大型零件3D打印的设备制造技术

本发明专利技术公开了一种大型零件3D打印的设备。本发明专利技术一种大型零件3D打印的设备，包括：送丝机构、形貌控制仪、第一计算机、电弧焊枪、感应加热盘、超声微锻打机构、变幅杆、红外相机、第二计算机、基底和工作台。本发明专利技术的有益效果：及时去除3D打印时零件的应力变形，无需增加过多的额外尺寸余量，避免了材料和工时的浪费，节约了生产成本，提高了生产效率，后续无需进行去应力退火，因此可以打印特大型零件。

Equipment for 3D Printing of Large Parts

The invention discloses a device for 3D printing of large parts. The invention relates to a 3D printing device for large parts, which comprises a wire feeding mechanism, a shape controller, a first computer, an arc welding gun, an induction heating disk, an ultrasonic micro forging mechanism, a horn, an infrared camera, a second computer, a base and a worktable. The invention has the advantages of timely removing the stress and deformation of parts during 3D printing without adding excessive extra dimension margin, avoiding waste of materials and working hours, saving production cost, improving production efficiency, and subsequent stress relief annealing, so that extra large parts can be printed.

【技术实现步骤摘要】
大型零件3D打印的设备
本专利技术涉及于金属材料加工领域，具体涉及一种大型零件3D打印的设备。
技术介绍
3D打印工艺是基于离散—堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法是将产品数字化设计、制造、分析高度一体化，不仅能够显著缩短研发周期和研发成本，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著。3D打印工艺目前在模具制造、工业设计、汽车、航空航天和医疗产业、土木工程、军事等领域都有所应用，并将逐渐取代传统工艺。目前大型金属3D打印制造技术主要有：激光同轴送粉打印工艺、电子束熔化和电弧增材制造技术等。激光同轴送粉3D打印技术是采用同步送粉方式，将金属粉末输送至加工点，同时高功率激光将金属粉末熔化，按照预设轨迹逐层沉积，最终形成金属零件。可适用于不锈钢、工具钢、钛合金、铝合金、镍基合金、炭化钨硬质合金、钨铬钴合金、钴铬钼合金、青铜合金、贵金属合金等多种金属材料，激光同轴送粉3D打印还能进行零件修复及表面合金化等多种加工工艺，如图1所示。电子束选区熔化金属3D打印采用电子束作为能量源，在高真空环境下通过逐层熔化金属粉末的方式制造实体部件。由于电子束的功率高、材料对电子束能量吸收率高，该技术具有制件致密度高、氧含量少、不易变形开裂、粉末耗材价格低、打印效率高等特点，在金属材料特别是难熔难加工金属材料的3D打印方面具备独特优势和应用价值，在骨科医疗、航空航天等领域应用广泛，如图2所示。电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要表面二次机加工，相比激光同轴送粉、电子束增材制造，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形，如图3所示。传统技术存在以下技术问题：(1)3D打印时零件应力变形大，需要增加较多的额外余量尺寸，造成一定的材料和工时的浪费，增加了生产成本，降低了生产效率，后续需要进行去应力退火，因此打印特大型零件受到了退火炉尺寸的限制；(2)对导热性能不同的材料，零件打印效果都有一定的缺陷，热导率较低的TC4钛合金打印后为网篮组织并伴有少量的魏氏过烧组织，铜合金和铝合金等热导率较高的材料打印时有较多的微裂纹缺陷，成形效果不理想；(3)零件打印后经常有融合不良问题，内部存在微裂纹或气孔，进行无损检测后缺陷较多，无法满足验收要求；(4)零件退火后晶粒粗大，直径一般超过100微米，远大于传统工艺加工零件的晶粒，机械性能和抗疲劳性能较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种大型零件3D打印的设备，在零件3D打印部分高度后，对整层打印平面进行感应加热和超声高频微锻处理，主要用于消除应力和细化晶粒组织；根据打印零件的尺寸确定采用感应器加热的外形尺寸、电源功率和频率，感应加热装置与3D打印传动机构一起固定，通过程序对整体的打印平面进行感应加热扫描，感应加热的温度根据具体材料确定，一般要求加热到再结晶温度以上；由于3D打印增材制造属于近净成形，不能采用传统大变形量锻造工艺，因此采用超声高频锻打工艺对加热后的工件部分进行高频超声微锻打，达到去除应力和晶粒细化的目的。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种大型零件3D打印的设备，包括：送丝机构、形貌控制仪、第一计算机、电弧焊枪、感应加热盘、超声微锻打机构、红外相机、第二计算机、基底和工作台；所述工作台为前后、左右的二维运动；所述电弧焊枪和所述超声微锻打机构为上下运动；所述电弧焊枪、送丝机构、光学成像仪、工作台与负责形貌控制的所述第一计算机相连接，在打印过程中，所述工作台与电弧焊枪的轨迹由输入形貌控制的第一计算机程序控制；打印的状态通过所述光学摄像仪进行反馈，反馈结果输入负责形貌控制的第一计算机，所述第一计算机通过反馈的结果对工作台与电弧焊枪的轨迹进行调整，使打印的熔敷层有效宽度、层高和焊接速度等参数在线准确输出和检测，保证打印出的零件符合输入所述第一计算机的3D数模尺寸；所述感应加热盘、超声微锻打机构、红外相机、工作台与负责形貌温度控制的第二计算机相连接；所述感应加热盘、工作台与超声微锻打机构的轨迹由输入温度控制的第二计算机程序控制，超声锻打后的状态通过红外相机进行反馈，反馈的结果输入负责温度控制的第二计算机，所述第二计算机通过反馈的结果对工作台、超声微锻打机构和感应加热盘的轨迹进行调整，保证零件的所有部位都能够被均匀加热和高频超声微锻打。在其中一个实施例中，所述的工作台的控制精度超过0.01mm。在其中一个实施例中，所述电弧焊枪和超声微锻打机构的控制精度超过0.01mm。在其中一个实施例中，输入形貌控制的计算机程序的3D数模可以是UG、Pro/E、AutoCAD、Solidworks、Catia等软件。在其中一个实施例中，所述电弧焊枪采用氩弧焊防止氧化，焊接电流10A～100A。在其中一个实施例中，所述感应加热盘的直径为20～200mm，电源功率约5～30kW，频率5～50kHz，在距离打印平面3～10mm高处进行感应加热，根据材料确定感应加热的温度，加热到材料的再结晶温度以上，感应透热深度1～5mm，行走速度20～300mm/min。在其中一个实施例中，所述超声微锻打机构的变幅杆工作段长度150～500mm，重量1～5公斤，频率5～50kHz。在其中一个实施例中，所述超声微锻打机构的变幅杆直径Φ10～100mm，变幅杆材料为TC4钛合金，振幅5～50微米。在其中一个实施例中，所述所述超声微锻打机构的变幅杆头部有冷却装置进行冷却。在其中一个实施例中，所述超声微锻打机构的功率200～2000W。本专利技术的有益效果：及时去除3D打印时零件的应力变形，无需增加过多的额外尺寸余量，避免了材料和工时的浪费，节约了生产成本，提高了生产效率，后续无需进行去应力退火，因此可以打印特大型零件；该工艺适用于所有金属材料的3D打印，可以根据不同材料的导热性能和加工性质设置3D打印、感应加热和超声微锻的工艺参数，可以完全消除TC4钛合金的网篮组织和魏氏过烧组织，同时消除铜合金和铝合金等热导率较高的材料3D打印时产生的微裂纹缺陷；该工艺打印的零件不会发生融合不良问题、微裂纹或微气孔，无损检测后无缺陷；零件打印后的金相组织直接为细小等轴晶粒，直径不超过20微米，基本达到传统工艺加工零件的晶粒，机械性能和抗疲劳性能比传统3D打印工艺明显提高。附图说明图1是本专利技术
技术介绍
中同轴送粉激光3D打印的示意图。图2是本专利技术
技术介绍
中电子束选区熔化金属3D打印示意图的示意图。图3是本专利技术
技术介绍
中电弧增材制造3D打印示意图的示意图。图4是本专利技术大型零件3D打印的设备的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。实施例1制备直径为3m的TC4钛合金圆环3D打印设备。该装置主要由由送丝机构、形貌控制仪、光学成像仪、电弧焊枪、感应加热盘、超声微锻打机构、变幅杆、红本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型零件3D打印的设备，其特征在于，包括：送丝机构、形貌控制仪、第一计算机、电弧焊枪、感应加热盘、超声微锻打机构、红外相机、第二计算机、基底和工作台；所述工作台为前后、左右的二维运动；所述电弧焊枪和所述超声微锻打机构为上下运动；所述电弧焊枪、送丝机构、光学成像仪、工作台与负责形貌控制的所述第一计算机相连接，在打印过程中，所述工作台与电弧焊枪的轨迹由输入形貌控制的第一计算机程序控制；打印的状态通过所述光学摄像仪进行反馈，反馈结果输入负责形貌控制的第一计算机，所述第一计算机通过反馈的结果对工作台与电弧焊枪的轨迹进行调整，使打印的熔敷层有效宽度、层高和焊接速度等参数在线准确输出和检测，保证打印出的零件符合输入所述第一计算机的3D数模尺寸；所述感应加热盘、超声微锻打机构、红外相机、工作台与负责形貌温度控制的第二计算机相连接；所述感应加热盘、工作台与超声微锻打机构的轨迹由输入温度控制的第二计算机程序控制，超声锻打后的状态通过红外相机进行反馈，反馈的结果输入负责温度控制的第二计算机，所述第二计算机通过反馈的结果对工作台、超声微锻打机构和感应加热盘的轨迹进行调整，保证零件的所有部位都能够被均匀加热和高频超声微锻打。...

【技术特征摘要】
1.一种大型零件3D打印的设备，其特征在于，包括：送丝机构、形貌控制仪、第一计算机、电弧焊枪、感应加热盘、超声微锻打机构、红外相机、第二计算机、基底和工作台；所述工作台为前后、左右的二维运动；所述电弧焊枪和所述超声微锻打机构为上下运动；所述电弧焊枪、送丝机构、光学成像仪、工作台与负责形貌控制的所述第一计算机相连接，在打印过程中，所述工作台与电弧焊枪的轨迹由输入形貌控制的第一计算机程序控制；打印的状态通过所述光学摄像仪进行反馈，反馈结果输入负责形貌控制的第一计算机，所述第一计算机通过反馈的结果对工作台与电弧焊枪的轨迹进行调整，使打印的熔敷层有效宽度、层高和焊接速度等参数在线准确输出和检测，保证打印出的零件符合输入所述第一计算机的3D数模尺寸；所述感应加热盘、超声微锻打机构、红外相机、工作台与负责形貌温度控制的第二计算机相连接；所述感应加热盘、工作台与超声微锻打机构的轨迹由输入温度控制的第二计算机程序控制，超声锻打后的状态通过红外相机进行反馈，反馈的结果输入负责温度控制的第二计算机，所述第二计算机通过反馈的结果对工作台、超声微锻打机构和感应加热盘的轨迹进行调整，保证零件的所有部位都能够被均匀加热和高频超声微锻打。2.如权利要求1所述的大型零件3D打印的设备，其特征在于，所述的工作台的控制精度超过0.01mm。3.如权利要求1所述的大型零件3D打印的设备，...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆开洪，梁贺，
申请(专利权)人：苏州创浩新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32