在两个所述连接臂的上端；所述横梁上活动连接有沿着横梁移动的移动端子，所述移动端子上活动连接有相对于所述移动端子上下移动的连接板，所述激光铣削头连接于所述连接板上。

8.如权利要求1至4任一项所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述激光铣削头内设有供冷却水流通的冷却管路。

9.如权利要求1至4任一项所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备还包括回收箱，所述回收箱中具有用于容置并回收所述基座上金属粉的回收腔，所述回收箱位于所述基座的下方，所述基座中设有连通所述回收腔的回收口。

10.如权利要求1至4任一项所述的电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备，其特征在于，所述电子束熔融及激光铣削复合3D打印设备装置在加工室的加工空间内，所述加工室的加工空间呈真空状或充有惰性气体。