金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置及其控制方法，包括：计算机系统、金属熔滴喷射头、激光器、扫描振镜、振镜电机、运动平台、沉积基板、驱动电机、覆平辊子、辊子电机、CCD摄像头，其特点还包括激光功率调整器、覆平辊子高度调整器、基板温度控制装置和流边刮刀等。本发明专利技术采用激光器作为能量源，通过扫描振镜实现激光光束对成形层面的快速表面熔覆，并通过覆平辊子高度调整器控制辊子覆平深度和压力，在表层金属熔滴或熔液完全没有凝固的状态下，通过控制运动平台和覆平辊子的速度，对快速熔覆的金属表面进行定向刮压，使其发生二次铺展和填充，进而将原有凸凹不平的成形层面辊平，完成层面表面质量的控制，并通过CCD图像检测系统,实现辊平效果的实时检测与反馈。

Metal droplet printing 3D parts surface quality control device and method

The invention discloses a metal 3D printing parts surface quality control device and its control method, including: computer systems, molten metal droplet ejection head, laser, scanning mirror, mirror motor, motion platform, deposition substrate, driving motor, roller, roller coated flat motor, CCD camera, its features include the laser power regulator, covering flat roller height adjusting device, substrate temperature control device and flow side scraper etc.. The invention adopts laser as the energy source, through the scanning mirror laser beam on a fast surface cladding layer, and through the overlying leveling roller height adjustment control roller coated flat depth and pressure on the surface of molten metal droplets or no solidification condition, through the control of roller motion platform and flat cover the speed of directional scraping metal surface of cladding, which occurred two times spreading and filling, and the original uneven level and forming flat, level surface quality control, and through the CCD image detection system, and realize real-time detection and feedback effect.

【技术实现步骤摘要】
金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置及方法
本专利技术涉及金属3D打印增材制造
，特别涉及一种金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置及其控制方法。
技术介绍
金属熔滴喷射打印沉积成形技术是融合了分层制造技术和熔滴按需喷射技术，以“零件模型离散—材料逐层堆积”为成形思想的一种直接制造金属零件的方法。该成形技术无需特殊的模具及昂贵设备，可直接成形复杂三维金属结构，具有成本低、成形效率高、材料来源范围广、柔性化、能耗低和无污染等优点，在微型飞行器、微型机电系统、微型武器系统装备等领域具有较好的应用前景。然而，金属熔滴打印沉积成形零件的过程是一个熔滴材料逐点、逐层动态堆积，相邻沉积搭接熔滴在结合界面处，依靠后沉积熔滴携带的热量使先前已沉积熔滴的表面发生局部重熔，实现彼此间的结合，进而成形出整个三维零件。由于制造过程中，伴有熔滴的碰撞、铺展、凝固、局部重熔和不等时性相变等复杂过程，使得成形出的零件表面呈现出规律性的“鱼鳞形貌”、凸凹不平，表面粗糙度较大，很难满足零件的使用技术要求。目前，基于分层增材制造技术直接成形的金属零件，常采用以下几种方法来提高成形零件的表面精度：（1）在分层制造过程中采用堆积和与铣削复合加工的方法来保证，如：专利“ZL00131288.X，直接快速制造模具与零件的方法及其装置”和文献“张海鸥，熊新红，王桂兰，等离子熔积/铣削复合直接制造高温合金双螺旋整体叶轮，中国机械工程，2007，Vol18，No.14：P1723－1725”，提出一种等离子熔积成形与铣削加工复合无模快速制造方法，即以等离子束为成形热源，在分层或分段熔积金属粉末堆积成形过程中，依次交叉进行熔积成形与数控铣削精加工，以实现成形表面精度的控制；（2）在分层制造过程中采用堆积和局部轧制复合加工的方法来保证，如：专利“ZL201010147632.2，零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置”提出一种零件与模具的熔积成形复合制造方法，在进行熔积成形步骤的同时，微型轧辊或微型挤压装置随着熔积区域同步移动，对熔积区域作压缩成形与加工，逐层同步进行熔积成形与加工，直至达到零件尺寸和表面精度的要求；（3）在零件分层制造完成后，采用对零件表面进行二次切削、流体抛光处理的方法，来提高零件的表面精度，以满足使用要求。但上述方法（1）在每层堆积完成后需要中断熔积过程，且上一层的铣削会对后一层的熔积产生影响，加大了层间缺陷出现的机率；方法（2）需要在分层制造过程中同时控制两套装置，规划两种路径，制造过程较复杂，控制难度增大，且该方法主要只适用于回转体薄壁件的成形；方法（3）只能对简单零件表面进行后续加工处理，且后处理工艺复杂，二次加工后会造成零件表面的应力释放，引起零件变形。总之，上述方法主要适用于以大功率能量源烧结金属粉末成形的工艺过程，而对于金属熔滴打印沉积成形零件的过程不太适应。鉴于以上公开专利和文献存在的问题，本专利技术提出一种打印成形零件表面质量控制处理方法及装置。
技术实现思路
为了解决现有金属熔滴沉积零件表面呈规律性“鱼鳞形貌”、凸凹不平，表面粗糙度较大，很难满足零件使用技术要求等存在的问题，本专利技术提出一种利用激光快速表面熔覆和覆平辊子定向刮压复合处理来实现零件成形表面控制的方法，并且提供利用该方法实现成形表面控制的装置。本专利技术所采取的技术方案是：一种金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置，包括：计算机系统、金属熔滴喷射头、激光器、扫描振镜、振镜电机、运动平台、沉积基板、驱动电机、覆平辊子、辊子电机、CCD摄像头、激光功率调整器、覆平辊子高度调整器、基板温度控制装置和流边刮刀；还包括气体分流控制器、环形加热炉、同轴供气腔、脉冲发生器、温度控制器、功率可调激光器、偏振电机、覆平辊子高度调整器、流边刮刀、CCD摄像头、热电偶、沉积平台、偏振镜、覆平辊子、辊子电机；其中，惰性气体压力储存瓶内部存储99.999%高纯氩气，气体分流控制器与惰性气体压力储存瓶相连，惰性气体压力储存瓶为坩埚和同轴供气腔提供惰性保护气体；坩埚和同轴供气腔通过各自的输气管和气压控制阀与气体分流控制器相连，用于实现气体压力和流量的控制；脉冲发生器与电磁阀相连，并通过输出的脉冲信号，控制电磁阀的开启/关闭，使坩埚内部产生脉冲气压，实现金属微滴喷射；同轴供气腔安装于坩埚底部下方，并保证坩埚底部喷嘴处于同轴供气腔的中心位置；环形加热炉放置于坩埚外侧，平板加热炉放置于沉积平台的下方，热电偶分别放置于坩埚和沉积平台内部，热电偶将采集到的温度信号传送到温度控制器，实现对坩埚和沉积平台内部温度的反馈控制；沉积平台与方向伺服电机相连，方向伺服电机按照层面路径信息进行运动，控制沉积平台与金属熔滴的喷射相协调，实现沉积层面的成形；功率可调功率激光器按照设定产生功率和光斑直径一定的激光束，激光束传输到偏振镜上面，激光束经偏振镜反射后可在未辊压覆平的层面上面形成激光光斑，偏振镜与偏振电机相连，通过偏振电机的运动可实现对偏振镜位置的控制，进而可实现激光光斑按照扫描路径对沉积层面进行快速表面熔覆；覆平辊子安装在覆平辊子高度调整器上，通过辊子高度调整器可设定合适的辊子覆平深和压力；覆平辊子通过同步带与辊子电机相连，通过控制辊子电机的转速可实现覆平辊子的速度控制；流边刮刀安装在刮刀高度调整器上，通过刮刀高度调整器可设定合适的流边刮刀高度；CCD摄像头通过图像采集卡与计算机控制系统相连，计算机控制系统将采集到的层面辊平图像显示到显示屏上，并与所存储的标准层面图像进行对比分析，实现辊平效果的测量与反馈。一种金属熔滴打印3D零件表面质量的控制方法，其特征在于包括下面的步骤：（1）依据金属熔滴的材料特性、沉积熔滴的尺寸和沉积层厚，选择激光功率、光斑尺寸和扫描速度；（2）计算机依据零件的分层数据信息，在合适的沉积基板温度下通过控制金属熔滴的喷射频率和运动平台的速度，按照扫描沉积路径逐点沉积出单个层面；（3）将沉积出的单个层面运动到激光熔覆区域，打开激光器并设定激光功率和光斑尺寸，并通过辊子高度调整器设定合适的辊子覆平深度和压力；（4）按照层面数据路径信息，控制振镜电机、辊子电机和运动平台，在设定的光束扫描速度下对沉积出的单个层面进行快速熔覆；（5）熔覆完成后，控制覆平辊子和运动平台在设定的辊子转速和运动速度下对熔覆后的层面进行定向辊压，使表层金属熔液在未完全凝固的状态下发生二次铺展和填充，进而将原有凸凹不平的成形层面辊平；（6）辊压结束后，按照层面边界数据信息，控制流边刮刀对层面边界进行刮削，去除辊压飞边；（7）打开CCD图像采集系统，对层面辊平效果进行图像采集，图像采集卡将采集到的信息传输到计算机控制系统，计算机控制系统将采集到的层面图像与所存储的标准层面图像进行对比分析，实现辊平效果的检测反馈；（8）如检测结果显示辊平效果不行，将对比偏差数据参数反馈给计算机控制系统，重复（4）到（7）过程直到辊平效果满足要求，结束当前层的打印成形过程；（9）计算机读入下一个层面的数据信息，开始下一层的打印沉积，并重复（2）到（8）过程，直至整个零件打印完毕，取出零件。一种金属熔滴打印成形零件表面质量控制装置，包括：计算机系统、金属熔滴喷射头、激光器、扫描振镜、振镜电机、运动平台、沉积基板、驱动电机、覆平辊子、辊本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置，其特征在于，包括：计算机系统、金属熔滴喷射头、激光器、扫描振镜、振镜电机、运动平台、沉积基板、驱动电机、覆平辊子、辊子电机、CCD摄像头、激光功率调整器、覆平辊子高度调整器、基板温度控制装置和流边刮刀；还包括气体分流控制器、环形加热炉、同轴供气腔、脉冲发生器、温度控制器、功率可调激光器、偏振电机、覆平辊子高度调整器、流边刮刀、CCD摄像头、热电偶、沉积平台、偏振镜、覆平辊子、辊子电机；其中，惰性气体压力储存瓶内部存储99.999%高纯氩气，气体分流控制器与惰性气体压力储存瓶相连，惰性气体压力储存瓶为坩埚和同轴供气腔提供惰性保护气体；坩埚和同轴供气腔通过各自的输气管和气压控制阀与气体分流控制器相连，用于实现气体压力和流量的控制；脉冲发生器与电磁阀相连，并通过输出的脉冲信号，控制电磁阀的开启/关闭，使坩埚内部产生脉冲气压，实现金属微滴喷射；同轴供气腔安装于坩埚底部下方，并保证坩埚底部喷嘴处于同轴供气腔的中心位置；环形加热炉放置于坩埚外侧，平板加热炉放置于沉积平台的下方，热电偶分别放置于坩埚和沉积平台内部，热电偶将采集到的温度信号传送到温度控制器，实现对坩埚和沉积平台内部温度的反馈控制；沉积平台与方向伺服电机相连，方向伺服电机按照层面路径信息进行运动，控制沉积平台与金属熔滴的喷射相协调，实现沉积层面的成形；功率可调功率激光器按照设定产生功率和光斑直径一定的激光束，激光束传输到偏振镜上面，激光束经偏振镜反射后可在未辊压覆平的层面上面形成激光光斑，偏振镜与偏振电机相连，通过偏振电机的运动可实现对偏振镜位置的控制，进而可实现激光光斑按照扫描路径对沉积层面进行快速表面熔覆；覆平辊子安装在覆平辊子高度调整器上，通过辊子高度调整器可设定合适的辊子覆平深和压力；覆平辊子通过同步带与辊子电机相连，通过控制辊子电机的转速可实现覆平辊子的速度控制；流边刮刀安装在刮刀高度调整器上，通过刮刀高度调整器可设定合适的流边刮刀高度；CCD摄像头通过图像采集卡与计算机控制系统相连，计算机控制系统将采集到的层面辊平图像显示到显示屏上，并与所存储的标准层面图像进行对比分析，实现辊平效果的测量与反馈。...

【技术特征摘要】
1.一种金属熔滴打印3D零件表面质量控制装置，其特征在于，包括：计算机系统、金属熔滴喷射头、激光器、扫描振镜、振镜电机、运动平台、沉积基板、驱动电机、覆平辊子、辊子电机、CCD摄像头、激光功率调整器、覆平辊子高度调整器、基板温度控制装置和流边刮刀；还包括气体分流控制器、环形加热炉、同轴供气腔、脉冲发生器、温度控制器、功率可调激光器、偏振电机、覆平辊子高度调整器、流边刮刀、CCD摄像头、热电偶、沉积平台、偏振镜、覆平辊子、辊子电机；其中，惰性气体压力储存瓶内部存储99.999%高纯氩气，气体分流控制器与惰性气体压力储存瓶相连，惰性气体压力储存瓶为坩埚和同轴供气腔提供惰性保护气体；坩埚和同轴供气腔通过各自的输气管和气压控制阀与气体分流控制器相连，用于实现气体压力和流量的控制；脉冲发生器与电磁阀相连，并通过输出的脉冲信号，控制电磁阀的开启/关闭，使坩埚内部产生脉冲气压，实现金属微滴喷射；同轴供气腔安装于坩埚底部下方，并保证坩埚底部喷嘴处于同轴供气腔的中心位置；环形加热炉放置于坩埚外侧，平板加热炉放置于沉积平台的下方，热电偶分别放置于坩埚和沉积平台内部，热电偶将采集到的温度信号传送到温度控制器，实现对坩埚和沉积平台内部温度的反馈控制；沉积平台与方向伺服电机相连，方向伺服电机按照层面路径信息进行运动，控制沉积平台与金属熔滴的喷射相协调，实现沉积层面的成形；功率可调功率激光器按照设定产生功率和光斑直径一定的激光束，激光束传输到偏振镜上面，激光束经偏振镜反射后可在未辊压覆平的层面上面形成激光光斑，偏振镜与偏振电机相连，通过偏振电机的运动可实现对偏振镜位置的控制，进而可实现激光光斑按照扫描路径对沉积层面进行快速表面熔覆；覆平辊子安装在覆平辊子高度调整器上，通过辊子高度调整器可设定合适的辊子覆平深和压力；覆平辊子通过同步带与辊子电机相连，通过控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：晁艳普，白政民，李耀辉，丁瑞华，卢帅，
申请(专利权)人：许昌学院，
类型：发明
国别省市：河南,41