CN213827010U - 一种新型金属增减材复合制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型金属增减材复合制造设备，主要包括X‑Y轴联动丝杆滑台装置及对称连接于其Z轴衔接柱两侧的Z1、Z2轴丝杆滑块装置，通过X‑Y轴联动滑台装置实现两Z轴丝杆滑块装置沿水平面的前后左右移动，Z1、Z2轴丝杆滑块装置的滑块分别连接激光打印头和铣刀头，成型体承载装置位于激光打印头和铣刀头的下方，可在水平面旋转和竖直面偏转。增材打印时，Z2轴丝杆滑块装置不工作，其它丝杆滑块装置配合成型体承载平台的旋转和/或偏转运动实现打印成型。成型体减材时，Z1轴丝杆滑块装置不工作，其它丝杆滑块装置配合成型体承载平台的旋转和/或偏转运动对成型体精确减材，使成型体通过一套设备同时进行增材和减材，得到完美的3D产品。

Description

一种新型金属增减材复合制造设备

技术领域

本实用新型属于激光熔覆3D增材制造技术及切削减材制造技术领域，具体涉及一种新型金属增减材复合制造设备。

背景技术

近些年来金属3D打印在增材制造领域取得突出的成绩，拥有可观的应用前景，现阶段金属3D打印设备能够通过成型后进一步的切削加工完成器件的最终成型制造，为制造工艺提供了新的可行性途径，其应用领域遍及航空航天、医疗设备、机械制造、电子信息行业等。诸多金属3D打印中技术中激光熔覆成型技术在金属3D打印领域取得了不少可观的成果，例如器件成型、表面熔覆修复加工等、表面强化等。其原理是通过激光作用于喷嘴输送的粉末流使粉末融化，即激光加热金属粉，熔融的粉末按照三维模型切片代码的路径完成第一层的成型，随后以相同的方式在上一层的基础上完成第二层熔覆，重复上述过程完成最终的三维成型。但成型体表面并不平整通常无法直接应用，因此增材成型后需要通过数控加工设备对其进行切削加工进而得到最终的成型器件，因而传统的金属3D打印设备开始向增减材一体设备方向转型。

由于常见的3D打印硬件及***(如arduino、赤兔等)无法完成复杂的多轴控制，输出功率无法达到激光作业的要求，也不具备送粉等多端口输出控制等因素，因此传统激光熔覆增减材设备通常采用数控加工硬件及***实现三维成型过程，将数控加工***中多轴的三维移动控制及切削加工路径与激光熔覆***结合来实现增材制造的过程，数控加工***拥有多轴端口输出，多余的输出端口可用于激光器控制及送粉***等多种控制。相应的再通过另外一套数控加工***完成对打印完的成型体进行切削加工的过程，即两套数控加工***完成增减材一体机的控制。但是数控加工***用于3D打印***成本较高，也会造成数控加工***中诸多功能处于闲置状态。同时，现在已有的激光熔覆数控加工成型***无法解决路径优化的功能的问题，并且不具备打印送粉与成型过程的反馈调节机制，因而直接将切削道路用于三维成型势必会造成一些无法避免的问题。具体原因在于：

一、数控加工***在面对转角加工时，水平面的移动会发生降速，尤其在非圆角的转角位置，其降速越为明显，即数控加工***为了迎合切削加工工艺的需求，默认为减速过弯的加工方式。

二、送粉***并不会因为行径速度的降低而调节送粉速度及送粉量。

这些因素导致整个过程送粉与打印之间无法协调，造成粉体熔融堆积效果变差，并且在三维成型过程中遇到转弯阶段堆积问题变得更为严重。然而这些问题又会造成每层成型厚度不均匀，而尤其在转角位置疏松多孔、开裂、“含沙”(粉体未充分熔覆)等系列问题也愈加明显，并且在逐层的三维成型过程中题愈演愈烈，最终破坏整个三维成型结构的精度，并且在较为复杂的打印模型中则会造成结构的变形。最终结果造成成型体的冶金质量差，其力学性能无法得到稳定保障。同时，在后续切削加工过程由于切削路劲是根据三维模型自动生成的，因此不会涉及到对增材制造的误差校正，因此会因为增材制造成型体与模型体之间产生一定误差造成实际减材制造的成品与计划成型体之间产生误差，影响最终成品的精度，而二次加工也势必会增加整个工艺的周期及成本。此外，常见的增减材一体设备通常使用两套加工***分别完成增材制造及减材制造过程，大大增加设备成本及操作难度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种既可进行增材制造又能对增材成型件进行减材，并能保证最终成型件冶金质量和力学性能的复合制造设备。

本实用新型提供的这种新型金属增减材复合制造设备，包括激光打印头及其连接的送粉装置和冷却装置，还包括机架、X-Y轴联动丝杆滑台装置、Z1轴丝杆滑块装置、Z2轴丝杆滑块装置及其连接的铣刀头、成型体承载装置；X-Y轴联动丝杆滑台装置包括X轴丝杆滑块装置、Y轴丝杆滑块装置和Z轴衔接柱；Y轴丝杆滑块装置与X轴丝杆滑块装置的滑块连接，Z轴衔接柱与Y轴丝杆滑块装置的滑块连接；Z1轴丝杆滑块装置和Z2轴丝杆滑块装置对称连接于Z轴衔接柱的两侧；所述激光打印头连接于Z1轴丝杆滑块装置的滑块上；成型体承载装置包括承载平台及其连接的驱动装置，承载平台水平布置，驱动装置可实现承载平台在水平面的旋转及在竖直面的偏转；X-Y轴联动丝杆滑台装置固定于机架内腔的顶部，成型体承载装置固定于机架内腔的底部，承载平台位于激光打印头和铣刀头的下方；机架的***固定有外壳，外壳上设置有可开合门和观察窗口。

上述技术方案的一种实施方式中，所述机架包括上下平行布置的矩形板框和两者之间的连接板，上方矩形板框一对侧板内壁的中间位置处对称设置有用于连接所述X轴丝杆滑块装置的连接柱。

上述技术方案的一种实施方式中，所述X轴丝杆滑块装置和Y轴丝杆滑块装置分别包括沿相应方向布置的基座、丝杆、导轨、滑块及伺服电机，丝杆可旋转的连接于基座上、导轨对称固定于基座上的丝杆两侧，滑块连接于丝杆上，伺服电机固定于基座上，其输出轴通过联轴器与丝杆的一端连接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述X轴丝杆滑块装置的基座两端分别固定于所述连接柱上，所述Y轴丝杆滑块装置的基座长度方向的底面中间位置处通过连接座与X轴丝杆滑块装置的滑块连接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述Z1轴丝杆滑块装置和Z2轴丝杆滑块装置为对称结构，包括沿竖向的基座、丝杆、导轨、滑块和伺服电机，基座固定于Z轴衔接柱上，丝杆可转动的固定于基座上，导轨对称固定于基座上对应丝杆的两侧，伺服电机固定于基座上，其输出轴通过联轴器与丝杆的一端连接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述驱动装置包括沿水平方向布置的第一伺服电机、沿竖向布置的第二伺服电机、水平轴和竖向轴，第一伺服电机通过安装座固定于所述机架的下矩形板框内壁，水平轴通过联轴器与第一伺服电机的输出轴连接，水平轴的末端连接有支撑座，第二伺服电机以输出轴朝上固定于支撑座上，竖向轴通过联轴器与第二伺服电机的输出轴连接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述承载平台的中心位置处连接有轴承，所述竖向轴的上端***轴承中过盈连接。

上述技术方案的一种实施方式中，本设备还包括复合控制***，复合控制***包括集成化控制主板和计算机上位机***，计算机上位机***与集成化控制主板连接后自动生成铣刀更换安装窗口，增材制造代码输入窗口和减材制造代码输入窗口；集成化控制主板包括运动控制模块、路径优化模块、送粉反馈调节模块、激光器控制模块、铣刀控制模块和冷却控制模块；通过路径优化模块对运动控制模块的转角运行进行优化，通过一个缓和的速度完成转角；送粉反馈调节模块与运动控制模块及路径优化模块衔接，根据路径速度调节送粉速度，缓解转角过程的送粉量避免转角处的堆积。

本设备的Z1、Z2轴丝杆滑块装置同时连接于X-Y轴丝杆滑台装置的Z轴衔接柱上，所以可通过X-Y轴联动滑台装置来实现Z1、Z2轴丝杆滑块装置沿水平面的前后左右移动，而Z1、Z2轴丝杆滑块装置的滑块分别连接激光打印头和铣刀头，成型体承载装置位于激光打印头和铣刀头的下方，可在水平面旋转和竖直面偏转。增材打印时，Z2轴丝杆滑块装置不工作，激光打印头在X-Y轴丝杆滑台装置和Z1轴丝杆滑块装置的驱动下进行水平运动和/或上下运动，同时配合成型体承载平台的旋转和/或偏转运动实现打印成型。打印完成后对成型体减材时，Z1轴丝杆滑块装置不工作，铣刀头在X-Y轴丝杆滑台装置和Z2轴丝杆滑块装置不工作的驱动下进行水平方向和/或上下运动，同时配合型体承载平台的旋转和/或偏转运动实现对成型体的精确减材，使成型体通过一套设备同时进行增材和减材，得到完美的3D产品。本发明通过引入路径优化机制，结合送粉反馈调节有效避免了成型过程中堆积、不均匀的现象，提高了成型精度，有效缓解了现有熔覆设备在成型体中由于疏松多孔、开裂、含沙等问题，大大提高了成型体的冶金质量、力学性能。并且通过一套***完成增减材的运行控制，优化操作的同时减少了设备成本，大大推进金属3D打印激光熔覆技术的实际应用及深入发展。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的外形结构示意图

图2为图1去掉外壳后的结构示意图。

图3为图2去掉部分机架后的机构示意图。

图4为本实用新型的复合控制***的模块。

图中序号：

1-机架；

2-X轴丝杆滑块装置；

3-Y轴丝杆滑块装置；

4-Z轴衔接柱；

5-Z1轴丝杆滑块装置；

6-Z2轴丝杆滑块装置；

7-激光打印头；

8-铣刀头；

9-成型体承载装置；

JZ-基座；SG-丝杆；DG-导轨；DJ-伺服电机；

第一伺服电机91；第二伺服电机92；水平轴93；竖向轴94；支撑座95；承载平台96；

10-外壳；

101-外壳；102-观察窗口。

具体实施方式

如图2、图3所示，本实施例公开的这种新型金属增减材复合制造设设备，其机架1包括上下平行布置的矩形板框和两者之间的连接板，上方矩形板框一对侧板内壁的中间位置处对称设置有连接柱。

X轴丝杆滑块装置2和Y轴丝杆滑块装置3纵横交叉布置，两者的结构相同，分别包括沿相应方向布置的基座JZ、丝杆SG、导轨DG、滑块及伺服电机DJ，丝杆SG可旋转的连接于基座JZ上、导轨DG对称固定于基座JZ上的丝杆两侧，滑块连接于丝杆SG上，伺服电机DJ通过安装座固定于基座JZ上，其输出轴通过联轴器连接于丝杆SG的一端。

X轴丝杆滑块装置2的基座JZ固定于机架1的内腔顶部，基座的两端分别固定于连接柱上。

Y轴丝杆滑块装置3的基座长度方向的底面中间位置处通过连接座与X轴丝杆滑块装置2的滑块连接，使X轴丝杆滑块装置2的滑块能带着Y轴丝杆滑块装置2整体改变其在X方向的位置。

Z轴衔接柱4的上端与Y轴丝杆滑块装置2的滑块连接，Z1轴丝杆滑块装置和Z2轴丝杆滑块装置的结构相同，对称连接于Z轴衔接柱4的左右两侧。

Z1轴丝杆滑块装置5和Z2轴丝杆滑块装置6分别包括沿竖向的基座JZ、丝杆SG、导轨DG、滑块和伺服电机DJ，基座JZ的背面固定于Z轴衔接柱4上，丝杆SG可转动的固定于基座JZ上，导轨DG对称固定于基座JZ上对应丝杆SG的两侧，伺服电机DJ通过安装座固定于基座上，其输出轴通过联轴器连接于丝杆的上端。

Z1轴丝杆滑块装置5的滑块连接激光打印头7、Z2轴丝杆滑块装置6的滑块连接铣刀头8。

激光打印头7与熔覆激光***连接，激光熔覆***固定于Z轴丝杆滑块装置5的基座上。

铣刀头包括铣刀(图中未示出)、铣刀夹头81及其上端连接的伺服电机82，伺服电机的外壳与Z2轴丝杆滑块装置连接。

X轴丝杆滑块装置2的伺服电机工作，可实现Y轴丝杆滑块装置3改变其X方向的位置。Y轴丝杆滑块装置3的伺服电机工作，可通过Z轴衔接柱4实现Z1轴丝杆滑块装置5和Z2轴丝杆滑块装置6在Y方向的位置改变。

可根据成型体的形状要求确定是否需要X轴丝杆滑块装置和Y轴丝杆滑块装置的伺服电机同时工作。

成型体承载装置9包括第一伺服电机91、第二伺服电机92、水平轴93、竖向轴94、支撑座95、水平承载平台96。

第一伺服电机91水平布置，通过安装座固定于机架1的下矩形板框内壁，水平轴93通过联轴器与第一伺服电机91的输出轴连接，水平轴93的末端连接有支撑座95，第二伺服电机92以输出轴朝上固定于支撑座95上，竖向轴94通过联轴器与第二伺服电机92的输出轴连接。

水平承载平台96的中心位置处连接有轴承，竖向轴94的上端***轴承中过盈连接。

第一伺服电机91工作，其输出轴带动水平轴转动时可实现水平承载台在竖直面的偏转。第二伺服电机工作可实现水平承载台在水平面的旋转。

可根据成型体的形状要求确定是否需要第一伺服电机91和第二伺服电机92同时工作。

如图1所示，机架1外固定有气体密封的外壳10，外壳上设置可开合门101及观察孔102，可提供真空、非真空、不同气体保护环境。

本设备的复合控制***如图4所示，包括集成化控制主板和计算机上位机***，计算机上位机***与集成化控制主板连接后自动生成铣刀更换安装窗口，增材制造代码输入窗口和减材制造代码输入窗口；集成化控制主板包括运动控制模块、路径优化模块、送粉反馈调节模块、激光器控制模块、铣刀控制模块和冷却控制模块；通过路径优化模块对运动控制模块的转角运行进行优化，通过一个缓和的速度完成转角；送粉反馈调节模块与运动控制模块及路径优化模块衔接，根据路径速度调节送粉速度，缓解转角过程的送粉量避免转角处的堆积。

本设备的Z1、Z2轴丝杆滑块装置同时连接于X-Y轴丝杆滑台装置的Z轴衔接柱上，所以可通过X-Y轴联动滑台装置来实现Z1、Z2轴丝杆滑块装置沿水平面的前后左右移动，而Z1、Z2轴丝杆滑块装置的滑块分别连接激光打印头和铣刀头，成型体承载装置位于激光打印头和铣刀头的下方，可在水平面旋转和竖直面偏转。增材打印时，Z2轴丝杆滑块装置不工作，激光打印头在X-Y轴丝杆滑台装置和Z1轴丝杆滑块装置的驱动下进行水平运动和/或上下运动，同时配合成型体承载平台的旋转和/或偏转运动实现打印成型。打印完成后对成型体减材时，Z1轴丝杆滑块装置不工作，铣刀头在X-Y轴丝杆滑台装置和Z2轴丝杆滑块装置不工作的驱动下进行水平方向和/或上下运动，同时配合型体承载平台的旋转和/或偏转运动实现对成型体的精确减材，使成型体通过一套设备同时进行增材和减材，得到完美的3D产品。

Claims (8)

1.一种新型金属增减材复合制造设备，包括激光打印头及其连接的送粉装置和冷却装置，其特征在于：它还包括机架、X-Y轴联动丝杆滑台装置、Z1轴丝杆滑块装置、Z2轴丝杆滑块装置及其连接的铣刀头、成型体承载装置；

X-Y轴联动丝杆滑台装置包括X轴丝杆滑块装置、Y轴丝杆滑块装置和Z轴衔接柱；Y轴丝杆滑块装置与X轴丝杆滑块装置的滑块连接，Z轴衔接柱与Y轴丝杆滑块装置的滑块连接；

Z1轴丝杆滑块装置和Z2轴丝杆滑块装置对称连接于Z轴衔接柱的两侧；

所述激光打印头连接于Z1轴丝杆滑块装置的滑块上；

成型体承载装置包括承载平台及其连接的驱动装置，承载平台水平布置，驱动装置可实现承载平台在水平面的旋转及在竖直面的偏转；

X-Y轴联动丝杆滑台装置固定于机架内腔的顶部，成型体承载装置固定于机架内腔的底部，承载平台位于激光打印头和铣刀头的下方；

机架的***固定有外壳，外壳上设置有可开合门和观察窗口。

2.如权利要求1所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：所述机架包括上下平行布置的矩形板框和两者之间的连接板，上方矩形板框一对侧板内壁的中间位置处对称设置有用于连接所述X轴丝杆滑块装置的连接柱。

3.如权利要求2所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：所述X轴丝杆滑块装置和Y轴丝杆滑块装置分别包括沿相应方向布置的基座、丝杆、导轨、滑块及伺服电机，丝杆可旋转的连接于基座上、导轨对称固定于基座上的丝杆两侧，滑块连接于丝杆上，伺服电机固定于基座上，其输出轴通过联轴器与丝杆的一端连接。

4.如权利要求3所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：所述X轴丝杆滑块装置的基座两端分别固定于所述连接柱上，所述Y轴丝杆滑块装置的基座长度方向的底面中间位置处通过连接座与X轴丝杆滑块装置的滑块连接。

5.如权利要求1所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：所述Z1轴丝杆滑块装置和Z2轴丝杆滑块装置为对称结构，包括沿竖向的基座、丝杆、导轨、滑块和伺服电机，基座固定于Z轴衔接柱上，丝杆可转动的固定于基座上，导轨对称固定于基座上对应丝杆的两侧，伺服电机固定于基座上，其输出轴通过联轴器与丝杆的一端连接。

6.如权利要求2所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：所述驱动装置包括沿水平方向布置的第一伺服电机、沿竖向布置的第二伺服电机、水平轴和竖向轴，第一伺服电机通过安装座固定于所述机架的下矩形板框内壁，水平轴通过联轴器与第一伺服电机的输出轴连接，水平轴的末端连接有支撑座，第二伺服电机以输出轴朝上固定于支撑座上，竖向轴通过联轴器与第二伺服电机的输出轴连接。

7.如权利要求6所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：所述承载平台的中心位置处连接有轴承，所述竖向轴的上端***轴承中过盈连接。

8.如权利要求1所述的新型金属增减材复合制造设备，其特征在于：本设备还包括复合控制***，复合控制***包括集成化控制主板和计算机上位机***，计算机上位机***与集成化控制主板连接后自动生成铣刀更换安装窗口，增材制造代码输入窗口和减材制造代码输入窗口；集成化控制主板包括运动控制模块、路径优化模块、送粉反馈调节模块、激光器控制模块、铣刀控制模块和冷却控制模块；通过路径优化模块对运动控制模块的转角运行进行优化，通过一个缓和的速度完成转角；送粉反馈调节模块与运动控制模块及路径优化模块衔接，根据路径速度调节送粉速度，缓解转角过程的送粉量避免转角处的堆积。

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