CN107138728A - 一种复杂结构的增材制造方法及增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂结构的增材制造系统，包括工作台、3D打印装置、激光锻打装置和总控制装置；3D打印装置包括送粉喷头、用于带动送粉喷头相对工作台移动的3D打印机械臂、与送粉喷头连接的连续激光发生器；激光锻打装置包括喷丸喷嘴、用于带动喷丸喷嘴相对工作台移动的激光喷丸机械臂、与喷丸喷嘴连接的脉冲激光发生器；总控制装置分别与3D打印装置及激光锻打装置电连接以控制3D打印机械臂及激光喷丸机械臂的移动。本发明还公开了一种复杂结构的增材制造方法。应用本发明提供的增材制造系统及方法，双激光打印锻打的零件机械强度大大提高，机械综合性能得到提高。故可以对零件结构进一步优化，改善结构、减小尺寸，最终实现减重轻量化。

Description

一种复杂结构的增材制造方法及增材制造系统

技术领域

本发明涉及制造技术领域，更具体地说，涉及一种复杂结构的增材制造方法，还涉及一种复杂结构的增材制造系统。

背景技术

制造可分为三种类型，铸锻焊为主的等材制造，以车铣刨磨为主的减材制造，3D打印为主的增材制造。而3D打印的原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后由3D打印机把打印材料按切片图层逐层叠加，最终堆积成完整的物体。3D打印工艺有光固化打印(SLA)、激光烧结打印(SLS)、熔融沉积打印(FDM)等，其中激光烧结打印采用高功率的激光，把粉末烧结在一起形成零件。

在现代工程领域中，存在着非常多复杂结构的零件，如大型泵体、汽轮机组壳体、船用曲轴、航空发动机壳体和叶片、汽车发动机缸体与缸盖等。如今大部分复杂的零部件都采用铸造或者装配、焊接的方法生产。随着3D打印的不断发展和成熟，这项技术成为复杂结构零件生产的一项重要新技术。能加工出传统加工工艺难以制造出来的结构件，特别是用于航空航天的零部件。由于航空航天领域对零部件的比重要求高，因此，复杂零件的减重轻量化也是3D打印需要解决的一个重大课题。

然而，3D打印产品由于采用叠加制造工艺，存在致密性差，残余应力多大，抗疲劳性能不足，容易变形，对于复杂结构的3D打印，对零件的后处理困难，而且还会产生气孔等缺陷，综合机械性能达不到要求等缺点。

综上所述，如何有效地解决复杂结构零件加工困难和生产周期长、3D打印产品致密性差、残余应力大、综合机械性能达不到要求等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种复杂结构的增材制造系统，该增材制造系统的结构设计可以有效地解决复杂结构零件加工困难和生产周期长、3D打印产品致密性差、残余应力大、综合机械性能达不到要求的问题，本发明的第二个目的是提供一种复杂结构的增材制造方法。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种复杂结构的增材制造系统，包括工作台、3D打印装置、激光锻打装置和总控制装置；

所述3D打印装置包括送粉喷头、用于带动所述送粉喷头相对所述工作台移动的3D打印机械臂、与所述送粉喷头连接的连续激光发生器；

所述激光锻打装置包括喷丸喷嘴、用于带动所述喷丸喷嘴相对所述工作台移动的激光喷丸机械臂、与所述喷丸喷嘴连接的脉冲激光发生器；

所述总控制装置分别与所述3D打印装置及所述激光锻打装置电连接以控制所述3D打印机械臂及所述激光喷丸机械臂的移动。

优选地，上述增材制造系统中，所述3D打印装置包括3D打印控制器，所述激光锻打装置包括激光锻打控制器，所述3D打印控制器和所述激光锻打控制器分别与所述总控制装置电连接。

优选地，上述增材制造系统中，所述3D打印装置还包括储料罐，所述储料罐通过管路与所述送粉喷头连通，与所述管路连通的设置有用于提供惰性气体的气压泵，且所述管路内设置有用于控制送粉量的粉量控制器，所述粉量控制器及所述气压泵均与气粉控制装置电连接，所述气粉控制装置与所述总控制装置电连接。

优选地，上述增材制造系统中，所述3D打印机械臂与所述激光喷丸机械臂均为多轴联动机械臂。

优选地，上述增材制造系统中，还包括用于监测所述3D打印装置打印过程的三维光学扫描检测仪和与所述三维光学扫描检测仪电性连接的数据采集与分析系统，所述数据采集与分析系统用于根据所述三维光学扫描检测仪反馈的数据获取打印层的应力分布，且所述数据采集与分析系统与所述总控制装置电连接。

本发明提供的复杂结构的增材制造系统，包括工作台、3D打印装置、激光锻打装置和总控制装置。3D打印装置包括送粉喷头、用于带动送粉喷头相对工作台移动的3D打印机械臂、与送粉喷头连接的连续激光发生器；激光锻打装置包括喷丸喷嘴、用于带动喷丸喷嘴相对工作台移动的激光喷丸机械臂、与喷丸喷嘴连接的脉冲激光发生器；总控制装置分别与3D打印装置及激光锻打装置电连接以控制3D打印机械臂及激光喷丸机械臂的移动。

应用本发明提供的增材制造系统，通过激光锻打，减小了残余应力的影响，零件的翘曲变形得到控制，同时消除了气孔，缩松等缺陷。双激光打印锻打的零件的机械强度大大提高，机械综合性能得到提高。所以可以对零件结构进行进一步优化，改善结构、减小尺寸，最终实现零件的减重轻量化。利用两个机械臂分别带动3D打印喷头和激光喷丸喷头。机械臂的多自由度运动，更易于打印复杂的结构而不需要支撑，如悬臂和镂空结构；更方便对复杂的结构进行激光锻打，消除内应力。在激光3D打印之后，温度在600-700℃时，非常适合锻打，在此环境下进行锻打，更有利于零件综合性能的提高。

为了达到上述第二个目的，本发明提供如下技术方案：

一种复杂结构的增材制造方法，包括如下步骤：

根据零件形状建立三维模型；

对建立的所述三维模型进行分单元和分层切片，并获得激光打印送粉喷头的运动路径；

根据所述运动路径控制所述送粉喷头移动，逐层进行激光打印，并对当前打印层进行全层激光锻打。

优选地，上述增材制造方法中，所述并对当前打印层进行激光锻打，具体包括：

获取当前打印层的应力分布，根据所述应力分布调整激光的频率进行全层激光锻打。

优选地，上述增材制造方法中，还包括：

获取打印层的不同位置的应力分布，并在局部应力大于预设应力值时，进行局部激光锻打。

优选地，上述增材制造方法中，所述对当前打印层进行全层激光锻打，具体包括：

3D打印的连续激光束与冲击锻打的脉冲激光束同时工作，脉冲激光束紧随连续激光束之后，在最佳温度区域和尺寸范围内对刚成形的当前打印层进行激光冲击锻打。

应用本发明提供的增材制造方法，在激光3D打印之后，温度在600-700℃时，非常适合锻打，在此环境下进行锻打，更有利于零件综合性能的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的复杂结构的增材制造系统的结构示意图；

图2为复杂结构的增材制造系统的加工示意图；

图3为本发明一个具体实施例的复杂结构的增材制造方法的流程示意图。

附图中标记如下：

送粉喷头1、送气/粉软管2、工作台3、机座4、粉量控制器5、气压泵6、储料罐7、电机8、3D打印机械臂9、三维光学扫描测试仪10、光纤11、喷丸喷嘴12、激光喷丸机械臂13、气粉控制装置14、3D打印控制器15、数据采集与分析系统16、连续激光发生器17、脉冲激光发生器18、激光锻打控制器19、工作台控制系统20、21接口总线、总控制装置22、工件23、熔化金属24、金属粉末与惰性气体25、3D打印激光束26、激光喷丸激光束27、冲击波28。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种复杂结构的增材制造系统，以便于加工复杂结构零件，缩短生产周期。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图2，图1为本发明一个具体实施例的复杂结构的增材制造系统的结构示意图；图2为复杂结构的增材制造系统的加工示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的复杂结构的增材制造系统，包括工作台3、3D打印装置、激光锻打装置和总控制装置22。

其中，3D打印装置包括送粉喷头1、3D打印机械臂9和连续激光发生器17。3D打印机械臂9用于带动送粉喷头1相对工作台3移动，连续激光发生器17与送粉喷头1连接。具体的，可以采用同轴送粉喷头1进行实现3D打印，不同的装置把金属粉和激光送到喷头，激光熔化金属粉末，实现打印。同轴送粉喷头1由3D打印机械臂9带动。优选的，所述3D打印机械臂9与所述激光喷丸机械臂13均为多轴联动机械臂。多轴联动的机械臂利于复杂结构的3D打印。3D打印机械臂9可以悬挂在机床上梁上，具体可在梁上的导轨上滑动，并由3D打印机械臂9控制系统控制其运动。具体送粉喷头1及连续激光发生器17等的结构及工作原理请参考现有技术，此处不再赘述。

激光锻打装置包括喷丸喷嘴12、激光喷丸机械臂13和脉冲激光发生器18。其中，激光喷丸机械臂13用于带动喷丸喷嘴12相对工作台3移动，脉冲激光发生器18与喷丸喷嘴12连接。喷丸喷嘴12由激光喷丸机械臂13带动，优选的采用多轴联动的机械臂，进而可以十分方便的对各个区域进行锻打。通过在每打印一层材料后，对刚打印出来的层进行锻打，消除了很大的残余应力。同时，对于复杂结构的零部件，由于后打印的层必定会对前面的层产生影响，最后导致零件整体会产生比较大的应力。所以，除了逐层锻打之外，还可以对其进行选择性的局部锻打。因而利用激光喷丸机械臂13就显得十分方便了。具体喷丸喷嘴12的结构、脉冲激光发生器18的结构等也可参考现有技术。

具体的，激光锻打装置的喷丸与3D打印装置的激光分别由连续激光发生器17和脉冲激光发生器18提供，并通过光纤11输送到喷头。根据不同的需要调整激光器，可获得不用参数的激光。

总控制装置22分别与3D打印装置及激光锻打装置电连接以控制3D打印机械臂9及激光喷丸机械臂13的移动。已完成3D打印及相应的锻打加工。工作台33具体可以为多轴联动工作台3。

应用本发明提供的增材制造系统，通过激光锻打，减小了残余应力的影响，零件的翘曲变形得到控制，同时消除了气孔，缩松等缺陷。双激光打印锻打的零件的机械强度大大提高，机械综合性能得到提高。所以可以对零件结构进行进一步优化，改善结构、减小尺寸，最终实现零件的减重轻量化。利用两个机械臂分别带动3D打印喷头和激光喷丸喷头。机械臂的多自由度运动，更易于打印复杂的结构而不需要支撑，如悬臂和镂空结构；更方便对复杂的结构进行激光锻打，消除内应力。在激光3D打印之后，温度在600-700℃时，非常适合锻打，在此环境下进行锻打，更有利于零件综合性能的提高。

具体的，3D打印装置包括3D打印控制器15，激光锻打装置包括激光锻打控制器19，3D打印控制器15和激光锻打控制器19分别与总控制装置22电连接。通过分别设置对应3D打印及激光锻打的控制器，以便于精确快速控制3D打印装置的3D打印机械臂9移动、激光锻打装置的激光喷丸机械臂13移动并。根据需要，也可以通过在总控制装置22中分别设置3D打印控制模块及激光锻打控制模块进行控制。

进一步地，3D打印装置还包括储料罐7，储料罐7通过管路与送粉喷头1连通，与管路连通的还设置有用于提供惰性气体的气压泵6，且管路内设置有用于控制送粉量的粉量控制器5，粉量控制器5及气压泵6均与气粉控制装置14电连接，气粉控制装置14与总控制装置22电连接。也就是增材制造系统的气粉控制装置14可以包括储料罐7、气压泵6、粉量控制器5、气粉控制装置14。上述管路具体可以为送气/粉软管2，采用具有柔性的软管，使其与机械臂的运动相适应。粉量控制器5能够精确控制管道送粉量，具体可以与电机连接，通过电机8控制送粉量。气压泵6提供惰性气体，一方面可以起保护作用，另一方面可形成一定压力，便于金属粉末的输送。储料罐7可对金属粉末进行预热，使其可以更快的融化。

在上述各实施例的基础上，还包括用于监测3D打印装置打印过程的三维光学扫描检测仪和与三维光学扫描检测仪电性连接的数据采集与分析系统16，数据采集与分析系统16用于根据三维光学扫描检测仪反馈的数据获取打印层的应力分布，且数据采集与分析系统16与总控制装置22电连接。三维光学扫描测试仪10可对加工过程的进行监测，采集加工的每个阶段的数据，并发送至数据采集与分析系统16，数据采集与分析系统16根据接收的数据分析获得零件的应力分布云图与宏观外形图，进而反馈到总控制系统，形成闭环系统。同时指导激光喷丸锻打操作，提高机械性能。具体三维光学扫描检测仪的结构、工作原理及数据采集与分析的工作原理请参考现有技术，此处不再赘述。

上述气粉控制器、3D打印控制器15、数据采集与分析系统16、连续激光发生器17、脉冲激光发生器18、激光锻打控制器19、及用于控制工作台3的工作台3控制器20都由总控制装置22，如计算机控制系统控制，并向其反馈数据，共同形成一个智能制造系统。

本发明还公开了一种复杂结构的增材制造方法，在一个具体实施例中，本发明提供的复杂结构的增材制造方法，包括如下步骤：

S1：根据零件形状建立三维模型；

S2：对建立的三维模型进行分单元和分层切片，并获得激光打印送粉喷头1的运动路径；

具体三维模型的建立方式、分单元、分层切片的原则等请参考现有技术，此处不再赘述。

S3：根据运动路径控制送粉喷头1移动，逐层进行激光打印，并对当前打印层进行全层激光锻打。

也就是在逐层打印过程中，分别对当前打印层进行全层激光锻打。通过每打印一层材料后，对刚打印出来的层即当前打印层进行锻打，消除了很大的残余应力。具体可通过上述增材制造系统中的激光锻打装置进行激光锻打。

进一步地，上述步骤S3中并对当前打印层进行激光锻打，具体包括：

获取当前打印层的应力分布，根据应力分布调整激光的频率进行全层激光锻打。也就是根据刚打印出来的层的应力分布相应的调整激光的频率进行锻打，以针对性地、更为有效地消除残余应力。具体可以通过上述增材制造系统中的三维光学扫描检测仪及数据采集与分析获取当前打印层的应力分布，根据应力分布状况以及不同位置的厚度，确定不同位置所需的激光强度。然后控制机械臂带动激光喷丸头对零件进行锻打，通过改变的激光的频率，实现不同位置锻打的冲击波强度，减小或消除内应力，消除气孔、缩松的缺陷。

更进一步地，上述方法还包括步骤：

S4：获取打印层的不同位置的应力分布，并在局部应力大于预设应力值时，进行局部激光锻打。

运用ATO三维光学扫描测试仪10，可获得各个阶段各个部位的应力分布。此时，在打印的各个阶段，通过脉冲激光发生器18根据需求发射不同频率的激光通过光纤11传到激光喷丸喷头，激光锻打控制器19控制多轴联动的激光喷丸机械臂13、灵活的对应力过大的部位进行局部锻打。最终优化机械综合性能，达到锻件性能。

在上述各实施例的基础上，步骤S3中对当前打印层进行全层激光锻打，具体包括：

3D打印的连续激光束与冲击锻打的脉冲激光束同时工作，脉冲激光束紧随连续激光束之后，在最佳温度区域和尺寸范围内对刚成形的当前打印层进行激光冲击锻打。也就是在全层锻打过程中两束激光是同时耦合加工的，加工效率高。连续激光束进行激光3D打印之后，温度在600-700℃时，非常适合锻打，并在全层尺寸范围内进行激光冲击锻打，有利于零件综合性能的提高。

以下以一个优选的实施方式为例，说明本发明提供的复杂结构的增材制造装置及方法。

请参阅图3，图3为本发明一个具体实施例的复杂结构的增材制造方法的流程示意图。其具体包括以下步骤：

1.建模。利用UG、SolidWorks、Pro/E、CATIA等计算机三维软件建立零件的三维模型

2.分单元和切片。利用计算机控制系统对待加工复杂零件的模型进行分单元和分层切片，同时获得激光打印喷头的运动路径，指导打印机分层打印。

3.文件格式转换。把设计软件文件转换为和打印机之间协作的标准文件STL文件格式。

4.设备准备。准备好加工粉末，加入到储料罐7中进行预热。选择连续激光发生器17的合适的参数(温度、频率)以便更好的重熔金属粉末进行堆积成形。

5.喷嘴按轨迹打印。3D打印机械臂9带动同轴送粉喷头1按照预定的轨迹运动，金属粉末经过气压泵6加压后与惰性气体通过软管送到同轴送粉器，连续激光发生器17发射激光通过光纤11送到同轴送粉器熔化金属，激光熔化金属后对材料进行堆叠成形。

6.检测仪器对打印过程监测。利用选用ATO三维光学扫描监测仪对加工过程进行监测，并测量零件的宏观形状与应力分布。同时将监测信息反馈给计算机控制系统，形成闭环控制。

7.打印层激光全层锻打。对打印出来的层进行整体的锻打。数据采集与分析系统16对ATO三维光学扫描监测仪反馈回来的数据进行分析处理，得到打印层的应力分布传给计算机控制系统。计算机控制系统根据应力分布状况以及不同位置的厚度和该区域机械性能的要求，确定不同位置所需的激光强度。然后指导激光锻打控制器19来控制激光喷丸机械臂13带动激光喷丸头对零件进行锻打，通过脉冲激光发生器18改变的激光的频率，实现不同位置锻打的冲击波强度，减小或消除内应力，消除气孔、缩松的缺陷。

8.逐层3D打印。按照预定轨迹路径扫描形成零件切片层。逐层堆积，最后完成复杂零件的整体外形的激光打印。

9.逐层激光冲击锻打。按照步骤5进行逐层打印，逐层3D打印的同时，激光冲击锻打喷头紧随其后，按步骤6、7进行激光锻打，提高零件的综合性能。

10.局部激光锻打。运用ATO三维光学扫描测试仪10，可获得各个阶段各个部位的应力分布。此时，在打印的各个阶段，通过脉冲激光发生器18根据需求发射不同频率的激光通过光纤11传到激光喷丸喷头，激光锻打控制器19控制多轴联动的激光喷丸机械臂13灵活的对应力过大的部位进行局部锻打。最终优化机械综合性能，达到锻件性能。

11.工艺流程结束。

上述的复杂结构的增材制造系统及方法，采用双光束激光冲击锻打复杂结构实现增材制造减重轻量化，其主要的优点是：

1.激光锻打后减小了残余应力的影响，零件的翘曲变形得到控制，同时消除了气孔，缩松等缺陷。双激光打印锻打的零件的机械强度大大提高，机械综合性能得到提高。所以可以对对零件结构进行进一步优化，改善结构、减小尺寸，最终实现零件的减重轻量化。

2.利用两个多轴联动机械臂分别带动3D打印喷头和激光喷丸喷头。机械臂的多自由度运动，更易于打印复杂的结构而不需要支撑，如悬臂和镂空结构；更方便对复杂的结构进行激光锻打，消除内应力。

3.在激光3D打印之后，温度在600-700℃时，非常适合锻打，在此环境下进行锻打，更有利于零件综合性能的提高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种复杂结构的增材制造系统，其特征在于，包括工作台、3D打印装置、激光锻打装置和总控制装置；

所述3D打印装置包括送粉喷头、用于带动所述送粉喷头相对所述工作台移动的3D打印机械臂、与所述送粉喷头连接的连续激光发生器；

所述激光锻打装置包括喷丸喷嘴、用于带动所述喷丸喷嘴相对所述工作台移动的激光喷丸机械臂、与所述喷丸喷嘴连接的脉冲激光发生器；

所述总控制装置分别与所述3D打印装置及所述激光锻打装置电连接以控制所述3D打印机械臂及所述激光喷丸机械臂的移动。

2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，所述3D打印装置包括3D打印控制器，所述激光锻打装置包括激光锻打控制器，所述3D打印控制器和所述激光锻打控制器分别与所述总控制装置电连接。

3.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，所述3D打印装置还包括储料罐，所述储料罐通过管路与所述送粉喷头连通，与所述管路连通的设置有用于提供惰性气体的气压泵，且所述管路内设置有用于控制送粉量的粉量控制器，所述粉量控制器及所述气压泵均与气粉控制装置电连接，所述气粉控制装置与所述总控制装置电连接。

4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，所述3D打印机械臂与所述激光喷丸机械臂均为多轴联动机械臂。

5.根据权利要求1-4任一项所述的增材制造系统，其特征在于，还包括用于监测所述3D打印装置打印过程的三维光学扫描检测仪和与所述三维光学扫描检测仪电性连接的数据采集与分析系统，所述数据采集与分析系统用于根据所述三维光学扫描检测仪反馈的数据获取打印层的应力分布，且所述数据采集与分析系统与所述总控制装置电连接。

6.一种复杂结构的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据零件形状建立三维模型；

对建立的所述三维模型进行分单元和分层切片，并获得激光打印送粉喷头的运动路径；

根据所述运动路径控制所述送粉喷头移动，逐层进行激光打印，并对当前打印层进行全层激光锻打。

7.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，所述并对当前打印层进行激光锻打，具体包括：

获取当前打印层的应力分布，根据所述应力分布调整激光的频率进行全层激光锻打。

8.根据权利要求7所述的增材制造方法，其特征在于，还包括：

获取打印层的不同位置的应力分布，并在局部应力大于预设应力值时，进行局部激光锻打。

9.根据权利要求1-6任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述对当前打印层进行全层激光锻打，具体包括：

3D打印的连续激光束与冲击锻打的脉冲激光束同时工作，脉冲激光束紧随连续激光束之后，在最佳温度区域和尺寸范围内对刚成形的当前打印层进行激光冲击锻打。