超声选区叠层增材制造装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种超声选区叠层增材制造装置及方法，属于增材制造技术领域。成形室系统和纸模运动系统位于机架内并固定在其底板上，铺粉系统位于成形室系统的上方并固定在中间支撑板上，移动超声焊接系统和激光扫描切割系统固定于机架的顶部支撑板上。本发明专利技术无需采用大功率激光器、电子束等高能发射装置，在静压力下将超声振动能转化为粉末材料间的摩擦能、形变能及有限的升温；本方法所成形零件的残余应力与热变形非常小，可实现粉末颗粒间原子间的结合；可实现高强度金属或非金属三维零件的增材制造，尤其适用于非晶态金属材料的增材制造。具有成形过程中无需保护气体，成形后无需复杂的后处理工艺，成形精度高等优点。

Ultrasonic selective laminated material increasing manufacturing device and method

The invention relates to an ultrasonic selective laminated material adding manufacturing device and a method thereof, belonging to the technical field of material increasing manufacturing. The forming chamber system and mould motion system is located in the machine frame and is fixed on the floor above the powder system located in the forming chamber system and fixed in the middle of the supporting board, mobile ultrasonic welding system and laser scanning system for cutting the top support plate fixed on the frame. The present invention without using a high power laser and electron beam energy emission device, under hydrostatic pressure the ultrasonic vibration can be transformed into powder material between the friction energy, deformation energy and limited heating; the parts forming method of residual stress and thermal deformation is very small, can be achieved between the atomic bonding between powder particles can achieve high strength; adding materials of metal or nonmetal 3D parts manufacturing, increasing material especially suitable for amorphous metal material manufacturing. The utility model has the advantages of no need to protect the gas in the forming process, no complex post-processing technology after forming, and high forming precision.

【技术实现步骤摘要】
超声选区叠层增材制造装置及方法
本专利技术属于增材制造
，特别涉及一种超声选区叠层增材制造装置及方法，在静压力下将超声振动能转化为粉末颗粒与沉积层之间的摩擦能、形变能及有限的升温，实现粉末颗粒间原子间的结合，用于高强度实体零件的直接近净成形，尤其适用于非晶态金属粉末材料的增材制造。
技术介绍
基于粉末材料直接近净成形的增材制造技术，因其成形材料广泛、成形零件力学性能优异等优点，而被广泛应用于军工、航空航天、汽车、生物医疗、教育与文化以及服装等领域，基于粉末材料直接近净成形的增材制造技术主要有粉末床烧结式增材制造技术(SLS/SLM/EBM)和粘结剂喷射式增材制造技术(3DP)。粉末床烧结式增材制造技术，首先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，然后计算机根据模形的切片轮廓线数据控制高能束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成工件的一个层面，在非扫描区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑，一层成形完成后，工作台下降一个截面层的高度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环，最终形成三维工件。但其成形时材料容易被氧化，需要比较复杂的辅助工艺，成形室真空度要求高，激光器和粉末材料的价格较高，设备运转及维护成本较高，成形过程中容易产生残余应力，样件翘曲变形，由于高能束能量较高，难以直接成形非晶态金属材料。粘结剂喷射式增材制造技术，首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化，然后再铺一层粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水，如此层层叠加，直到把整个零件的所有层打印完毕。但其成形零件强度低，需对零件进行脱脂、无压烧结、热等静压烧结和溶渗等调高其强韧性后处理，难以实现大体积致密零件的增材制造，成形后零件的表面精度和尺寸精度较差。综上所述，现有的基于粉末材料直接近净成形的增材制造装置，粉末床烧结式增材制造装置成形时材料容易被氧化，需要比较复杂的辅助工艺，成形室真空度要求高，大功率激光器和粉末材料的价格较高，设备运转及维护成本较高，成形过程中容易产生残余应力，样件翘曲变形，由于高能束能量较高，难以直接成形非晶态金属材料；粘结剂喷射式增材制造装置成形零件强度低，需对零件进行脱脂、无压烧结、热等静压烧结和溶渗等调高其强韧性后处理，难以实现大体积致密零件的增材制造，成形后零件的表面精度和尺寸精度较差。本专利技术正是针对目前粉末材料直接近净成形的增材制造装置的现状，研制了不需要向成形装置引入高温热源，在静压力下将振动能量转化为金属粉末间的摩擦能、形变能及有限的升温，成形样件没有残余应力，几乎没有热变形，可实现粉末颗粒间原子间的结合，直接近净成形高强度三维实体样件，成形材料广泛，成形过程中无需保护气体，成形精度高，成形后无需复杂后处理工艺，设备运营维护成本低的超声选区叠层增材制造装置。
技术实现思路
本专利技术提供一种超声选区叠层增材制造装置及方法，以解决现有基于粉末材料直接近净成形的增材制造装置形时材料容易被氧化，需要比较复杂的辅助工艺，成形室真空度要求高，激光器和高标准粉末材料的价格较高，设备运转及维护成本较高，成形过程中容易产生残余应力，样件翘曲变形，成形后零件的尺寸精度较差，难以直接成形非晶态金属材料的问题。在静压力下将振动能量转化为金属粉末间的摩擦能、形变能及有限的升温，成形样件没有残余应力，几乎没有热变形，可实现粉末颗粒间原子间的结合，直接近净成形高强度三维实体样件，成形材料种类广泛，尤其适用于成形现有增材制造技术难以直接成形的非晶态金属材料。本专利技术采取的技术方案是，超声选区叠层增材制造装置：包括机架、成形室系统、铺粉系统、移动超声焊接系统、激光扫描切割系统和纸模运动系统，所述的成形室系统和纸模运动系统位于机架内并位于其底板的上方，所述的铺粉系统位于成形室系统的上方并固定在中间支撑板上，所述的移动超声焊接系统和激光扫描切割系统固定于机架的顶部支撑板上。所述的机架由框架、底板、中间支撑板、顶部支撑板和废纸收纳盒组成，底板固定于框架的底部，中间支撑板通过螺栓连接固定于框架中间的两个横梁上，顶部支撑板通过螺栓连接固定于框架顶部横梁上，废纸收纳盒通过螺栓连接固定于底板上。所述的成形室系统由供粉缸升降机构、供粉缸、成形室、粉末回收缸、粉末回收缸升降机构和成形室升降机构组成，所述的供粉缸、成形室和粉末回收缸固定于机架的中间支撑板上，供粉缸升降机构、粉末回收缸升降机构和成形室升降机构均固定于机架的底板上，所述的供粉缸升降机构和粉末回收缸升降机构结构完全相同。所述的供粉缸升降机构由直线轴承一、外壳一、导杆一、面板一、滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一、弹性联轴器一、步进电机一和支架一组成，所述的直线轴承一和外壳一固定于机架的底板上，所述的导杆一在直线轴承一中滑动，对面板一进行导向使面板一运行平稳，所述的步进电机一通过弹性联轴器一与滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一中蜗杆机构进行连接，通过步进电机一转动带动滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一中的蜗杆转动，进而带动滚珠丝杠中的螺母转动从而使丝杠沿竖直方向移动，所述的面板一固定在导杆和滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一的丝杠上，所述的步进电机一固定在支架上，所述的支架固定于机架的底板上。所述的成形室升降机构由直线轴承二、外壳二、导杆二、面板二、滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构二、弹性联轴器二、步进电机二和支架二组成，所述的直线轴承二和外壳二固定于机架的底板上，所述的导轨二在直线轴承二中滑动，对面板二进行导向使面板运行平稳，所述的进电机二通过弹性联轴器二与滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构二中蜗杆机构进行连接，通过步进电机转动带动蜗杆转动，进而带动滚珠丝杠中的螺母转动从而使丝杠沿竖直方向移动，所述的面板二固定在导轨二和滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构二的丝杠上，所述的步进电机二固定在支架二上，所述的支架二固定于机架的底板上。所述的铺粉系统由电机底座、步进电机三、弹性联轴器三、滚珠丝杠支撑、光杠一支撑、铺粉辊、光杠一、滚珠丝杠、光杠二和光杠二支撑组成，所述的电机底座、滚珠丝杠支撑、光杠一支撑和光杠二支撑均固定在机架的中间支撑板上，所述的光杠一和光杠二分别固定在光杠一支撑和光杠二支撑上，所述的步进电机三通过弹性联轴器三与滚珠丝杠相连接，带动铺粉辊在光杠上移动，所述的滚珠丝杠通过轴承固定在滚珠丝杠支撑上，滚珠丝杠中的螺母与铺粉辊固定连接，所述的光杠一和光杠二中的直线轴承与铺粉辊固定连接；所述的铺粉滚由步进电机四、步进电机底座、弹性联轴器四、外壳三和粉辊组成，所述的步进电机四通过步进电机底座与外壳三固定连接，所述的步进电机四通过弹性联轴器四与粉辊相连，带动粉辊转动。所述的移动超声焊接系统由弹簧、光杠机构一、滚珠丝杠机构、气缸、导杆三、光杠机构二、步进电机五、支座、框架和超声焊头组成，所述的弹簧沿着导杆三进行压缩，给予超声焊头以支持力使超声焊头在未工作时在竖直方向保持稳定，所述的光杠机构一和光杠机构二分别通过各自的支撑固定在机架的顶部支撑板上，所述的光杠机构一和光杠机构二中的直线轴承固定在框架上，所述的滚珠丝杠机构的支撑固定在机架的顶部支撑板上，其中丝杠通过轴承固定在其支撑上，滚珠丝杠机构的螺母固定在框架上，气压缸固定在框架上，超声焊头与气压缸连接，所述的步进电机固定在支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声选区叠层增材制造装置，其特征在于：包括机架、成形室系统、铺粉系统、移动超声焊接系统、激光扫描切割系统和纸模运动系统，所述的成形室系统和纸模运动系统位于机架内并固定在其底板上，所述的铺粉系统位于成形室系统的上方并固定在中间支撑板上，所述的移动超声焊接系统和激光扫描切割系统固定于机架的顶部支撑板上。

【技术特征摘要】
1.一种超声选区叠层增材制造装置，其特征在于：包括机架、成形室系统、铺粉系统、移动超声焊接系统、激光扫描切割系统和纸模运动系统，所述的成形室系统和纸模运动系统位于机架内并固定在其底板上，所述的铺粉系统位于成形室系统的上方并固定在中间支撑板上，所述的移动超声焊接系统和激光扫描切割系统固定于机架的顶部支撑板上。2.根据权利要求1所述的一种超声选区叠层增材制造装置，其特征在于：所述机架由框架、底板、中间支撑板、顶部支撑板和废纸收纳盒组成，底板固定于框架的底部，中间支撑板通过螺栓连接固定于框架中间的两个横梁上，顶部支撑板通过螺栓连接固定于框架顶部横梁上，废纸收纳盒通过螺栓连接固定于底板上。3.根据权利要求1所述的一种超声选区叠层增材制造装置，其特征在于：所述的成形室系统由供粉缸升降机构、供粉缸、成形室、粉末回收缸、粉末回收缸升降机构和成形室升降机构组成，所述的供粉缸、成形室和粉末回收缸固定于机架的中间支撑板上，供粉缸升降机构、粉末回收缸升降机构和成形室升降机构均固定于机架的底板上，所述的供粉缸升降机构和粉末回收缸升降机构结构完全相同。4.根据权利要求3所述的一种超声选区叠层增材制造装置，其特征在于：成形室系统中的供粉缸升降机构由直线轴承一、外壳一、导杆一、面板一、滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一、弹性联轴器一、步进电机一和支架一组成，所述的直线轴承一和外壳一固定于机架的底板上，所述的导杆一在直线轴承一中滑动，对面板一进行导向使面板一运行平稳，所述的步进电机一通过弹性联轴器一与滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一中蜗杆机构进行连接，通过步进电机一转动带动滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一中的蜗杆转动，进而带动滚珠丝杠中的螺母转动从而使丝杠沿竖直方向移动，所述的面板一固定在导杆和滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构一的丝杠上，所述的步进电机一固定在支架上，所述的支架固定于机架的底板上；所述成形室系统中的成形室升降机构由直线轴承二、外壳二、导杆二、面板二、滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构二、弹性联轴器二、步进电机二和支架二组成，所述的直线轴承二和外壳二固定于机架的底板上，所述的导轨二在直线轴承二中滑动，对面板二进行导向使面板运行平稳，所述的进电机二通过弹性联轴器二与滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构二中蜗杆机构进行连接，通过步进电机转动带动蜗杆转动，进而带动滚珠丝杠中的螺母转动从而使丝杠沿竖直方向移动，所述的面板二固定在导轨二和滚珠丝杠及蜗轮蜗杆机构二的丝杠上，所述的步进电机二固定在支架二上，所述的支架二固定于机架的底板上。5.根据权利要求1所述的一种超声选区叠层增材制造装置，其特征在于：所述的铺粉系统由电机底座、步进电机三、弹性联轴器三、滚珠丝杠支撑、光杠一支撑、铺粉辊、光杠一、滚珠丝杠、光杠二和光杠二支撑组成，所述的电机底座、滚珠丝杠支撑、光杠一支撑和光杠二支撑均固定在机架的中间支撑板上，所述的光杠一和光杠二分别固定在光杠一支撑和光杠二支撑上，所述的步进电机三通过弹性联轴器三与滚珠丝杠相连接，带动铺粉辊在光杠上移动，所述的滚珠丝杠通过轴承固定在滚珠丝杠支撑上，滚珠丝杠中的螺母与铺粉辊固定连接，所述的光杠一和光杠二中的直线轴承与铺粉辊固定连接；所述的铺粉滚由步进电机四、步进电机底座、弹性联轴器四、外壳三和粉辊组成，所述的步进...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文征，李桂伟，蒋吉利，蒋浩，刘巍，曲兴田，赵继，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22