CN112518073A - 一种电弧熔丝金属打印机自动换丝装置 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种电弧熔丝金属打印机自动换丝装置，包括4个金属喷头、一个喷头平台、4个喷头夹持零件和4对定制板簧，共同安装组成如图所示的一个喷头组。各个喷头连接固定的金属原料，由数控***统一进行移动控制。本发明所设计的喷头支撑平台具备带动各喷头实现数控旋转的功能；并且通过与夹持零件和定制板簧相互配合，实现各金属喷头在工作状态和挂起状态的转换功能；两个功能相互配合，实现本发明装置的自动换丝功能。因此，本发明装置能够完成多金属复合材料的增材制造过程，具有很大的产品制造潜力。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种电弧熔丝金属打印机自动换丝装置的设计方案。
背景技术
电弧熔丝增材制造技术是通过电弧作为热源，对焊丝进行熔化，并由数控***控制进行材料的逐层堆积成型，最终形成产品零件。该技术多是基于冷金属过渡焊接技术(CMT技术)，其主要技术过程如下：以数字式焊接控制***控制电弧的生成与熄灭，实现脉冲式焊丝输送；在熔滴从焊丝上滴落之后，数控***再次提高焊接电流，进一步将焊丝向前送出；之后，再次重新生成焊接电弧，进行新一轮的焊接。此技术的脉冲式焊丝输送在增材制造领域具备有很大的成型潜力。
现有应用较为广泛且技术较为成熟的金属3D打印技术常为单一材料形式，尚未实现多金属复合材料的增材制造。单材料形式金属打印机具有数控***容易实现、结构设计简单等优点；但该技术简易的同时也极大限制了其本身的产品制造能力，导致其在诸多多金属复合材料产品项目面前望而却步。然而，多金属复合材料具备良好的强度、硬度等力学性能，同时兼备优良的耐磨性、耐蚀性等理化性能，在各行各业都具有广泛的应用需求。因此，实现打印多金属复合材料的增材制造技术迫在眉睫。
发明内容
针对以上问题及相关技术，本发明的目的在于提供一种电弧熔丝金属打印机自动换丝装置的设计方法，以此实现多金属复合材料产品的打印制造过程，从而获得各项性能良好、能够满足生产应用等要求的多金属3D打印制品。
本发明的技术方案包括结构设计、喷头组自动换丝、成型原理和过程等几个方面，以下为各个方面的详细阐述。
关于结构设计方面，本电弧熔丝金属打印机具备4个喷头和4个CMT焊机，呈环型分布，组成喷头组。4个喷头以固定搭配的形式连接各自的原材料，不同的原材料与不同的CMT焊机相匹配。在运动结构方面，其工作平台通过电机和传动轴实现Z轴的运动调节功能，在成型过程中由电脑数控进行上下运动。同样地，喷头组的运动也由电机和传动轴配合实现，X轴方向具备一个电机和两个左右对称的传动轴，Y轴方向具备一个电机和一个传动轴；X轴的双传动轴与Y轴的单传动轴存在从属连接关系，即喷头在进行Y轴方向的运动时，仅需单电机带动Y轴方向的单传动轴运作，而喷头在进行X轴方向的运动时，X轴方向的电机和双传动轴运作的同时，Y轴的传动轴将被相应地带动。这样的结构设计分工明确，各机构运作情况清晰且不冲突，同时还能留出足够大的工作空间，为打印过程正常连续进行提供了有力保障。
关于喷头组自动换丝方面，本发明的喷头组自动换丝结构具备4个喷头的旋转替换功能。自动换丝结构中具备有一个喷头平台，平台上有4个喷头的安装位置，每个喷头安装位置都有定制板簧和夹持零件，用以配合上下移动控制机构实现喷头在工作状态和挂起状态的转换。在成型过程中，仅有一个喷头进行打印工作，其他3个喷头处于挂起状态，在一个工作喷头完成行程后，由控制机构对工作喷头进行向上挂起，然后喷头平台进行旋转完成喷头的旋转替换，接着控制机构将另一喷头向下按入，使另一个喷头进入工作状态，以此类推，完成一个多原材料的金属打印层；再由工作平台的Z轴运动，进行逐层打印，最终获得产品。因此，打印机在打印过程中仅采用一套数控***对一个工作喷头进行移动控制，其中由喷头组自动换丝装置进行工作喷头的转换，从而实现多金属复合材料的增材制造过程；并且其移动打印过程是连带喷头平台、4个喷头和喷头上下移动控制机构进行移动打印的。
关于成型原理和过程方面，4个喷头的CMT打印机通过控制电弧而连续产生金属熔滴的形式进行增材制造成型，其中熔滴液态金属的性质需要有相应的支撑结构来进行辅助成型。因此，4个喷头中需要有一个喷头的原材料是做为支撑材料而存在的，而其他喷头的材料则是作为产品成型的主材料。各个喷头在数控***的控制下相互配和进行逐层打印，最终获得成品，此为本发明的基本成型原理和过程。
本发明具有以下明显优势：1.实现4个喷头的自动旋转换丝，进行配和打印成型，能够满足众多复杂产品项目的打印需要；2.以一种金属原料支撑多种金属原料进行成型，产品制造过程稳定，可行性强；3.所得产品的强度和硬度高、耐磨性和耐蚀性好，具备优良的力学性能和理化性能，能够满足诸多产品项目的需求；4.结构分明，各机构的运动清晰明了，为产品增材制造过程保留出较大的工作空间。
附图说明
图1为本发明所设计的金属喷头示意图。
图2为本发明所设计的喷头平台示意图。
图3为本发明所设计的喷头夹持零件示意图。
图4为本发明所设计的定制板簧示意图。
图5为本发明所设计的喷头组示意图。
具体实施方式
如图5所示，本发明包括4个金属喷头(1)、一个喷头平台(2)、4个喷头夹持零件(3)和4对定制板簧，共同安装组成如图所示的一个喷头组。其中，位于右上角的喷头已经下压进入工作状态，属于工作喷头，而其余3个喷头由夹持零件夹起，处于挂起状态。整体打印过程如下：首先进行计算机建模，建模完成后由计算机将模型数据分析为数控数据传输到数控***，数控***运作，控制电机和传动轴进而控制工作平台在Z轴方向进行运动，同时控制本发明着重设计的喷头组在X与Y轴方向进行打印移动，从而一步步完成打印过程。
在有4种金属原材料的产品打印过程中，本发明的具体实施方式如下：先由喷头组旋转，使连接支撑材料的喷头到达工作位置，然后下压加入工作状态，由数控***控制，完成支撑材料的第一层打印；接着，数控***控制上下移动机构，将上述工作喷头向上拉起，转变为挂起状态；然后，喷头组再次旋转，让连接成型材料的一个喷头到达工作位置，由喷头上下移动控制机构将其下压进入工作状态，再由数控***控制移动，完成该成型材料的第一层打印；其他两个成型材料的打印过程同理。在第一层数控完成后，工作平台将得到一层含有4种金属原材料的打印层，此时数控***控制工作平台下移，进行产品的第二层打印成型，以此类推，打印机将一层层完成打印制造过程，最终获得含有4种金属原材料的3D打印成品。因此，本发明装置实现的自动换丝功能，本质上是通过喷头支撑平台的数控旋转功能与金属喷头的状态转换功能进行相互配合而得以实现。
Claims (5)
1.一种电弧熔丝金属打印机自动换丝装置，其特征在于具备：
(1)配合实现自动换丝打印功能的4个金属喷头；
(2)具备数控旋转功能的喷头支撑平台，用以支撑上述金属喷头，并带动喷头实现数控旋转功能；
(3)配合上述喷头支撑平台使用的夹持零件和定制板簧，二者通过焊接连接，用以使上述各金属喷头在自动换丝成型过程中实现挂起状态与工作状态的转换功能；
(4)上述喷头支撑平台的数控旋转功能与上述喷头在挂起状态和工作状态的转换功能相互配合，组成本发明装置的自动换丝功能。
2.根据权利要求1所述的金属喷头，其特征在于，喷头整体上是圆柱体配合锥体的外型；在其圆柱体外侧，设计有用于夹持、挂起、工作和上下方向运动的凸起结构，包括一双锥体结构和一个半锥体配合圆平台结构。
3.根据权利要求1所述的夹持零件和定制板簧，其特征在于，二者通过焊接连接，所设计外型配合于上述金属喷头的外型结构，用以实现4个金属喷头在自动换丝打印过程中进行挂起状态与工作状态的转换。
4.根据权利要求1所述的定制板簧，其特征在于，成对使用能够具备有足够的弹力和弹性极限，并且需要拥有较长的使用寿命，以满足在自动换丝打印时喷头状态频繁转换的需要。
5.根据权利要求1所述的喷头支撑平台，其特征在于，平台上具备有相应的零件契合凹槽和用以连接旋转传动轴的轴孔，实现数控旋转功能；还有用以支撑并配合所述定制板簧使用的凸起设计，以及其他连接用的零件孔，以满足本发明自动旋转换丝功能实现的需要。
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