增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置及其方法，该装置包括底座和主机横梁，所述主机横梁与底座之间通过设置在两侧的立柱固定连接，它还包括设置在底座上可相对其旋转的云台基座，所述云台基座上设置有可相对其横向移动用于放置工件的工作台，所述工作台的上方设置有可相对主机横梁上下和横向移动的增材加工机构和减材加工机构；所述云台基座的一侧设置有等材加工机构。本发明专利技术可以实现3D激光增材制造、等材塑性加工与减材加工的复合成形方法，加工出的零件的致密度增加，提升了零件的综合性能。

3-D Laser Forming Device for Adding, Equal and Reducing Composite Metals and Its Method

The invention discloses a 3-D laser forming device for adding, equal and reducing composite metal and a method thereof. The device comprises a base and a main frame beam. The main frame beam and the base are fixedly connected by columns arranged on both sides. It also includes a platform base which can rotate relative to the base. The platform base is provided with a platform base which can move laterally relative to the base for placement. The upper part of the worktable is provided with a material-increasing and material-reducing processing mechanism which can move up and down and transversely relative to the main frame cross beam, and an equal material processing mechanism is arranged on one side of the base of the Yuntai. The invention can realize the complex forming method of 3D laser material addition manufacturing, plastic processing of equal material and material reduction processing, increase the density of the processed parts, and improve the comprehensive performance of the parts.

【技术实现步骤摘要】
增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置及其方法
本专利技术涉及3D激光成形装置及其方法，具体地指一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置及其方法。
技术介绍
金属3D激光加工技术是当今迅速发展的新兴科学技术。该技术融合了选择性激光烧结技术和激光熔覆技术，以“离散+堆积”的成形思想为基础，按照零件分层截面轮廓轨迹逐层扫描堆积材料，最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。具有柔性好(不需要专用工具、模具和夹具)、加工速度快、材料利用率高、对零件的复杂程度基本没有限制、可实现高熔点难加工材料的成形等显著优点，现已广泛应用于机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域，应用前景广阔。传统的3D激光加工技术包括同步送粉激光成形类和粉床铺粉激光成形类两两种形式。在国外同步送粉激光成形方面，美国UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了使用Nd:YAG固体激光器的同步粉末输送激光净成形技术，成功地把同步送粉激光熔覆技术和选择性激光烧结技术融合成先进的激光直接快速成形技术。美国密歇根大学(UniversityofMichigan)Mazumder等人开发了直接金属沉积技术，实现了实时控制熔覆层高度、化学成份和显微组织。德国-德马吉(DMG)公司开发出的同轴光外送粉激光加工设备，采用5轴设备，使用光纤激光器。成形速度比粉床方式快20倍。在国内，西北工业大学黄卫东教授于1997年开展了基于LENS原理的金属材料激光直接成形技术研究。其创办西安铂力特激光成形技术有限公司可实现产品尺寸范围1mm～5000mm的大型零件增材制造。北京航天航空大学王华明院士团队采用光外同轴送粉激光增材制造技术研制“高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术”，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。国外粉床铺粉激光成形方面，美国的3DSystem公司开发出了直接金属打印技术，可供制造的材料包括钛合金和不锈钢，广泛应用于模具制造、航天航空、汽车零件、医疗器材等方面，打印出高精度、复杂形状、复合材料的金属零部件，材料致密度达99.6％以上。德国EOS公司成功开出发了型号EOSM400的大型增材制造设备，专门针对工业生产需求制造高质量大尺寸金属部件。西安交通大学卢秉恒院士团队创办的西安瑞特快速制造工程研究有限公司(2006年9月)和苏州秉创科技有限公司(2008年)实现了金属零件快速原型和小批量产品的制造服务。华中科技大学史玉升团队和曾晓雁团队突破了SLM成形难以高效制备大尺寸金属零件等瓶颈，开发出了大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备。此外，美国StanfordUniversity和CarnegieMellonUniversity合作开发了形状沉积制造技术SDM，该工艺把增材制造和减材制造相结合。德国弗朗和夫生产技术研究所融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术(ControlledMetalBuildup，简称CMB)，该技术的原理与LENS/DLF相似，但不是用金属粉末而是用基于激光沉积焊接技术的金属焊丝作为原材料这样就改善了零件的精度和表面光洁度，据报道在制造不锈钢零件时，可以达到100％的致密度，加工精度±0.02mm。上述所见报道激光3D成形方法中，主要集中在粉床铺粉激光加工，或者虽是同步送粉激光成形方法，但属于光外送粉同轴送粉，材料利用率低，工作效率不高。同时，在激光复合成形加工方面，仅限于激光熔覆和选择性激光烧结技术融合技术复合成形方法和激光增材制造和减材制造相结合的成形方法，通过该方法获得的零件或制件致密度不高，表面精度不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置及其方法，该装置可以实现3D激光增材制造、等材塑性加工与减材加工的复合成形方法，加工出的零件的致密度增加，提升了零件的综合性能。为实现上述目的，本专利技术所设计的一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，包括底座和主机横梁，所述主机横梁与底座之间通过设置在两侧的立柱固定连接，其特殊之处在于：它还包括设置在底座上可相对其旋转的云台基座，所述云台基座上设置有可相对其横向移动用于放置工件的工作台，所述工作台的上方设置有可相对主机横梁上下和横向移动的增材加工机构和减材加工机构；所述云台基座的一侧设置有等材加工机构。进一步地，所述主机横梁上设置有第一传动丝杆和第二传动丝杆，所述第一传动丝杆的一端设置有用于驱动其旋转的第一传动电机，所述第二传动丝杆的一端设置有用于驱动其旋转的第二传动电机。进一步地，所述增材加工机构包括增材移动架、第一电动伸缩杆装置、喷粉激光装置、激光头、激光发射器、载气装置、以及送粉装置；所述增材移动架设置在第一传动丝杆上与其螺纹连接，所述增材移动架的底部与第一电动伸缩杆装置的固定端固定连接，所述第一电动伸缩杆装置的伸缩端与喷粉激光装置的顶部固定连接；所述激光头设置在喷粉激光装置的底部，所述载气装置通过送气管与激光头的一侧连通，所述送粉装置通过送粉管与激光头的另一侧连通；所述激光头的底部设置有凸镜，所述喷粉激光装置的内腔设置有反光镜，所述激光发射器发射的激光直射入反光镜经过反射后可进入激光头由凸镜聚焦后形成作用于工件的聚焦光束，所述聚焦光束的传播方向与送气管的出气方向、送粉管的出粉方向为同一方向。进一步地，所述增材加工机构还包括用于对工件加工进行监测的光学传感器，所述光学传感器通过支架与喷粉激光装置固定连接。进一步地，所述减材加工机构包括减材移动架、第二电动伸缩杆装置、铣削装置、以及铣削刀具，所述减材移动架设置在第二传动丝杆上与其螺纹连接，所述减材移动架的底部与第二电动伸缩杆装置的固定端固定连接，所述第二电动伸缩杆装置的伸缩端与铣削装置的顶部固定连接，所述铣削刀具设置在铣削装置的底部。进一步地，所述等材加工机构包括机器人、机器人底座、塑形加工头；所述机器人包括第一机械臂、第二机械臂以及第三机械臂，所述第一机械臂的一端与机器人底座固定连接，所述第一机械臂的另一端通过第一舵机与第二机械臂的一端铰接，所述第二机械臂的另一端通过第二舵机与第三机械臂的一端铰接，所述第三机械臂的另一端与塑形加工头固定连接。进一步地，所述云台基座的上端面设置有第三传动丝杆，所述第三传动丝杆的一端设置有用于驱动其旋转的第三传动电机，所述工作台的底部设置有与第三传动丝杆螺纹连接的滑块。进一步地，它还包括控制系统，所述光学传感器的数据信号输出端与控制系统的数据信号输入端连接，所述控制系统的控制信号输出端分别与云台基座、增材加工机构、减材加工机构、等材加工机构的控制信号输入端连接。本专利技术还提供一种利用上述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置进行加工的方法，包括如下步骤：1)先将工件置于增材加工机构正下方的工作台上，调节激光头至设定位置，启动载气装置将保护气体输送至工件的激光加工区域，形成对激光加工区域的气体保护环境；2)启动送粉装置将金属粉末材料通过送粉管输送至工件的激光加工区域；3)启动光学传感器和激光发射器根据增材参数设定指令进行增材加工，金属粉末材料在聚焦激光扫描作用下迅速完成熔化和凝固过程，光学传感器实时监测该过程并反馈至控制系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，包括底座(1)和主机横梁(2)，所述主机横梁(2)与底座(1)之间通过设置在两侧的立柱(3)固定连接，其特征在于：它还包括设置在底座(1)上可相对其旋转的云台基座(4)，所述云台基座(4)上设置有可相对其横向移动用于放置工件(15)的工作台(5)，所述工作台(5)的上方设置有可相对主机横梁(2)上下和横向移动的增材加工机构(6)和减材加工机构(7)；所述云台基座(4)的一侧设置有等材加工机构(8)。

【技术特征摘要】
1.一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，包括底座(1)和主机横梁(2)，所述主机横梁(2)与底座(1)之间通过设置在两侧的立柱(3)固定连接，其特征在于：它还包括设置在底座(1)上可相对其旋转的云台基座(4)，所述云台基座(4)上设置有可相对其横向移动用于放置工件(15)的工作台(5)，所述工作台(5)的上方设置有可相对主机横梁(2)上下和横向移动的增材加工机构(6)和减材加工机构(7)；所述云台基座(4)的一侧设置有等材加工机构(8)。2.根据权利要求1所述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，其特征在于：所述主机横梁(2)上设置有第一传动丝杆(2.1)和第二传动丝杆(2.2)，所述第一传动丝杆(2.1)的一端设置有用于驱动其旋转的第一传动电机(2.3)，所述第二传动丝杆(2.2)的一端设置有用于驱动其旋转的第二传动电机(2.4)。3.根据权利要求2所述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，其特征在于：所述增材加工机构(6)包括增材移动架(6.1)、第一电动伸缩杆装置(6.2)、喷粉激光装置(6.3)、激光头(6.4)、激光发射器(6.5)、载气装置(6.6)、以及送粉装置(6.7)；所述增材移动架(6.1)设置在第一传动丝杆(2.1)上与其螺纹连接，所述增材移动架(6.1)的底部与第一电动伸缩杆装置(6.2)的固定端固定连接，所述第一电动伸缩杆装置(6.2)的伸缩端与喷粉激光装置(6.3)的顶部固定连接；所述激光头(6.4)设置在喷粉激光装置(6.3)的底部，所述载气装置(6.6)通过送气管(9)与激光头(6.4)的一侧连通，所述送粉装置(6.7)通过送粉管(10)与激光头(6.4)的另一侧连通；所述激光头(6.4)的底部设置有凸镜(6.8)，所述喷粉激光装置(6.3)的内腔设置有反光镜(6.9)，所述激光发射器(6.5)发射的激光直射入反光镜(6.9)经过反射后可进入激光头(6.4)由凸镜(6.8)聚焦后形成作用于工件(15)的聚焦光束(11)，所述聚焦光束(11)的传播方向与送气管(9)的出气方向、送粉管(10)的出粉方向为同一方向。4.根据权利要求3所述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，其特征在于：所述增材加工机构(6)还包括用于对工件加工进行监测的光学传感器(6.10)，所述光学传感器(6.10)通过支架(6.11)与喷粉激光装置(6.3)固定连接。5.根据权利要求4所述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，其特征在于：所述减材加工机构(7)包括减材移动架(7.1)、第二电动伸缩杆装置(7.2)、铣削装置(7.3)、以及铣削刀具(7.4)，所述减材移动架(7.1)设置在第二传动丝杆(2.2)上与其螺纹连接，所述减材移动架(7.1)的底部与第二电动伸缩杆装置(7.2)的固定端固定连接，所述第二电动伸缩杆装置(7.2)的伸缩端与铣削装置(7.3)的顶部固定连接，所述铣削刀具(7.4)设置在铣削装置(7.3)的底部。6.根据权利要求1～5任一项所述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置，其特征在于：所述等材加工机构...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏星，董蓓，彭文杰，黄全伟，刘渊媛，彭周，潘利波，
申请(专利权)人：武汉钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42