CN104741609B

CN104741609B - 电子束熔融及切削复合3d打印设备

Info

Publication number: CN104741609B
Application number: CN201510149380.XA
Authority: CN
Inventors: 李军旗; 刘庆; 徐毅; 欧阳渺安; 聂炎; 杨虎
Original assignee: Yuanmeng Precision Technology Shenzhen Institute
Current assignee: Yuanmeng Precision Technology Shenzhen Institute
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: CN104741609A

Abstract

本发明涉及3D打印设备的技术领域，公开了电子束熔融及切削复合3D打印设备，包括箱体以及电子束枪，箱体内具有腔体，腔体内设有切削结构、第一Y向导轨以及Y向移动台，电子束枪具有出射头，出射头形成在腔体内；Y向移动台上设有Z向移动台，Z向移动台上设有铺粉结构；切屑结构具有用于对金属粉末熔融形成的结构零件进行切削加工的切削头；出射头与Z向移动台之间设有屏蔽罩，电子束枪的出射头插设在屏蔽罩的上端开口，屏蔽罩的下端开口与Z向移动台对齐布置。电子束枪在进行熔融加工时，产生的高温热量被限制在屏蔽罩内，减少对腔体内其他部件的热影响，保证切削加工的区域内温度恒定，减少成型过程中，温度变化对结构零件产生的应力变形。

Description

电子束熔融及切削复合3D打印设备

技术领域

本发明涉及3D打印设备的技术领域，尤其涉及电子束熔融及切削复合3D打印设备。

背景技术

金属熔融3D打印技术(Selective Laser Melting，SLM)是利用高亮度激光直接熔化金属粉末材料，无需粘结剂，由3D模型直接成型出与铸件性能相当的任意复杂结构零件。

金属熔融3D打印技术虽然可以成型出达到铸造强度级别的零件，但是成型出的零件的形状误差大、表面光洁度不高，这样，成型后的零件则需要采用传统的机械加工方式对此进行二次加工，才能得到航空制造工业所要求的形状及表面精度。

现有技术中，采用电子束熔融及切削复合3D打印技术，将金属熔融以及切削加工复合在一起，电子束熔融及切削复合3D打印技术利用大功率电子束枪在真空腔内直接熔融金属粉末材料，无需粘结剂，由3D模型直接成型出与锻件性能相当的任意复杂结构零件，并且，同时边打印边切削，使最终成型出的零件面形精度可以直接满足使用要求。

但是，由于电子束枪必须在真空环境下使用，且成型过程中产生高温，这样，则对真空环境中的切削方式造成较大的限制，首先，电子束枪熔融金属粉末时产生的高温会对真空腔体内的其他部件产生热影响；其次，由于真空腔体内的温度变化，会对切削过程中的结构零件产生应力变形。

发明内容

本发明的目的在于提供电子束熔融及切削复合3D打印设备，旨在解决现有技术中，电子束枪在熔融金属粉末时，在真空腔体内产生高温，对真空腔体其它部件造成热影响以及对切削加工的结构零件产生应力变形的问题。

本发明是这样实现的，电子束熔融及切削复合3D打印设备，包括箱体以及电子束枪，所述箱体内具有呈真空状态的腔体，所述腔体内设有切削结构、第一Y向导轨以及活动连接于所述第一Y向导轨且沿着第一Y向导轨移动的Y向移动台，所述电子束枪设于所述箱体外，其具有用于射出电子束的出射头，所述出射头形成在所述腔体内；所述Y向移动台上设有相对于所述Y向移动台上下移动的Z向移动台，所述Z向移动台上设有用于在所述Z向移动台上铺设金属粉末的铺粉结构；所述切削结构位于所述电子束枪的出射头的侧边，其具有用于对金属粉末熔融形成的结构零件进行切削加工的切削头；所述出射头与所述Z向移动台之间设有屏蔽罩，所述屏蔽罩呈上小下大状，所述屏蔽罩的内部具有贯穿所述屏蔽罩上下端的通腔，所述电子束枪的出射头插设在所述屏蔽罩的上端开口，所述屏蔽罩的下端开口与所述Z向移动台对齐布置。

进一步地，所述Y向移动台的周边设有朝上延伸布置的环形壁，所述环形壁的上端形成有开口区域，所述环形壁的开口区域与所述屏蔽罩的下端开口对齐布置。

进一步地，所述屏蔽罩的下端抵接在环形壁的上端。

进一步地，所述Y向移动台设有驱动元件以及由所述驱动元件驱动上下移动的Z向杆，所述Z向杆与所述Z向移动台连接。

进一步地，所述Y向移动台上设有多个Z向定位杆，所述Z向定位杆活动穿设在Z向移动台中。

进一步地，多个所述Z向定位杆环绕所述Z向杆的外周布置。

进一步地，所述Z向移动台上设有两个所述铺粉结构，该两个铺粉结构相间隔平行布置。

进一步地，所述铺粉结构包括设置在所述Z向移动台上方且在所述Z向移动台上水平移动的粉仓，所述粉仓的下端设有供金属粉末漏出的漏粉孔条。

进一步地，所述切削结构包括所述切削头以及用于驱动所述切削头在空间移动的三轴移动结构。

进一步地，所述三轴移动结构包括Y向移动杆、X向移动块以及Z向移动头，所述腔体内设有第二Y向导轨，所述第二Y向导轨与所述第一Y向导轨平行，且位于所述第一Y向导轨的上方；所述Y向移动杆活动连接于所述第二Y向导轨，所述Y向移动杆上设有沿所述X向延伸布置的X向导轨，所述X向移动块活动连接于所述X向导轨，所述X向移动块设有朝Z向延伸布置的Z向导轨，所述Z向移动头活动连接于所述Z向导轨，所述切削头连接于所述Z向移动头。

与现有技术相比，本发明提供的电子束熔融及切削复合3D打印设备，利用铺粉结构在Z向移动台上铺设金属粉末，形成金属粉末层，利用电子束枪的出射头射出电子束，对Z向移动台上的金属粉末层进行熔融加工，以形成结构零件，并且，随着Y向移动台的移动，将Z向移动台移动至切削结构的下方，利用切削结构的切削头在空间的移动，对Z向移动台上结构零件进行切削加工，以使得加工的结构零件的表面精度等性能满足使用要求；由于在电子束枪的出射头与Z向移动台之间形成有屏蔽，这样，当电子束枪在发射电子束进行熔融加工时，其产生的高温热量被限制在屏蔽罩内，减少对腔体内其他部件的热影响，并且，在利用切削头进行切削加工时，保证切削加工的区域内温度恒定，减少成型过程中，温度变化对结构零件产生的应力变形。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电子束熔融及切削复合3D打印设备的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的电子束熔融及切削复合3D打印设备的部分立体示意图；

图3是本发明实施例提供的电子束熔融及切削复合3D打印设备的部分立体示意图；

图4是本发明实施例提供的切削结构的立体示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

参照图1至图4所示，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的电子束熔融及切削复合3D打印设备包括箱体101、电子束枪103、切削结构、第一Y向导轨106以及Y向移动台116，其中，箱体101内具有呈真空状态的腔体，此处的真空状态指的是腔体的环境为1×10^-1pa-1×10^-3pa，并非呈绝对真空状态；电子束枪103形成在箱体101外，且电子束枪103具有用于射出电子束的出射头，该出射头形成在箱体101的腔体内，且位于第一Y向导轨106的上方，这样，保证电子束枪103出射头射出的电子束可以形成在腔体内；第一Y向导轨106形成在腔体内，其呈横向布置；Y向移动台116活动连接在Y向导轨上，且可以沿着第一Y向导轨106横向移动；Y向移动台116上设有Z向移动台107，该Z向移动台107形成在Y向移动台116上，且可以相对于Y向移动台116，在纵向上下移动；切削结构位于第一Y向导轨106的上方，且位于，且位于电子束枪103的出射头的侧边；切削结构包括有在空间移动的切削头114。

在箱体101的腔体内，还设有用于将金属粉末铺设在Z向移动台107上的铺粉结构，这样，当铺粉结构逐次在Z向移动台107上铺上金属粉末，电子束枪103的出射头则逐次射出电子束，对Z向移动台107上的金属粉末进行熔融加工。

电子束熔融及切削复合3D打印设备的基本运行过程如下：

1)、往铺粉结构中装入金属粉末；

2)、抽真空，使得箱体101的腔体内的压力大大要求的真空度；

3)、利用铺粉结构在Z向移动台107上进行铺粉，金属粉末在Z向移动台107上形成金属粉末层；

4)、利用电子束枪103发出电子束，对Z向移动台107上的金属粉末进行熔融加工；

5)、利用Y向移动台116的移动，使得Z向移动台107移动至切削结构的下方；

6)、利用切削头114对纵向台上形成的结构零件进行切削加工；

7)、Y向移动台116移动回电子束枪103出射头的下方，并且，Z向移动台107上已经切削加工好的结构零件也随着移动；

8)、重复步骤4)至7)，直到整个结构零件打印并加工完成；

9)、将加工好的结构零件从箱体101的腔体内取出。

当电子束枪103发出电子束对Z向移动台107上的金属粉末进行熔融加工时，会产生高温，为了避免该产生的高温对周围环境造成影响，本实施例中，电子束熔融及切削复合3D打印设备还包括屏蔽罩102，该屏蔽罩102呈上下下大状，且内具有贯穿屏蔽罩102上下端的通腔，在屏蔽罩102的上端形成上端开口，在屏蔽罩102的下端形成下端开口；屏蔽罩102形成在电子束的出射头与Z向移动台107之间，电子束的出射头插设在屏蔽罩102的上端开口中，屏蔽罩102的下端开口与Z向移动台107正对布置。

上述提供的电子束熔融及切削复合3D打印设备中，利用铺粉结构在Z向移动台107上铺设金属粉末，形成金属粉末层，利用电子束枪103的出射头射出电子束，对Z向移动台107上的金属粉末层进行熔融加工，以形成结构零件，并且，随着Y向移动台116的移动，将Z向移动台107移动至切削结构的下方，利用切削结构的切削头114在空间的移动，对Z向移动台107上结构零件进行切削加工，以使得加工的结构零件的表面精度等性能满足使用要求。

由于在电子束枪103的出射头与Z向移动台107之间形成有屏蔽罩102，这样，当电子束枪103在发射电子束进行熔融加工时，其产生的高温热量被限制在屏蔽罩102内，减少对腔体内其他部件的热影响，并且，在利用切削头114进行切削加工时，保证切削加工的区域内温度恒定，减少成型过程中，温度变化对结构零件产生的应力变形。

当电子束枪103发射电子束对金属粉末进行熔融加工时，为了进一步限制产生的高温热量外泄，本实施例中，Y向移动台116的周边设有朝上延伸布置的环形壁104，该环形壁104环绕Y向移动台116的周边布置，环形壁104的上端形成有开口区域，环形壁104的上端与屏蔽罩102的下端对齐布置，且环形壁104的开口区域与屏蔽罩102的上端开口对齐布置，这样，在环形壁104的限制下，环形壁104与屏蔽罩102整体形成完整的包围区域，可以大大减少包围区域内产生的高温热量朝外泻出。

具体地，环形壁104的上端与屏蔽罩102的下端抵接，这样，则形成完全封闭的包围区域，或者，两者之间也可以存在较小的间隙，以保证Y向移动台116在移动时，环形壁104不会与屏蔽罩102造成干涉。

本实施例中，Y向移动台116上连接有驱动元件115，该驱动元件115上连接有Z向杆109，该Z向杆109与Z向移动台107连接，这样，驱动元件115用于驱动Z向杆109上下移动，进而Z向杆109可以带动Z向移动台107上下移动。

当铺粉结构在Z向移动台107上铺设一层金属粉末后，电子束枪103对该金属粉末进行熔融加工，切削头114对熔融后的结构零件进行切削加工后，Y向移动台116移动复位，并且Z向移动台107在驱动元件115以及Z向杆109的驱动，朝下移动，以使得铺粉结构可以重新在加工好的结构零件上方铺设金属粉末。也就是说，随着加工的不断进行，Z向移动台107是逐步朝下移动的。

也就是说，每打印一层后，Z向移动台107下降一定高度，由于成型零件固定在Z向移动台107上，全部成型完成后才能取下，因此，Y向移动台116必须带动Z向移动台107一起运动。

本实施例中，驱动元件115是气缸，随着气缸的驱动，Z向杆109则上下移动；或者，作为其它实施例，用于驱动Z向移动台107上下移动的结构还可以是其他多种驱动结构。

具体地，Y向移动台116上设有多个Z向定位杆108，该多个Z向定位杆108相间隔布置，且活动穿设在Z向移动台107中，这样，随着Z向移动台107的上下移动，该Z向定位杆108可以对Z向移动台107进行纵向移动定位。

多个Z向定位杆108环绕在Z向杆109的外周布置，或者，多个Z向定位杆108也可以呈其它形状布置。

铺粉结构包括设置在Z向移动台107上方且可以移动的粉仓，粉仓沿着与Z向移动台107平行的方向移动，也就是在Z向移动台107上水平移动，且粉仓的下端设有漏粉孔条，这样，随着粉仓的移动，粉仓内的金属粉末则从漏粉孔条处落下来，进而在Z向移动台107上形成金属粉末层。

为了可以更加高效的进行铺粉，本实施例中，在Z向移动台107上方设有两个上述的铺粉结构，该两个铺粉结构相间隔且平行布置，两者之间相间隔作业操作。

或者，作为其它实施例，铺粉结构还可以是其它的结构，如利用刮刀的移动，在Z向移动台107上铺设金属粉末等，并不仅限制于本实施例中的结构形式。

本实施例中，切削结构包括三轴移动结构以及切削头114，其中，三轴移动结构包括Y向移动杆111、X向移动块112以及Z向移动头113，其中，在箱体101的腔体设有第二Y向导轨，该第二Y向导轨位于第一Y向导轨106的上方，Y向移动杆111活动连接在Y向导轨上，且可以沿着第二Y向导轨移动，Y向移动杆111呈X向延伸布置，其上形成有沿X向延伸布置的X向导轨，X向移动块112连接在X向导轨上，且可以沿着X向导轨移动，X向移动块112上设有Z向导轨，上述的Z向移动头113连接在Z向导轨上，且可以沿着Z向移动，上述的切削头114则连接在Z向移动头113上，这样，通过Y向移动杆111、X向移动块112以及Z向移动头113的移动，则可以实现切削头114在空间的移动。

由于在真空环境下使用，因此，导轨内部润滑要使用真空环境用润滑油脂，以防止普通润滑脂在真空环境下挥发。

本实施例中，电子束枪103包括电子束发生器以及线圈，线圈形成的出射头中，电子束发出的电子束，通过线圈的磁场控制，电子束偏转在平面上做XY运动。

本实施例中X向、Y向以及Z向，如图中的XYZ坐标所示的方向，当然，根据实际运用中，电子束熔融及切削复合3D打印设备的放置方位不同，对应的坐标也会进行变换，并不仅限制于本实施例中的坐标形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，包括箱体以及电子束枪，所述箱体内具有呈真空状态的腔体，所述腔体内设有切削结构、第一Y向导轨以及活动连接于所述第一Y向导轨且沿着第一Y向导轨移动的Y向移动台，所述电子束枪设于所述箱体外，其具有用于射出电子束的出射头，所述出射头形成在所述腔体内；所述Y向移动台上设有相对于所述Y向移动台上下移动的Z向移动台，所述Z向移动台上设有用于在所述Z向移动台上铺设金属粉末的铺粉结构；所述切削结构位于所述电子束枪的出射头的侧边，所述切削结构位于所述第一Y向导轨上方，所述切削结构具有用于对金属粉末熔融形成的结构零件进行切削加工的切削头；所述出射头与所述Z向移动台之间设有屏蔽罩，所述屏蔽罩呈上小下大状，所述屏蔽罩的内部具有贯穿所述屏蔽罩上下端的通腔，所述电子束枪的出射头插设在所述屏蔽罩的上端开口，所述屏蔽罩的下端开口与所述Z向移动台对齐布置。

2.如权利要求1所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述Y向移动台的周边设有朝上延伸布置的环形壁，所述环形壁的上端形成有开口区域，所述环形壁的开口区域与所述屏蔽罩的下端开口对齐布置。

3.如权利要求2所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述屏蔽罩的下端抵接在环形壁的上端。

4.如权利要求1至3任一项所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述Y向移动台设有驱动元件以及由所述驱动元件驱动上下移动的Z向杆，所述Z向杆与所述Z向移动台连接。

5.如权利要求4所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述Y向移动台上设有多个Z向定位杆，所述Z向定位杆活动穿设在Z向移动台中。

6.如权利要求5所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，多个所述Z向定位杆环绕所述Z向杆的外周布置。

7.如权利要求1至3任一项所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述Z向移动台上设有两个所述铺粉结构，该两个铺粉结构相间隔平行布置。

8.如权利要求7所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述铺粉结构包括设置在所述Z向移动台上方且在所述Z向移动台上水平移动的粉仓，所述粉仓的下端设有供金属粉末漏出的漏粉孔条。

9.如权利要求1至3任一项所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述切削结构包括所述切削头以及用于驱动所述切削头在空间移动的三轴移动结构。

10.如权利要求9所述的电子束熔融及切削复合3D打印设备，其特征在于，所述三轴移动结构包括Y向移动杆、X向移动块以及Z向移动头，所述腔体内设有第二Y向导轨，所述第二Y向导轨与所述第一Y向导轨平行，且位于所述第一Y向导轨的上方；所述Y向移动杆活动连接于所述第二Y向导轨，所述Y向移动杆上设有沿所述X向延伸布置的X向导轨，所述X向移动块活动连接于所述X向导轨，所述X向移动块设有朝Z向延伸布置的Z向导轨，所述Z向移动头活动连接于所述Z向导轨，所述切削头连接于所述Z向移动头。