一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法；包括激光切割系统包括：切割激光器系统A以及切割基台系统B；切割基台系统B设置在成型室的底部，用于供给待激光切割的金属带材；切割激光器系统设置在成型室的上部，用于按照规划路径通过激光将金属带材切割成所需形状的金属切片。激光焊接系统包括：焊接激光器系统C以及焊接基台系统D；金属切片传送系统E用于将切割基台系统上完成的金属切片运送并至焊接基台系统D的升降焊接成型缸上；焊接激光器系统C用于将层叠在升降焊接成型缸上的金属切片按照规划路径，通过激光逐层焊接成型，进而得到所需形状的完整金属零件。

Laminated manufacturing equipment and method for metal gain making

The invention discloses a metal used in increasing material laminated manufacturing equipment and manufacturing method; including laser cutting system includes: cutting and cutting laser system A base station system B base station system B; cut set in the bottom of the molding chamber, for supplying to the laser cutting of metal strips; the upper laser cutting system in the forming chamber, for in accordance with the planning path through the laser metal strip cutting into a desired shape metal slice. Laser welding system including: welding and welding laser system C base station system D; metal slice transmission system of E used for lifting cutting metal slicing complete base station system on the ship and to the welding base station system of D welding cylinder welding; laser system C stacked in the lifting cylinder of the welding metal cutting and forming in accordance with path planning, layer by layer by laser welding, and then obtain the complete metal parts required shape.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法
本专利技术涉及增材制造领域，尤其涉及一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法。
技术介绍
增材制造技术即3D打印，是一种直接依据待制造零件的数字化模型，采用区别于传统机加工的“自下而上”逐层累加堆积的方法，依托于增材制造设备，制造实体零件的新兴制造技术。相比传统制造技术，增材制造能够成型制造个性化要求下形状复杂的零件，具有开发周期短、节省原料、成本较低且设计局限性小等优点。增材制造技术成型的零件具有精度高、强度高、结构致密、冶金结合等诸多优点，具有广泛的应用。增材制造技术的发展具有广阔的空间和重要的意义。目前金属增材制造的成型材料主要是粉末材料。根据不同的送粉模式，金属增材制造方法可以分为预置式送粉模式和同轴喷粉模式两种，其中激光选区熔化和电子束选区熔化是预置式送粉模式的代表技术，激光近净成型是同轴喷粉模式的代表技术。这类粉末材料的金属增材制造技术能够成型结构致密、冶金结合的金属零件，而且能够成型一些传统切削方式无法成型的复杂形状零件。现有的应用于金属零件制造领域的增材制造技术，还存在很多不足：预置式送粉模式增材制造技术的每一层都需要通过激光束或电子束扫描熔化，成型的时间较长，耗时几小时到十几小时甚至几十小时不等；传统金属增材方法制造的金属零件尺寸较小，比较多的应用于医学领域，在零件尺寸要求较大的航空航天、模具等高附加值领域应用较少；传统金属增材方法制造的金属零件虽然精度、强度、致密度比较好，但仍然存在内部应力大等不足，且成型零件存在球化、翘曲和飞溅等缺陷；传统金属增材制造方法在零件成型过程中支撑添加不可避免，在一些成型表面要求较高的场合，支撑去除会影响到成型零件的表面特征，支撑添加不当也会导致成型零件出现翘曲变形等缺陷；金属粉尘尺寸很小，极易弥散到空气中，对工作人员身体健康和周围环境造成不良影响；再者，传统金属增材方法的原材料以金属粉末为主，金属粉末的价格较高，增大了生产成本，限制了金属增材制造方法的推广和应用。最后，激光或者电子束熔化粉末，再凝固堆积获得实体零件，不可避免获得具有较高表面粗糙度的金属零件(一般在Ra10-30um之间)。然而，现有的很多薄板材料厚度在0.04-0.2mm之间，可以薄到近乎激光选区熔化每一层粉末的堆积层厚(一般在0.02-0.1mm之间)，只要将多层薄板按照零件对应层轮廓累积起来，层层通过某种焊接方式获得足够强度，便可以获得满足工程应用的金属零件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法。本专利技术不必逐点连续打印零件各分层的每个点，而是通过激光焊接已被逐层切割好的切割层，自下而上堆积而成型金属零件。本专利技术通过下述技术方案实现：一种应用于金属增材制造的叠层制造设备，包括成型室16、激光切割系统、激光焊接系统、金属切片传送系统E以及计算机控制系统17；所述计算机控制系统连接控制激光切割系统、激光焊接系统、金属切片传送系统；激光切割系统包括：切割激光器系统A以及切割基台系统B；所述切割基台系统B设置在成型室16的底部，用于供给待激光切割的金属带材3；切割激光器系统设置在成型室16的上部，用于按照规划路径通过激光将金属带材3切割成所需形状的金属切片；激光焊接系统包括：焊接激光器系统C以及焊接基台系统D；所述焊接基台系统D包括升降焊接成型缸11；金属切片传送系统E用于将切割基台系统上完成的金属切片运送至焊接基台系统D的升降焊接成型缸11上；焊接激光器系统C用于将层叠在升降焊接成型缸11上的金属切片按照规划路径，通过激光逐层焊接成型，进而得到所需形状的完整金属零件。所述切割基台系统B包括用于原料筒5、切割基板6和废料筒7；金属带材3卷绕在原料筒5上；原料筒5用于供给待切割金属带材3的放卷，废料筒7用于对完成金属切片的金属带材3进行收卷；金属带材3的待切割区域绕过导向轮2并在废料筒7的牵拉作用下，在切割基板6上表面的切割工位停留/或者移动。所述原料筒5和废料筒7由放卷电机4和收卷电机8驱动；在切割基板6右侧设有位置传感器9；在导向轮2的外侧设有张紧轮1；位置传感器9作为负反馈，金属带材3在放卷电机4和收卷电机8的共同驱动下，使得金属带材3上的待切割区域准确移动到切割基板6上方的金属带材3的待切割区；切割基板6用于支撑切割好的金属切片，即切割层26；张紧轮1用于给金属带材3提供张力，使其与切割基板6平行和/或贴合；所述的导向轮2，用于维持金属带材3的张紧，使金属带材3的待切割区平整；位置传感器9用于检测金属带材3的实时运动速度，并反馈给计算机控制系统17，通过控制放卷电机4和收卷电机8的转动，使金属带材3按照预定的切割路径运动。所述金属切片传送系统E包括真空泵15、真空吸盘22、吸盘动作控制器23、滑块24、CCD视觉定位25、丝杆导轨27以及直线电机28；所述导轨27水平跨接在切割基板6以及升降焊接成型缸11的上方；所述CCD视觉定位25设置在切割基板6与升降焊接成型缸11之间的成型室16底部；所述滑块24设置在丝杆导轨27上，当直线电机28驱动丝杆导轨27转动时，滑块24沿着丝杆导轨27的轨迹往复XY方向水平运动；吸盘动作控制器23安装在滑块24上；所述的真空吸盘22具有若干个，均匀分布在吸盘动作控制器23下侧；同时，真空吸盘22又通过真空泵管连接到真空泵15，依靠真空泵15产生的吸力，来吸住切割层26；通过吸盘动作控制器23及CCD视觉定位25的反馈下，将切割基板6上表面的已完成激光切割的切割层26运送至升降焊接成型缸11的激光焊接工位上。所述计算机控制系统17通过位置传感器9实时采集金属带材3的位置信息，并实时反馈放卷电机4和收卷电机8，从而驱动金属带材3按照金属零件各叠层的实时要求来运动；所述计算机控制系统17，通过CCD视觉定位25采集正在传送中的切割层26上切片定位点3-2的实时空间数据的反馈，计算并修正吸盘动作控制器23位置，以使传送到激光焊接工位的切割层26与激光焊接工位上已成型部分12准确贴合；计算机控制系统17控制升降电机10的升降运动，以使升降焊接成型缸11根据金属零件每个叠层的实时要求Z向运动。所述叠层制造设备还包括一个由计算机控制系统17控制的成型室环境控制系统，用于在零件的作业过程中给成型室16提供保护气体、气体循环净化。一种应用于金属增材制造的叠层制造设备的运行方法，包括如下步骤：步骤一：将计算机控制系统17可读取的三维模型切片与切割、焊接路径规划文件导入计算机控制系统17；步骤二：金属带材3的激光切割运行步骤：松开张紧轮1，将金属带材3的卷制品卷绕置原料筒5上，并将金属带材3的另一端跨过导向轮2以及切割基板6，连接到废料筒7的中心驱动轴上，压紧张紧轮1，使金属带材3保持张紧；根据计算机控制系统17确定的金属带材3的切割路径规划数据，以使金属带材3上的待切割区域移动到切割基板6上方的待切割区，即振镜切割区域；切割激光器系统根据各切割层的轮廓数据，切割出切割层26；切割完毕；切割激光器系统暂停作业；步骤三：切割层移位到焊接区域和焊接位置校准步骤在切割激光器系统C暂停之后，计算机控制系统17控制直线电机28，使真空吸盘22从初始位置移动至切本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于金属增材制造的叠层制造设备，其特征在于：包括成型室(16)、激光切割系统、激光焊接系统、金属切片传送系统E以及计算机控制系统(17)；所述计算机控制系统连接控制激光切割系统、激光焊接系统、金属切片传送系统；激光切割系统包括：切割激光器系统A以及切割基台系统B；所述切割基台系统B设置在成型室(16)的底部，用于供给待激光切割的金属带材(3)；切割激光器系统设置在成型室(16)的上部，用于按照规划路径通过激光将金属带材(3)切割成所需形状的金属切片；激光焊接系统包括：焊接激光器系统C以及焊接基台系统D；所述焊接基台系统D包括升降焊接成型缸(11)；金属切片传送系统E用于将切割基台系统上完成的金属切片运送至焊接基台系统D的升降焊接成型缸(11)上；焊接激光器系统C用于将层叠在升降焊接成型缸(11)上的金属切片按照规划路径，通过激光逐层焊接成型，进而得到所需形状的完整金属零件。

【技术特征摘要】
1.一种应用于金属增材制造的叠层制造设备，其特征在于：包括成型室(16)、激光切割系统、激光焊接系统、金属切片传送系统E以及计算机控制系统(17)；所述计算机控制系统连接控制激光切割系统、激光焊接系统、金属切片传送系统；激光切割系统包括：切割激光器系统A以及切割基台系统B；所述切割基台系统B设置在成型室(16)的底部，用于供给待激光切割的金属带材(3)；切割激光器系统设置在成型室(16)的上部，用于按照规划路径通过激光将金属带材(3)切割成所需形状的金属切片；激光焊接系统包括：焊接激光器系统C以及焊接基台系统D；所述焊接基台系统D包括升降焊接成型缸(11)；金属切片传送系统E用于将切割基台系统上完成的金属切片运送至焊接基台系统D的升降焊接成型缸(11)上；焊接激光器系统C用于将层叠在升降焊接成型缸(11)上的金属切片按照规划路径，通过激光逐层焊接成型，进而得到所需形状的完整金属零件。2.根据权利要求1所述应用于金属增材制造的叠层制造设备，其特征在于：所述切割基台系统B包括用于原料筒(5)、切割基板(6)和废料筒(7)；金属带材(3)卷绕在原料筒(5)上；原料筒(5)用于供给待切割金属带材(3)的放卷，废料筒(7)用于对完成金属切片的金属带材(3)进行收卷；金属带材(3)的待切割区域绕过导向轮(2)并在废料筒(7)的牵拉作用下，在切割基板(6)上表面的切割工位停留/或者移动。3.根据权利要求2所述应用于金属增材制造的叠层制造设备，其特征在于：所述原料筒(5)和废料筒(7)由放卷电机(4)和收卷电机(8)驱动；在切割基板(6)右侧设有位置传感器(9)；在导向轮(2)的外侧设有张紧轮(1)；位置传感器(9)作为负反馈，金属带材(3)在放卷电机(4)和收卷电机(8)的共同驱动下，使得金属带材(3)上的待切割区域准确移动到切割基板(6)上方的金属带材(3)的待切割区；切割基板(6)用于支撑切割好的金属切片，即切割层(26)；张紧轮(1)用于给金属带材(3)提供张力，使其与切割基板(6)平行和/或贴合；所述的导向轮(2)，用于维持金属带材(3)的张紧，使金属带材(3)的待切割区平整；位置传感器(9)用于检测金属带材(3)的实时运动速度，并反馈给计算机控制系统(17)，通过控制放卷电机(4)和收卷电机(8)的转动，使金属带材(3)按照预定的切割路径运动。4.根据权利要求3所述应用于金属增材制造的叠层制造设备，其特征在于：所述金属切片传送系统E包括真空泵(15)、真空吸盘(22)、吸盘动作控制器(23)、滑块(24)、CCD视觉定位(25)、丝杆导轨(27)以及直线电机(28)；所述导轨27水平跨接在切割基板(6)以及升降焊接成型缸(11)的上方；所述CCD视觉定位(25)设置在切割基板(6)与升降焊接成型缸(11)之间的成型室(16)底部；所述滑块(24)设置在丝杆导轨(27)上，当直线电机(28)驱动丝杆导轨(27)转动时，滑块(24)沿着丝杆导轨(27)的轨迹往复XY方向水平运动；吸盘动作控制器(23)安装在滑块(24)上；所述的真空吸盘(22)具有若干个，均匀分布在吸盘动作控制器(23)下侧；同时，真空吸盘(22)又通过真空泵管连接到真空泵(15)，依靠真空泵(15)产生的吸力，来吸住切割层(26)；通过吸盘动作控制器(23)及CCD视觉定位(25)的反馈下，将切割基板(6)上表面的已完成激光切割的切割层(26)运送至升降焊接成型缸(11)的激光焊接工位上。5.根据权利要求4所述应用于金属增材制造的叠层制造设备，其特征在于：所述计算机控制系统(17)通过位置传感器(9)实时采集金属带材(3)的位置信息，并实时反馈放卷电机(4)和收卷电机(8)，从而驱动金属带材(3)按照金属零件各叠层的实时要求来运动；所述计算机控制系统(17)，通过CCD视觉定位(25)采集正在传送中的切割层(26)上切片...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迪，吴世彪，杨永强，白玉超，宋长辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44