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CN110539079A - 一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备与方法 - Google Patents

一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备与方法 Download PDF

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CN110539079A CN201910932688.XA CN201910932688A CN110539079A CN 110539079 A CN110539079 A CN 110539079A CN 201910932688 A CN201910932688 A CN 201910932688A CN 110539079 A CN110539079 A CN 110539079A
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杨永强
翁昌威
秦文韬
李阳
宋长辉
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South China University of Technology SCUT
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明公开了一种基于等离子束‑激光复合热源的增材制造设备，包括特制刀具库、成型密封腔、保护气气瓶、等离子焊接机器人、激光辅助机器人、两轴变位机、监控系统、等离子束‑激光复合热源熔融沉积系统以及集成控制系统。本发明采用等离子束‑激光复合热源熔融沉积，解决了等离子束增材制造的界面结合问题，提高界面结合强度和零件性能，大大提高的零件的成型效率。本发明还采用了双机械臂作为运动载体，能够实现复杂空间曲面等复杂零件的制造以及大尺寸零件的快速成型或修复。

Description

一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备与方法
技术领域
本发明涉及金属零件增材制造领域，尤其涉及一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备与方法。
背景技术
增材制造技术又称为3D打印技术，该技术将三维模型数据处理、切片后能够在相应的成型设备上快速精准地逐层制造出形状复杂的零件，实现快速自由的制造，解放了设计思路，给人们提供了一种几乎可以成型任意复杂形状零件的方法。
等离子束-激光复合热源熔融沉积增材制造设备在等离子束增材制造技术基础上发展而来，随着等离子束增材制造技术的实际应用，人们发现其界面结合强度有所不足，容易出现界面结合强度低、打印过程中与基板分离，甚至难以与基板结合的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备。本发明能够解决增材制造过程中的界面结合问题，提高界面结合强度，从而提高零件性能。
本发明能够通过以下技术方案实现：
一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备，包括特制刀具库、成型密封腔、保护气气瓶、等离子焊接机器人、激光辅助机器人、两轴变位机、监控系统、等离子束-激光复合热源熔融沉积系统以及集成控制系统。
成型密封腔设有接口，保护气气瓶通过接口向成型密封腔内通入保护气，提供惰性气体进行气氛保护。
所述两轴变位机、特制刀具库、监控系统、等离子焊接机器人和激光辅助机器人均位于密封成型腔内部。
两轴变位机用于提供C轴和A轴方向的转动；两轴变位机布置有预热用的加热垫；加热垫通过电缆与加热装置相连接。
等离子焊接机器人和监控系统位于两轴变位机的一侧，激光辅助机器人位于两轴变位机的另一侧。
特制刀具库用于临时放置等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬。
所述监控系统搭载有高速摄像机和光二极管，用于在增材过程中实时获取熔池图像和零件图像。
所述等离子束-激光复合热源熔融沉积系统包括等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬、激光头、送丝机、送粉器、等离子发生器、水冷机以及激光器。
送丝机用于为等离子束送丝焊炬提供金属丝料进行熔融沉积。
送粉器用于在增材过程中向等离子送粉式焊炬提供金属粉末材料。
等离子发生器分别与等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬相连接，用于在加工过程中产生等离子束。
激光头与激光器相连接，用于提供高能激光束。
水冷机分别与激光头和激光器相连接，用于提供冷却水进行冷却。
所述保护气气瓶与等离子发生器相连接，提供电离气体；保护气气瓶与送粉器相连接，用于气载送粉；保护气气瓶分别与等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬以及激光头相连接，提供加工过程中的保护气。
所述特制刀具库、成型密封腔、等离子焊接机器人、激光辅助机器人、两轴变位机、监控系统和等离子束-激光复合热源熔融沉积系统均与集成控制系统相连接，由集成控制系统进行协同控制。
具体地，所述两轴变位机提供的C轴转角范围不受限制，A轴转角范围为±110°。
具体地，所述等离子焊接机器人为六轴机器人，通过快接法兰盘进行等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬的装夹切换。
具体地，所述激光辅助机器人为六轴机器人，通过法兰盘装载激光头。
本发明的另一目的在于提供一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造方法，包括步骤：
(1)将预先处理好的模型数据导入集成控制系统；
(2)向成型密封腔中通入保护气并开启加热装置，令预热基板达到设定温度；
(3)等离子焊接机器人前往特制刀具库抓取等离子束送丝焊炬或等离子送粉式焊炬；
(4)等离子焊接机器人、激光辅助机器人运动到增材起点；
(5)启动水冷机、送丝机或送粉器、等离子发生器、激光器和监控系统，按照设定路径进行增材制造过程；
(6)增材制造若干层后，暂停增材制造过程，通过监控系统扫描实际增材制造得到的零件与设计的零件进行比较，得到尺寸的差异反馈到集成控制系统，并在接下来的若干层进行补偿；
(7)循环步骤(5)和(6)，直至零件制造完成；
(8)将等离子束送丝焊炬或等离子送粉式焊炬放回特制刀具库，等离子焊接机器人、激光辅助机器人运动到设备原点；
(9)待样件降至室温后，打开成型密封腔取出零件。
具体地，若干层根据需要调整，一般为5-8层。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明采用等离子束-激光复合热源进行熔融沉积，解决了等离子束增材制造的界面结合问题，提高界面结合强度，提高了零件性能。
2、本发明采用等离子束-激光复合热源，大大提高了零件的成型效率，能够实现大尺寸零件的快速成型或修复。
3、本发明采用双机械臂作为运动载体，能够实现复杂空间曲面等复杂零件的制造。
4、本发明通过引进熔池监控系统，实现对成型过程的在线监控和对成型尺寸的反馈调节，提高了成型质量。
附图说明
图1是本发明等离子束-激光复合热源熔融沉积增材制造设备的结构示意图。
图2是本发明等离子束-激光复合热源熔融沉积增材制造设备中等离子激光相互作用示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备的结构示意图，所述设备包括特制刀具库1、成型密封腔7、保护气气瓶15、等离子焊接机器人13、激光辅助机器人9、两轴变位机10、监控系统12、等离子束-激光复合热源熔融沉积系统以及集成控制系统8。
成型密封腔设有接口，保护气气瓶通过接口向成型密封腔内通入保护气，提供惰性气体进行气氛保护。
所述两轴变位机、特制刀具库、监控系统、等离子焊接机器人和激光辅助机器人均位于密封成型腔内部；
两轴变位机用于提供C轴和A轴方向的转动；两轴变位机布置有预热用的加热垫11；加热垫通过电缆与加热装置14相连接。
等离子焊接机器人和监控系统位于两轴变位机的一侧，激光辅助机器人位于两轴变位机的另一侧。
特制刀具库用于临时放置等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬。
所述监控系统搭载有高速摄像机和光二极管，用于在增材过程中实时获取熔池图像和零件图像。
所述等离子束-激光复合热源熔融沉积系统包括等离子束送丝焊炬16、等离子送粉式焊炬18、激光头19、送丝机2、送粉器3、等离子发生器4、水冷机5以及激光器6。
送丝机用于为等离子束送丝焊炬提供金属丝料进行熔融沉积。
送粉器用于在增材过程中向等离子送粉式焊炬提供金属粉末材料。
等离子发生器分别与等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬相连接，用于在加工过程中产生等离子束。
激光头与激光器相连接，用于提供高能激光束。
水冷机分别与激光头和激光器相连接，用于提供冷却水进行冷却。
等离子束-激光复合热源熔融沉积增材制造设备中等离子激光相互作用示意图如图2所示。
所述保护气气瓶与等离子发生器相连接，提供电离气体；保护气气瓶与送粉器相连接，用于气载送粉；保护气气瓶分别与等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬以及激光头相连接，提供加工过程中的保护气。
所述特制刀具库、成型密封腔、等离子焊接机器人、激光辅助机器人、两轴变位机、监控系统和等离子束-激光复合热源熔融沉积系统均与集成控制系统相连接，由集成控制系统进行协同控制。
具体地，所述两轴变位机提供的C轴转角范围不受限制，A轴转角范围为±110°。
具体地，所述等离子焊接机器人为六轴机器人，通过快接法兰盘17进行等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬的装夹切换。
具体地，所述激光辅助机器人为六轴机器人，通过法兰盘20装载激光头。
一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造方法，包括步骤：
(1)将预先处理好的模型数据导入集成控制系统；
(2)向成型密封腔中通入保护气并开启加热装置，令预热基板达到设定温度；
(3)等离子焊接机器人前往特制刀具库抓取等离子束送丝焊炬或等离子送粉式焊炬；
(4)等离子焊接机器人、激光辅助机器人运动到增材起点；
(5)启动水冷机、送丝机或送粉器、等离子发生器、激光器和监控系统，按照设定路径进行增材制造过程；
(6)增材制造若干层后，暂停增材制造过程，通过监控系统扫描实际增材制造得到的零件与设计的零件进行比较，得到尺寸的差异反馈到集成控制系统，并在接下来的若干层进行补偿；
(7)循环步骤(5)和(6)，直至零件制造完成；
(8)将等离子束送丝焊炬或等离子送粉式焊炬放回特制刀具库，等离子焊接机器人、激光辅助机器人运动到设备原点；
(9)待样件降至室温后，打开成型密封腔取出零件。
具体地，若干层根据需要调整，一般为5-8层。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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 (6)

1.一种基于等离子束-激光复合热源的增材制造设备，其特征在于，包括特制刀具库、成型密封腔、保护气气瓶、等离子焊接机器人、激光辅助机器人、两轴变位机、监控系统、等离子束-激光复合热源熔融沉积系统以及集成控制系统；
成型密封腔设有接口，保护气气瓶通过接口向成型密封腔内通入保护气，提供惰性气体进行气氛保护；
所述两轴变位机、特制刀具库、监控系统、等离子焊接机器人和激光辅助机器人均位于密封成型腔内部；
两轴变位机用于提供C轴和A轴方向的转动；两轴变位机布置有预热用的加热垫；加热垫通过电缆与加热装置相连接；
等离子焊接机器人和监控系统位于两轴变位机的一侧，激光辅助机器人位于两轴变位机的另一侧；
特制刀具库用于临时放置等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬；
所述监控系统搭载有高速摄像机和光二极管，用于在增材过程中实时获取熔池图像和零件图像；
所述等离子束-激光复合热源熔融沉积系统包括等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬、激光头、送丝机、送粉器、等离子发生器、水冷机以及激光器；
送丝机用于为等离子束送丝焊炬提供金属丝料进行熔融沉积；
送粉器用于在增材过程中向等离子送粉式焊炬提供金属粉末材料；
等离子发生器分别与等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬相连接，用于在加工过程中产生等离子束；
激光头与激光器相连接，用于提供高能激光束；
水冷机分别与激光头和激光器相连接，用于提供冷却水进行冷却；
所述保护气气瓶与等离子发生器相连接，提供电离气体；保护气气瓶与送粉器相连接，用于气载送粉；保护气气瓶分别与等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬以及激光头相连接，提供加工过程中的保护气；
所述特制刀具库、成型密封腔、等离子焊接机器人、激光辅助机器人、两轴变位机、监控系统和等离子束-激光复合热源熔融沉积系统均与集成控制系统相连接，由集成控制系统进行协同控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述两轴变位机提供的C轴转角范围不受限制，A轴转角范围为±110°。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述等离子焊接机器人为六轴机器人，通过快接法兰盘进行等离子束送丝焊炬和等离子送粉式焊炬的装夹切换。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光辅助机器人为六轴机器人，通过法兰盘装载激光头。
5.一种基于权利要求1-4所述设备的增材制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将预先处理好的模型数据导入集成控制系统；
(2)向成型密封腔中通入保护气并开启加热装置，令预热基板达到设定温度；
(3)等离子焊接机器人前往特制刀具库抓取等离子束送丝焊炬或等离子送粉式焊炬；
(4)等离子焊接机器人、激光辅助机器人运动到增材起点；
(5)启动水冷机、送丝机或送粉器、等离子发生器、激光器和监控系统，按照设定路径进行增材制造过程；
(6)增材制造若干层后，暂停增材制造过程，通过监控系统扫描实际增材制造得到的零件与设计的零件进行比较，得到尺寸的差异反馈到集成控制系统，并在接下来的若干层进行补偿；
(7)循环步骤(5)和(6)，直至零件制造完成；
(8)将等离子束送丝焊炬或等离子送粉式焊炬放回特制刀具库，等离子焊接机器人、激光辅助机器人运动到设备原点；
(9)待样件降至室温后，打开成型密封腔取出零件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若干层为5-8层。
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