CN209919307U - 一种增减材复合制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种增减材复合制造设备。该设备中增材和减材过程独立完成，无需采用加工中心上的刀具切换装置，将减材刀具和增材成形组件进行切换，大大提升了生产效率。该设备包括加工中心、增材成形组件以及冷却喷嘴；增材成形组件包括连接板、电机、直线运动线性模组以及能量沉积金属增材成形装置；直线运动线性模组固定在加工中心的主轴箱上，直线运动线性模组上滑动连接有连接板；连接板上固定安装能量沉积金属增材成形装置；电机向直线运动线性模组提供动力从而使连接板带动能量沉积金属增材成形装置上下移动；冷却喷嘴固定在加工中心的主轴箱上，且出风口朝向加工中心的工作台面。

Description

一种增减材复合制造设备

技术领域

本实用新型属于3D打印技术领域，具体涉及一种增减材复合制造设备。

背景技术

增材制造技术是通过材料的有序累加或堆积形成三维实体，因其材料利用率高、可实现复杂零部件的一体化成形等优势，增材制造技术，尤其金属增材制造技术已步入了航空航天、核能、海洋工程、汽车工程等领域的工业应用阶段。

但是，对于现有的增减材设备来说，还存在以下问题：

1、目前增减材设备的大都采用加工中心上的刀具切换装置，将减材刀具和增材成形组件进行切换，这种做方法大大降低了生产效率。

2、对减材刀具的冷却：目前加工基本都是干式铣削，没有对刀具做冷却处理，干式加工会影响刀具的使用寿命，增加刀具使用成本；

3、对于工作台面的冷却，现有方法是在工作台面和打印基板支架之间增加隔热物，但是这种方式无法对打印基板进行温度调控，冷却效果较差。

实用新型内容

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种增减材复合制造设备，该设备在加工中心的主轴箱上安装独立移动的增材成形组件，使得增材和减材过程独立完成，无需采用加工中心上的刀具切换装置，将减材刀具和增材成形组件进行切换，大大提升了生产效率，同时，还采用了风冷方式对加工区域进行冷却，大大减小了加工过程中对刀具损坏。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型设计了一种增减材复合制造设备，包括加工中心、增材成形组件以及冷却喷嘴；

增材成形组件包括连接板、电机、直线运动线性模组以及能量沉积金属增材成形装置；

直线运动线性模组固定在加工中心的主轴箱上，可随主轴箱一同沿竖直方向运动，直线运动线性模组上滑动连接有连接板；连接板上固定安装能量沉积金属增材成形装置；电机向直线运动线性模组提供动力从而使连接板带动能量沉积金属增材成形装置沿竖直方向上下切换位置；冷却喷嘴固定在加工中心的主轴箱上，且出风口朝向加工中心的工作台面。

进一步地，为了使得加工中心的工作台面的温控效果更优，该加工中心的工作台面上还设有水冷板；水冷板安装在加工中心的工作台面上，可随工作台面一同回转运动；水冷板上设有一进水口和一出水口；水冷板内设置有流通管道，流通管道一端与进水口连接，另一端与出水口连接，流通管道在水冷板内自边缘至中心盘绕设置；水冷板上设置有用于固定工件的多个安装孔；安装孔均需避开流通管道的位置开设。

进一步地，为了使得散热性更强，并且利于制作，所述流通管道采用铜管。

进一步地，上述能量沉积金属增材成形装置为激光熔覆头。激光熔覆头为送粉激光熔覆头或送丝激光熔覆头。

进一步地，上述能量沉积金属增材成形装置还可以为焊枪。焊枪为冷金属过渡焊接焊枪(CMT)或熔化极惰性气体保护焊焊枪(MIG)或非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪(TIG)。

进一步地，上述加工中心为五轴加工中心，采用龙门结构，并采用摇篮和转台组合形式。

进一步地，为了避免了增减材过程中对气氛造成的影响，增加刀具具的使用寿命，节省了冷却刀具气体的使用量，有效的确保了零件的加工质量，使得生产效率得到大幅提升，该设备还包括气氛调节循环装置；

气氛调节循环装置包括第一密封箱体、第二密封箱体、惰性气体气源以及净化单元；

第一密封箱体与第二密封箱体之间通过第一管道和第二管道相连通；

第一密封箱体内安装所述加工中心；第一密封箱体上还安装有水氧传感器、压力传感器、温度传感器以及空调；

惰性气体气源以及净化单元均与所述第一密封箱体连接；

第一密封箱体上还设有排空管路，排空管路上设置有泄压阀；

第二密封箱体内放置空压机以及风机；空压机通过设置在外部的低温冷却装置向所述冷却喷嘴提供冷风；风机通过第三管道与第一密封箱体连接。

进一步地，由于空压机过热会自动停机，从而导致整个系统无法正常运转，该系统还在所述第二密封箱体内安装热交换器，所述热交换器与外部冷水机连接，通过第二密封箱体与外部的热交换，使空压机不会出现过热停机的状况。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型提供设备采用在加工中心的主轴箱上安装独立移动的增材成形组件，使得增材和减材过程独立完成，无需采用加工中心上的刀具切换装置，将减材刀具和增材成形组件进行切换，大大提升了生产效率，同时，还采用了风冷方式对加工区域进行冷却，可以有效降低加工刀具的温升，延长刀具使用寿命，降低刀具长期使用成本；提高加工零件表面质量。

2、本实用新型提供设备采用在工作台面增加水冷板，相比较一般的隔热棉等手段，既可保证工作台面避免温升带来的影响，又更容易保证尺寸精度；也易调控维持打印基板的温度。

3、本实用新型采用激光熔覆头和焊枪作为能量沉积金属增材成形装置，可实现金属粉材和金属丝材的打印，打印方式多样化。

4、本实用新型采用气氛调节循环装置，确保整个设备在减材、增材过程中的压力、温度以及水氧含量均维持一个平衡的状态，避免了气氛被破坏会导致的零件质量的问题。

附图说明

图1为增减材复合制造设备的主视图；

图2为图1的侧面视图(该图中省略了加工中心底座、横梁、摇篮等处的剖面线)；

图3为激光熔覆头安装在连接板上的局部结构示意图；

图4为焊枪安装在连接板上的局部结构示意图；

图5为水冷板的剖视图。

图6为本发明在具有气氛调节循环装置时的结构布局图。

附图标记如下：

1-加工中心、2-主轴箱、3-冷却喷嘴、4-工作台面、5-增材成形组件、6-连接板、7-电机、8-直线运动线性模组、9-激光熔覆头、10-焊枪、11-水冷板、12-进水口、13-出水口、14-流通管道、15-安装孔、16-第一密封箱体、17-第二密封箱体、18-惰性气体气源、19-净化单元、20-第一管道、21-第二管道、22-水氧传感器、23-压力传感器、24-温度传感器、25-空调、26-排空管路、27-空压机、28-风机、29-低温冷却装置、30-热交换器、31-冷水机、32-第三管道。

具体实施方式

基于现有增减材设备存在的缺陷，本实用新型提供了一种增减材复合制造设备，下面根据具体实例和相关附图对该系统进行详细的描述。

实施例1

参见图1-3所示，该设备包括加工中心1、增材成形组件5以及冷却喷嘴3；

增材成形组件5包括连接板6、电机7、直线运动线性模组8以及能量沉积金属增材成形装置(本实施例中采用激光熔覆头9)；

直线运动线性模组8固定在加工中心1的主轴箱2上，直线运动线性模组8上滑动连接连接板6；连接板6上固定安装激光熔覆头9；电机7向直线运动线性模组8提供动力从而使连接板带动激光熔覆头9上下移动；这种设计的目的是：将激光熔覆头9的上下移动和主轴的上下移动分开进行，根据打印需要，可以利用设置在主轴箱上直线运动线性模组8把激光熔覆头9降下来，下降高度可调；减材时，可以把激光熔覆头9升上去，利用安装在主轴上的刀具对零件进行加工，加工效率大大提升。

采取直线运动线性模组8和伺服电机7实现上下移动，可提高控制精度；采取直线运动线性模组8和连接板6，可增加设备强度和刚性，减少在减材过程中给激光熔覆头带来的振动。

冷却喷嘴3固定在加工中心的主轴箱2上，且出风口朝向加工中心的工作台面4，通过向冷却喷嘴3提供冷风，从而实现对刀具以及加工区域进行冷却。

参见图4，为了使本实施例中的激光熔覆头还可采用焊枪10进行替代，从而实现金属丝材打印。

参见图5，加工中心1的工作台面4增加水冷板11，水冷板11可随工作台面4一同回转运动，相比较一般的隔热棉等手段，既可保证工作台面避免温升带来的影响，又更容易保证尺寸精度；也易调控维持打印基板的温度。

水冷板11上设有一进水口12和一出水口13；水冷板11内设置有流通管道14，流通管道14一端与进水口12连接，另一端与出水口13连接，流通管道14在水冷板内自边缘至中心盘绕设置；水冷板11上设置有用于固定工件的多个安装孔15；安装孔15均需避开流通管道14的位置开设。

流通管道14采用铜管，散热性好，在打印过程中形成的温升可以通过流通管道将冷却水带走；既可保证工作台面避免温升带来的影响，也可调控维持打印基板的温度。

实施例2

为了对增减材过程中的气氛环境进行实时快速调节，避免了增减材过程中对气氛造成的影响，有效的确保了零件的加工质量，本实用新型还提供一种具有气氛调节循环装置的增减材复合制造设备。

如图6所示，气氛调节循环装置包括第一密封箱体16、第二密封箱体17、惰性气体气源18以及净化单元19；

第一密封箱体16与第二密封箱体17之间通过第一管道20和第二管道21相连通；

第一密封箱体16和第二密封箱体17根据不同材料打印过程中的特性，需要设计成一接近无水无氧的环境，可以直接打印钛合金等多种金属材料，避免在打印过程中水、氧对其造成的影响；其制造材质全部使用不锈钢板拼焊，保证箱体密封性稳定性。

第一密封箱体16内安装实施例1所述增减材复合制造设备；第一密封箱体16上还安装有水氧传感器22、压力传感器23、温度传感器24以及空调25；

惰性气体气源18以及净化单元19均与所述第一密封箱体16连接；

第一密封箱体16上还设有排空管路26，排空管路26上设置有泄压阀；

第二密封箱体17内放置空压机27以及风机28；空压机27通过设置在外部的低温冷却装置29向所述冷却喷嘴3提供冷风；

风机28通过第三管道32与第一密封箱体16连接。

为了防止空压机27过热而停机的问题，第二密封箱体17内安装热交换器30，热交换器30与外部设置的冷水机31连接实现热交换，从而直接对空压机进行冷却，确保系统的正常运行。

气氛调节循环装置的工作原理具体如下：

1)填充惰性气体气源

利用惰性气体气源18向第一密封箱体16和第二密封箱体17内充入惰性气体，此时开启排空管路26，使第一密封箱体16和第二密封箱体17内的大部分空气排除，到一定数值，此时，水氧传感器22和压力传感器23均处于开启状态，实时检测第一密封箱体16和第二密封箱体17的水氧含量以及压力值；

2)气体净化

利用净化单元19将第一密封箱体16和第二密封箱体17内的水和空气进行净化，使得两个箱体内的环境基本处于一个接近无水无氧的状态；

若水氧含量超过设定值，则开启净化单元19对水氧含量进行净化；

若压力传感器23反馈压力值未处于设定范围，排气管路16上的泄压阀开启，或者惰性气体气源18开始工作，对第一密封箱体16和第二密封箱体17内的压力进行微调(原则是：多时排出，少时补气)保证箱体内的气体压力一直在±12mbar范围内；

3)增减材作业；

空压机27通过将第一密封箱体16和第二密封箱体17内的惰性气体抽出来进行增压，然后通过低温冷却装置29传输至冷却喷嘴3给刀具吹冷气；此时，为了维持第一密封箱体16和第二密封箱体17内的压力基本平衡稳定，压力传感器23反馈，泄压阀和惰性气体气源18开始工作压力微调，多时排出，少时补气，保证箱体内的气体压力一直在±12mbar范围内；

同时在温度传感器24检测第一密封箱体16和第二密封箱体17内的温度，通过设置在第一密封箱体16内的空调25和第二密封箱体17内的风机28做主要的温度调控；由于空压机27的过热会导致空压机27停止运转，第二密封箱体17的热交换器30持续和外部冷水机31进行热交换，使空压机27始终处于正常运行模式。

Claims (10)

1.一种增减材复合制造设备，其特征在于：包括加工中心、增材成形组件以及冷却喷嘴；

增材成形组件包括连接板、电机、直线运动线性模组以及能量沉积金属增材成形装置；

直线运动线性模组固定在加工中心的主轴箱上，可随主轴箱一同沿竖直方向运动，直线运动线性模组上滑动连接有连接板；连接板上固定安装能量沉积金属增材成形装置；电机向直线运动线性模组提供动力从而使连接板带动能量沉积金属增材成形装置沿竖直方向上下切换位置；冷却喷嘴固定在加工中心的主轴箱上，且出风口朝向加工中心的工作台面。

2.根据权利要求1所述的增减材复合制造设备，其特征在于：还设有水冷板；水冷板安装在加工中心的工作台面上，可随工作台面一同回转运动；水冷板上设有一进水口和一出水口；水冷板内设置有流通管道，流通管道一端与进水口连接，另一端与出水口连接，流通管道在水冷板内自边缘至中心盘绕设置，水冷板上设置有用于固定工件的多个安装孔。

3.根据权利要求2所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述流通管道采用铜管。

4.根据权利要求1所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述能量沉积金属增材成形装置为激光熔覆头。

5.根据权利要求4所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述激光熔覆头为送粉激光熔覆头或送丝激光熔覆头。

6.根据权利要求1所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述能量沉积金属增材成形装置为焊枪。

7.根据权利要求6所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述焊枪为冷金属过渡焊接焊枪或熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护电弧焊焊枪。

8.根据权利要求1所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述加工中心为五轴加工中心，采用龙门结构，并采用摇篮和转台组合形式。

9.根据权利要求1-8任一权利要求所述的增减材复合制造设备，其特征在于：所述增减材复合制造设备还设置有气氛调节循环装置；

气氛调节循环装置包括第一密封箱体、第二密封箱体、惰性气体气源以及净化单元；

第一密封箱体与第二密封箱体之间通过第一管道和第二管道相连通；第一密封箱体内安装所述加工中心；第一密封箱体上还安装有水氧传感器、压力传感器、温度传感器以及空调；

惰性气体气源以及净化单元均与所述第一密封箱体连接；

第一密封箱体上还设有排空管路，排空管路上设置有泄压阀；

第二密封箱体内放置空压机以及风机；空压机通过设置在外部的低温冷却装置向所述冷却喷嘴提供冷风；风机通过第三管道与第一密封箱体连接。

10.根据权利要求9所述的增减材复合制造设备，其特征在于：还包括安装在第二密封箱体内的热交换器，所述热交换器与外部冷水机连接。

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