[發明專利]基于3D金屬打印的兩機聯動加工方法及系統

有效

• 申請號: 201810188126.4
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108405856B
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 陳英杰;王如琴;李國強;單銘賢;鄧柏鉅;陳偉倫;顧溢泉;黃慶豐
• 申請（專利權）人: 歌華國際有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B23P23/00;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 武君

本發明涉及3D金屬打印技術領域，具體公開了一種基于3D金屬打印的兩機聯動加工方法及系統，該系統包括：激光沉積裝置、轉盤裝置、數控銑床以及控制系統；所述激光沉積裝置，用于打印零件，其包括：六軸機械手、激光發射頭、噴粉器、粉倉以及保護氣體管道；所述轉盤裝置包括轉盤、托盤和升降機構；所述數控銑床用于對零件進行銑削加工；所述控制系統，用于對激光沉積裝置、轉盤裝置和數控銑床進行控制，以協同工作生產出目標零件。本發明結合了激光沉積技術及數控銑削技術，可以配合生產出結構復雜、具有良好光潔度且質量優良的零部件，有效地解決目前零件制造過程耗時長、設備利用率低的問題，從而提高零件質量以及生產效率。

技術領域

本發明涉及3D金屬打印技術領域，尤其涉及一種有關增材與減材制造同時進行的新型加工方式，并涉及了一套完善的可實現該加工方式技術過程的成形系統。

背景技術

隨著科技日趨發展，各個高增值產業對于零件的復雜度、強度、重量、性能和獨特性的要求不斷提高。而由于市場競爭激烈，客戶要求的開發周期亦日益縮短，在此情況下，工業界中各種有關金屬增材制造技術受到的重視程度日漸提高。金屬增材技術中，金屬3D打印過程已經成為了主流的工業技術，其可實現產品定制化，完成小批量生產及針對免組裝設計及復雜結構零件的生產，而目前最為常用的金屬增材制造技術為直接金屬激光燒結技術(DMLS)及激光沉積技術(LDM)。

直接金屬激光燒結技術是一種利用高功率激光，基于計算機3D模型數據，逐層掃瞄預先鋪設粉床上的金屬粉末，令目標零件逐層燒結成形的技術。DMLS技術首先會使用零件切片軟件將目標零件分割成一層層的結構，之后控制系統控制激光設備在鋪設好金屬粉材按照指令燒結，形成單層的剖面結構。之后粉倉會往下移動一個單位厚度，新空間會被粉末原料再次填補。填補后，激光再次接收數據并再進行掃描，此后粉倉與激光反復進行上述操作，逐層燒結而形成完整的目標零件，之后去除多余粉材即可。由于直接金屬燒結技術是根據3D 模型分層建造的，因此該技術可以加工具有復雜內部結構的零件，同時此技術的成形精度較高。

但是由于直接金屬激光燒結技術基于的成形原理以及采用的設備、技術方式，此技術有以下的限制：

1. 零件的制造過程是采用過一個填滿粉材的托盤進行單層地局部燒結，然后再鋪設一層新的粉材繼續燒結，因此，倘若燒結突出的部分，底部必須要有支撐結構承托，此環節加大了材料消耗，且延長了加工時間。

2. 每一層的燒結結構需要連續，或者有下部的支撐結構保證目標零件的位置不在加工過程中發生偏移，此問題提高了成形的復雜度。

3. CNC設備通常只能控制激光頭進行三軸移動，激光能有效射出的角度受到限制，因此減少了成形范圍。同時為防止刮板在每一次鋪設粉料時的運動破壞已成形的結構，燒結的突出部分懸垂角度要求一般低于50°。

4. 目標零件會受到粉床的空間限制。傳統設備的結構復雜，可利用工作空間普遍偏小，因此只能制造體積較小的零件。

5. 若涉及一些特別的附屬結構制作，比如具有較大倒角的結構，由于此類結構不可以直接成形，則需要用其他方式加工完成后，再與主體結構結合，延長了生產流程，并增加了技術要求。

6. 只可以采用單一材料，若采用復合材料，會造成粉倉內部材料混合，不僅零件結構內的材料會發生摻雜，還會造成粉倉材料的污染。

激光金屬沉積技術，此技術作為目前最具市場前景的激光增材技術，利用機械手直接夾持激光沉積裝置。在加工成形時，金屬粉末經噴粉器直接噴射到需成形的位置，同時激光照射熔化材料，使材料在指定位置快速沉積以塑造形狀。激光沉積技術的優勢是激光可以靈活運動，而快速、靈活的移動能力容許其制造更復雜的零件，同時可省略很多復雜的支撐結構。

但激光金屬沉積技術也有制造精度不高等缺點，導致此技術有以下的限制：