[go: up one dir, main page]

CN106964900B - 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法 - Google Patents

一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106964900B
CN106964900B CN201710245348.0A CN201710245348A CN106964900B CN 106964900 B CN106964900 B CN 106964900B CN 201710245348 A CN201710245348 A CN 201710245348A CN 106964900 B CN106964900 B CN 106964900B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cutting
welding
laser
metal
metal strip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710245348.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106964900A (zh
Inventor
王迪
吴世彪
杨永强
白玉超
宋长辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201710245348.0A priority Critical patent/CN106964900B/zh
Publication of CN106964900A publication Critical patent/CN106964900A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106964900B publication Critical patent/CN106964900B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/70—Gas flow means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/16—Bands or sheets of indefinite length
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明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。

Description

一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。本发明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。
本发明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割基板6上方，开启真空泵15，利用真空吸力吸住切割基板6上方的切割层26；真空吸盘22携带切割层26向激光焊接工位移动；
在移动过程中，当切割层26经过CCD视觉定位25上方时，CCD视觉定位25将检测到的切割层26上三个定位点的信息传输给计算机控制系统17，计算机控制系统17经过对该三个定位点的位置信息进行分析后，再通过控制吸盘动作控制器23以对切割层26的位置信息进行重新修正，以使各定位点与升降焊接成型缸11上的已成型部分12的定位点准确配合；
当真空吸盘22携带切割层26运行至已成型部分12上方，并与已成型部分12的定位点匹配后，真空泵15放气，真空吸盘22吸力消失，切割层26被准确叠置于已成型金属零件的已成型部分12上；直线电机28驱动真空吸盘22回复到初始位置；
步骤四：激光焊接成型步骤
在步骤三所述真空吸盘22携带切割层23运行至已成型部分12上方的过程中，由于CCD视觉定位25检测到切割层26上的定位点经过，此时，升降焊接成型缸11下降一个切割层的厚度；
当CCD视觉定位25再次检测到金属吸盘22返回初始位置时，计算机控制系统17启动焊接激光器系统C，激光束按照激光扫描焊接路径规划，对切割层26和已成型部分12进行焊接；焊接完毕，焊接激光器系统C暂停出光；
计算机控制系统17启动判断激光焊接成型过程是否结束；若成型未结束，则返回步骤二继续循环；若成型结束，则关闭金属叠层制造设备。
零件成型结束后，还包括一个真空扩散焊接后续处理步骤。它是将成型后的零件毛坯进行真空扩散焊接处理，利用真空扩散焊接处理已焊接成型的零件，以使各切割层之间实现金属间原子相互扩散和金属键结合；
最后，处理切割掉切割层26上的定位点：具体是采用CNC机床切割掉真空扩散处理过的金属零件周围的切片定位点3-2以及切片定位杆3-3，形成最终的金属零件。
所述初始位置处于切割基板6与升降焊接成型缸11之间的中上方。
本发明相对于现有技术，至少具备如下的优点及效果：
本发明由于不必逐点连续打印零件各分层的每个点，其成型金属零件所用时间可以大大缩短；
本发明采用的原料筒和废料筒结构简单，操作方便，提高了金属薄片切割层的供给和回收效率；本发明由于采用切割层整体焊接而成，在平行于薄片方向上，成型金属零件具有更优良的综合力学性能，且由于薄片整体焊接，所以和相对传统的粉末材料的增材制造技术相比飞溅更少，粉尘污染更少；
本发明不必添加支撑，因此避免了支撑添加、减少了因为支撑添加给成型零件表面质量和内部性能带来的一些负面影响；
本发明以金属带材为原材料，相对于粉末材料成本大大降低，有利于金属叠层制造方法和技术的推广。
本发明相比激光或者电子束熔化粉末，因激光或者电子束熔化粉末需要熔化再凝固再堆积获得实体零件，零件的表面粗糙度一般较高(Ra10-30um)，而通过金属带材(薄片板材)层层堆积，其零件表面粗糙度可以达到Ra10um以下。
本发明使用的金属带材厚度在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，只要将薄板累积起来，层层通过焊接方式获得强度，降低零件的阶梯误差。
本发明构造简单，技术手段简便易行，相对于传统技术具有突出的实质性进步。
附图说明
图1是本发明应用于金属增材制造的叠层制造设备结构示意图；
图1中编号表示：1-张紧轮；2-导向轮；3-金属带材；4-放卷电机；5-原料筒；6-切割基板；7-废料筒；8-收卷电机；9-位置传感器；10-升降电机；11-升降焊接成型缸；12-已成型部分；13-保护气瓶；14-气体净化装置；15-真空泵；16成型室；17-计算机控制系统(工控机)；18-焊接激光器；19-焊接激光器光路系统；20-切割激光器；21-切割激光器光路系统；22-真空吸盘；23-吸盘动作控制器；24-滑块；25-CCD视觉定位；26-切割层；27-丝杆导轨；28-直线电机。
图2是本发明叠层制造工艺流程图。
图3是金属带材激光切割规划路径示意图；
图3中编号表示：3-金属带材；3-1切片(即切割层)；3-2切片定位点；3-3切片定位杠。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了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；
切割激光器系统A一般包括切割激光器20以及切割激光器光路系统21两部分。切割激光器光路系统21包括有扩束镜、振镜、聚焦镜；振镜采用scanlab公司的相关型号，响应时间短，扫描范围大。振镜扫描范围多大决定了零件的成型范围，后聚焦式振镜最大扫描范围一般为250*250mm；如果成型大范围金属零件，可以替换为动态聚焦镜，其最大扫描范围可达700*700mm。
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；
焊接激光器系统C一般包括焊接激光器18以及焊接激光器光路系统19两部分。焊接激光器光路系统19包括有扩束镜、振镜、聚焦镜；振镜采用scanlab公司的相关型号，响应时间短，扫描范围大；焊接基台系统D主要包括升降焊接成型缸11以及升降电机10；升降焊接成型缸1通过升降电机10的驱动，逐层下降已成型部分12，并在升降焊接成型缸11上完成金属切片之间的焊接，得到完整的金属零件，成型过程简单快捷。
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。
保护气体根据叠层制造金属种类的不同，可以选用不同的保护气体，如Ar、N2以实现对切割与焊接过程的保护；气体循环净化用于及时过滤掉成型室的烟尘、飞溅等杂质，提高金属零件成型的品质，减少环境污染。
应用于金属增材制造的叠层制造设备的运行方法，可通过如下步骤实现：
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；
一般可根据根据金属带材的实际层厚等实际参数，得出金属零件三维模型的各个切片层轮廓数据(内、外侧轮廓)；如图3所示，为各切片层轮廓数据添加定位柄以及定位点，并将定位柄、定位点与切片层轮廓进行布尔运算，合成新的金属零件各切片层的内、外层轮廓；再对金属带材切割路径及顺序进行规划，使各层成型切片的外轮廓在满足最小间隙的条件下，最大化的分布于金属带材，以使金属带材在不发生切割断裂的情况下的使用效率，切割效率最高。
根据零件的轮廓数据来对激光扫描焊接路径进行规划，规划内容主要包括激光扫描焊接路径的间距、走向、形状以及相邻待焊接切片层扫描焊接路径间的关系，如错开等。
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割基板6上方，开启真空泵15，利用真空吸力吸住切割基板6上方的切割层26；真空吸盘22携带切割层26向激光焊接工位移动；
在移动过程中，当切割层26经过CCD视觉定位25上方时，CCD视觉定位25将检测到的切割层26上三个定位点的信息传输给计算机控制系统17，计算机控制系统17经过对该三个定位点的位置信息进行分析后，再通过控制吸盘动作控制器23以对切割层26的位置信息进行重新修正，以使各定位点与升降焊接成型缸11上的已成型部分12的定位点准确配合；
当真空吸盘22携带切割层26运行至已成型部分12上方，并与已成型部分12的定位点匹配后，真空泵15放气，真空吸盘22吸力消失，切割层26被准确叠置于已成型金属零件的已成型部分12上；直线电机28驱动真空吸盘22回复到初始位置；
步骤四：激光焊接成型步骤
在步骤三所述真空吸盘22携带切割层23运行至已成型部分12上方的过程中，由于CCD视觉定位25检测到切割层26上的定位点经过，此时，升降焊接成型缸11下降一个切割层的厚度；
当CCD视觉定位25再次检测到金属吸盘22返回初始位置时，计算机控制系统17启动焊接激光器系统C，激光束按照激光扫描焊接路径规划，对切割层26和已成型部分12进行焊接；焊接完毕，焊接激光器系统C暂停出光；
计算机控制系统17启动判断激光焊接成型过程是否结束；若成型未结束，则返回步骤二继续循环；若成型结束，则关闭金属叠层制造设备。上述初始位置处于切割基板6与升降焊接成型缸11之间的中上方。
零件成型结束后，还包括一个真空扩散焊接后续处理步骤。它是将成型后的零件毛培进行真空扩散焊接处理，利用真空扩散焊接处理已焊接成型的零件，以使各切割层之间实现金属间原子相互扩散和金属键结合；
最后，处理切割掉切割层26上的定位点：具体是采用CNC机床切割掉真空扩散处理过的金属零件周围的切片定位点3-2以及切片定位杆3-3，形成最终的金属零件。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

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；
所述切割基台系统B包括原料筒(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)分别由放卷电机(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。
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)；
所述丝杆导轨(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)在水平方向往复运动；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)；在吸盘动作控制器(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。
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，并实时反馈给放卷电机(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。
4.根据权利要求1至3中任一项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。
5.一种应用于金属增材制造的叠层制造设备的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
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割基板(6)上方，开启真空泵(15)，利用真空吸力吸住切割基板(6)上方的切割层(26)；真空吸盘(22)携带切割层(26)向激光焊接工位移动；
在移动过程中，当切割层(26)经过CCD视觉定位(25)上方时，CCD视觉定位(25)将检测到的切割层(26)上三个定位点的信息传输给计算机控制系统(17)，计算机控制系统(17)经过对该三个定位点的位置信息进行分析后，再通过控制吸盘动作控制器(23)以对切割层(26)的位置信息进行重新修正，以使各定位点与升降焊接成型缸(11)上的已成型部分(12)的定位点准确配合；
当真空吸盘(22)携带切割层(26)运行至已成型部分(12)上方，并与已成型部分(12)的定位点匹配后，真空泵(15)放气，真空吸盘(22)吸力消失，切割层(26)被准确叠置于已成型金属零件的已成型部分(12)上；直线电机(28)驱动真空吸盘(22)回复到初始位置；
步骤四：激光焊接成型步骤：
在步骤三所述真空吸盘(22)携带切割层(23)运行至已成型部分(12)上方的过程中，由于CCD视觉定位(25)检测到切割层(26)上的定位点经过，此时，升降焊接成型缸(11)下降一个切割层的厚度；
当CCD视觉定位(25)再次检测到金属吸盘(22)返回初始位置时，计算机控制系统(17)启动焊接激光器系统C，激光束按照激光扫描焊接路径规划，对切割层(26)和已成型部分(12)进行焊接；焊接完毕，焊接激光器系统C暂停出光；
计算机控制系统(17)启动判断激光焊接成型过程是否结束；若成型未结束，则返回步骤二继续循环；若成型结束，则关闭金属叠层制造设备。
6.根据权利要求5所述应用于金属增材制造的叠层制造设备的运行方法，其特征在于，零件成型结束后，还包括一个真空扩散焊接后续处理步骤；
将成型后的零件毛坯进行真空扩散焊接处理，利用真空扩散焊接处理已焊接成型的零件，以使各切割层之间实现金属间原子相互扩散和金属键结合；
最后，处理切割掉切割层(26)上的定位点：具体是采用CNC机床切割掉真空扩散处理过的金属零件周围的切片定位点(3-2)以及切片定位杆(3-3)，形成最终的金属零件。
7.根据权利要求5所述应用于金属增材制造的叠层制造设备的运行方法，其特征在于，所述初始位置处于切割基板(6)与升降焊接成型缸(11)之间的中上方。
CN201710245348.0A 2017-04-14 2017-04-14 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法 Active CN106964900B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710245348.0A CN106964900B (zh) 2017-04-14 2017-04-14 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710245348.0A CN106964900B (zh) 2017-04-14 2017-04-14 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106964900A CN106964900A (zh) 2017-07-21
CN106964900B true CN106964900B (zh) 2019-05-14

Family

ID=59332772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710245348.0A Active CN106964900B (zh) 2017-04-14 2017-04-14 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106964900B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020236455A1 (en) 2019-05-20 2020-11-26 Wisconsin Alumni Research Foundation Three-dimensional printer laminating fusible sheets

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107457404B (zh) * 2017-08-02 2021-01-05 华中科技大学 一种适用于复杂零件和模具的增材加工成形方法
CN107262914A (zh) * 2017-08-07 2017-10-20 黑龙江英华科技股份有限公司 一种基于扩散连接的金属结构件减增材复合制造方法
US10828724B2 (en) * 2017-11-13 2020-11-10 General Electric Company Foil part vectorization for mobile large scale additive manufacturing using foil-based build materials
US10449718B1 (en) * 2018-05-29 2019-10-22 The Exone Company Powder-layer three-dimensional printer with smoothing device
CN109382585B (zh) * 2018-12-04 2021-11-09 浙江海洋大学 一种金属箔叠层增材制造装置及方法
CN109352176B (zh) * 2018-12-18 2021-06-04 江苏镭电嘉成激光科技有限公司 一种金属零件的超高速3d打印方法
CN109530860B (zh) * 2018-12-27 2020-10-27 南京衍构科技有限公司 一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法
WO2020154381A1 (en) * 2019-01-23 2020-07-30 Vulcanforms Inc. Laser control systems for additive manufacturing
JP7396349B2 (ja) * 2019-03-25 2023-12-12 株式会社ニコン 加工システム
CN110480011A (zh) * 2019-09-25 2019-11-22 厦门五星珑科技有限公司 一种金属3d打印方法、成型系统及打印机
CN112658630B (zh) * 2020-12-17 2022-09-06 台州学院 一种金属零件的增材制造方法
CN117817151B (zh) * 2024-03-05 2024-06-18 北京卓镭激光技术有限公司 一种激光加工系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1163807A (zh) * 1996-04-26 1997-11-05 清华大学 可完成多种快速原型制造工艺的多功能设备
CN103400165A (zh) * 2013-07-30 2013-11-20 华南理工大学 Slm制造具有内嵌frid标签金属零件的方法及设备
CN105252145A (zh) * 2015-10-19 2016-01-20 华南理工大学 一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备
CN106077652A (zh) * 2016-08-10 2016-11-09 河北大学 一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法
CN206689611U (zh) * 2017-04-14 2017-12-01 华南理工大学 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5951668B2 (ja) * 2014-03-24 2016-07-13 株式会社東芝 積層造形装置の材料供給装置及び積層造形装置
JP6359316B2 (ja) * 2014-03-31 2018-07-18 三菱重工業株式会社 三次元積層装置及び三次元積層方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1163807A (zh) * 1996-04-26 1997-11-05 清华大学 可完成多种快速原型制造工艺的多功能设备
CN103400165A (zh) * 2013-07-30 2013-11-20 华南理工大学 Slm制造具有内嵌frid标签金属零件的方法及设备
CN105252145A (zh) * 2015-10-19 2016-01-20 华南理工大学 一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备
CN106077652A (zh) * 2016-08-10 2016-11-09 河北大学 一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法
CN206689611U (zh) * 2017-04-14 2017-12-01 华南理工大学 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020236455A1 (en) 2019-05-20 2020-11-26 Wisconsin Alumni Research Foundation Three-dimensional printer laminating fusible sheets
EP3972765A4 (en) * 2019-05-20 2023-05-31 Wisconsin Alumni Research Foundation THREE-DIMENSIONAL PRINTER FOR LAMINATING MELSABLE SHEETS

Also Published As

Publication number Publication date
CN106964900A (zh) 2017-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106964900B (zh) 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备与方法
JP5693971B2 (ja) 高速切断のための順送レーザブランキング装置
US9744621B2 (en) Method for cutting pieces from a strip of material and cutting machine for carrying out said method
CN105252145B (zh) 一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备
JP2001053443A (ja) 電子回路基板の製造方法，電子回路基板の製造装置及び電子回路基板
US20190070779A1 (en) 3D Printing Device for Recycling Powders and Operation Method Thereof
CN110102908A (zh) 一种基于三维视觉定位的激光除胶装置及方法
CN105414981A (zh) 一种电弧增材和铣削加工装置
CN108188606B (zh) 一种结合激光切割和电磁焊接的零件制造设备及方法
CN106624826A (zh) 一种微束等离子3d打印与铣削复合加工设备与方法
CN114433980A (zh) 一种电弧增材制造过程中熔池尺寸的控制装置和方法
CN2860712Y (zh) 大功率固体激光平面切割机
CN113290121B (zh) 一种废气净化器箱壳的制备装置及其制备方法
CN111843487A (zh) 一种智能增减材复合制造系统
CN208391272U (zh) 一种玻璃打孔机调焦装置及玻璃打孔机
CN206689611U (zh) 一种应用于金属增材制造的叠层制造设备
CN112296436A (zh) 一种极片裁切工装
CN204842975U (zh) 一种基于飞行光路的桌面式激光选区烧结3d打印机
US20200164576A1 (en) Apparatus for additive manufacturing and process for additive manufacturing
JP2014004776A (ja) 基板の加工装置
CN115922087B (zh) 一种反光材料模具表层激光焊接装置及其使用方法
CN108372304B (zh) 一种3d加工方法及3d加工设备
CN206601546U (zh) 一种lcd边框贴合装置
CN213794853U (zh) 高精度激光切割系统
KR20110096699A (ko) 레이저빔의 초점이 자동으로 조절되는 레이저 절단장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant