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CN109202082B - 增材、等材、减材复合金属3d激光成形装置及其方法 - Google Patents

增材、等材、减材复合金属3d激光成形装置及其方法 Download PDF

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CN109202082B CN201811253122.6A CN201811253122A CN109202082B CN 109202082 B CN109202082 B CN 109202082B CN 201811253122 A CN201811253122 A CN 201811253122A CN 109202082 B CN109202082 B CN 109202082B
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Abstract

本发明公开了一种增材、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。

Description

增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置及其方法
技术领域
本发明涉及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。
背景技术
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(University ofMichigan)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3D System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EOS M400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Stanford University和Carnegie Mellon University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(Controlled Metal Buildup，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。
发明内容
本发明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，本发明所设计的一种增材、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。
本发明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，以作出下一层加工参数的调整；
4)第一层增材加工完成后，关闭激光发射器和载气装置，并调节激光头复位；
5)启动等材加工机构，机器人运行到工件上方，塑形加工头根据等材参数设定指令对工件进行等材加工；
6)第一层等材加工完成后，调节塑形加工头复位，关闭等材加工机构；
7)调节第一电动伸缩杆装置将激光头上移一个片层距离，再循环步骤2)～步骤6)，直至整个工件逐层加工结束；
8)启动减材加工机构，根据零件加工要求更换适当的铣削刀具，调节铣削刀具至设定位置，根据减材参数设定指令对工件进行减材加工，直至加工成设定尺寸和形状的零件。
进一步地，所述步骤5)和步骤8)中，根据实际加工需要，启动云台基座调节工作台的旋转角度，从而调整工件的加工位置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
其一，本发明采用光粉耦合的同轴光内送粉激光头代替传统粉床式或光外送粉激光加工工艺。激光头采用一体结构，与粉床结构相比，可实现柔性三维加工，材料利用率大幅提升；与光外送粉工艺相比，材料利用率进一步提升，工作效率提高，工作环境也大大改善。
其二，本发明中在传统激光增材制造基础上提出了一种等材塑性加工工艺，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。因此，加工出的零件的致密度增加，提升了零件的综合性能。
其三，本发明采用光学传感器实时监控激光熔池状况，可实现激光工艺的在线实时优化。
附图说明
图1为一种增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置的立体结构示意图；
图2为图1中增材加工机构的侧视结构示意图；
图3为图1中等材加工机构的放大结构示意图；
图4为图1中增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置的控制电路示意图；
图中，底座1、主机横梁2(第一传动丝杆2.1、第二传动丝杆2.2、第一传动电机2.3、第二传动电机2.4)、立柱3、云台基座4(第三传动丝杆4.1、第三传动电机4.2)、工作台5、增材加工机构6(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、送粉装置6.7、凸镜6.8、反光镜6.9、光学传感器6.10、支架6.11)、减材加工机构7(减材移动架7.1、第二电动伸缩杆装置7.2、铣削装置7.3、铣削刀具7.4)、等材加工机构8(机器人8.1、第一机械臂8.11、第二机械臂8.12、机器人底座8.2、塑形加工头8.3)、送气管9、送粉管10、聚焦光束11、第一舵机12.1、第二舵机12.2、滑块13、控制系统14、工件15。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的一种增材、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，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，它还包括设置在底座1上可相对其旋转的云台基座4，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，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；云台基座4的一侧设置有等材加工机构8。云台基座4的上端面设置有第三传动丝杆4.1，第三传动丝杆4.1的一端设置有用于驱动其旋转的第三传动电机4.2，工作台5的底部设置有与第三传动丝杆4.1螺纹连接的滑块13。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，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，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。
如图2所示，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；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，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，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；
激光头6.4设置在喷粉激光装置6.3的底部，载气装置6.6通过送气管9与激光头6.4的一侧连通，送粉装置6.7通过送粉管10与激光头6.4的另一侧连通；激光头6.4的底部设置有凸镜6.8，喷粉激光装置6.3的内腔设置有反光镜6.9，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，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。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，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。本发明采用光粉耦合的同轴光内送粉激光头代替传统粉床式或光外送粉激光加工工艺。激光头采用一体结构，与粉床结构相比，可实现柔性三维加工，材料利用率大幅提升；与光外送粉工艺相比，材料利用率进一步提升，工作效率提高，工作环境也大大改善。采用光学传感器实时监控激光熔池状况，可实现激光工艺的在线实时优化。
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，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，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，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，铣削刀具7.4设置在铣削装置7.3的底部。
如图3所示，等材加工机构8包括机器人8.1、机器人底座8.2、塑形加工头8.3；机器人8.1包括第一机械臂8.11、第二机械臂8.12以及第三机械臂8.13，第一机械臂8.11的一端与机器人底座8.2固定连接，第一机械臂8.11的另一端通过第一舵机12.1与第二机械臂8.12的一端铰接，第二机械臂8.12的另一端通过第二舵机12.2与第三机械臂8.13的一端铰接，第三机械臂8.13的另一端与塑形加工头8.3固定连接。
如图4所示，它还包括控制系统14，光学传感器6.10的数据信号输出端与控制系统14的数据信号输入端连接，控制系统14的控制信号输出端分别与云台基座4、增材加工机构6、减材加工机构7、等材加工机构8的控制信号输入端连接。
本发明利用上述增材、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15置于增材加工机构6正下方的工作台5上，调节激光头6.4至设定位置，启动载气装置6.6将保护气体输送至工件15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6.7将金属粉末材料通过送粉管10输送至工件15的激光加工区域；
3)启动光学传感器6.10和激光发射器6.5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6.10实时监测该过程并反馈至控制系统14，以作出下一层加工参数的调整；
4)第一层增材加工完成后，关闭激光发射器6.5和载气装置6.6，并调节激光头6.4复位，复位时激光头6.4位于工作台5上方300～500mm处；
5)启动等材加工机构8，机器人8.1运行到工件15上方，塑形加工头8.3根据等材参数设定指令对工件15进行等材加工，对完成扫描后的一层零件截面进行塑性加工，提高该层材料的致密度和表面质量；塑性加工过程中，可以根据实际加工需要，启动云台基座4和第三丝杆4.1调节工作台5的旋转和移动，从而调整工件15的加工位置，需要注意的是，一旦云台基座4位置调整了，等本次塑性加工完成后必须复位；
6)第一层等材加工完成后，调节塑形加工头8.3复位，关闭等材加工机构8；复位时，机器人8.1和塑形加工头8.3安装于云台基座4一侧边100～200cm处，且塑形加工头8.3的初始位置距工作台5一侧边最小距离为20～40cm即成形头复位；
7)调节第一电动伸缩杆装置6.2将激光头6.4上移一个片层距离，再循环步骤2)～步骤6)，直至整个工件15逐层加工结束；
8)启动减材加工机构7，根据零件加工要求更换适当的铣削刀具7.4，调节铣削刀具7.4至设定位置，根据减材参数设定指令对工件15进行减材加工，减材加工过程中，可以根据实际加工需要，启动云台基座4和第三丝杆4.1调节工作台5的旋转和移动，从而调整工件15的加工位置，直至加工成设定尺寸和形状的零件。
以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

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)；
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)；
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；
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；
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；
所述等材加工机构(8)包括机器人(8.1)、机器人底座(8.2)、塑形加工头(8.3)；所述机器人(8.1)包括第一机械臂(8.11)、第二机械臂(8.12)以及第三机械臂(8.13)，所述第一机械臂(8.11)的一端与机器人底座(8.2)固定连接，所述第一机械臂(8.11)的另一端通过第一舵机(12.1)与第二机械臂(8.12)的一端铰接，所述第二机械臂(8.12)的另一端通过第二舵机(12.2)与第三机械臂(8.13)的一端铰接，所述第三机械臂(8.13)的另一端与塑形加工头(8.3)固定连接。
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：所述云台基座(4)的上端面设置有第三传动丝杆(4.1)，所述第三传动丝杆(4.1)的一端设置有用于驱动其旋转的第三传动电机(4.2)，所述工作台(5)的底部设置有与第三传动丝杆(4.1)螺纹连接的滑块(13)。
3.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：它还包括控制系统(14)，所述光学传感器(6.10)的数据信号输出端与控制系统(14)的数据信号输入端连接，所述控制系统(14)的控制信号输出端分别与云台基座(4)、增材加工机构(6)、减材加工机构(7)、等材加工机构(8)的控制信号输入端连接。
4.一种利用权利要求1～3任一项所述的增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置进行加工的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)先将工件(15)置于增材加工机构(6)正下方的工作台(5)上，调节激光头(6.4)至设定位置，启动载气装置(6.6)将保护气体输送至工件(15)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(6.7)将金属粉末材料通过送粉管(10)输送至工件(15)的激光加工区域；
3)启动光学传感器(6.10)和激光发射器(6.5)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(6.10)实时监测该过程并反馈至控制系统(14)，以作出下一层加工参数的调整；
4)第一层增材加工完成后，关闭激光发射器(6.5)和载气装置(6.6)，并调节激光头(6.4)复位；
5)启动等材加工机构(8)，机器人(8.1)运行到工件(15)上方，塑形加工头(8.3)根据等材参数设定指令对工件(15)进行等材加工；
6)第一层等材加工完成后，调节塑形加工头(8.3)复位，关闭等材加工机构(8)；
7)调节第一电动伸缩杆装置(6.2)将激光头(6.4)上移一个片层距离，再循环步骤2)～步骤6)，直至整个工件(15)逐层加工结束；
8)启动减材加工机构(7)，根据零件加工要求更换适当的铣削刀具(7.4)，调节铣削刀具(7.4)至设定位置，根据减材参数设定指令对工件(15)进行减材加工，直至加工成设定尺寸和形状的零件。
5.根据权利要求4所述的利用增材、等材、减材复合金属3D激光成形装置进行加工的方法，其特征在于：所述步骤5)和步骤8)中，根据实际加工需要，启动云台基座(4)调节工作台(5)的旋转角度，从而调整工件(15)的加工位置。
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