一种基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机及打印方法与流程

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印技术。

背景技术：

公知的金属3D打印技术是利用激光或者电子束作为热源对金属粉末或者丝材进行熔融堆积进而成型的。公知的激光3D打印不易成型大尺寸和功能梯度材料的零件，成型效率低，且高品质粉末耗材的制备难度大。公知的电子束熔丝3D打印因其只能沿着可作支承的已成型部分进行堆积，难以成型结构较复杂的零件；而电子束喷粉和铺粉3D打印方式存在耗材制备难度大及耗材利用率偏低的问题。这些设备造价高，结构复杂，维护成本高，不利于大范围推广应用。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机及打印方法，解决了电子束喷粉和铺粉的3D打印方式存在耗材制备难度大且利用率低问题，具有低成本耗材并实现大尺寸功能梯度金属材料零件的打印，解决了熔丝3D打印难成型复杂零件和低效率的问题。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机，包括封闭机箱、六轴机械臂、变位基板总成、焊接总成、温控探头和CCD监控器，所述封闭机箱包括成型室、控制室和气瓶室，所述变位基板总成设在成型室内并包括一级变位机和二级变位机，所述一级变位机包括一级变位驱动侧和一级变位支撑侧，所述二级变位机包括二级旋转变位机和设在二级旋转变位机上的打印基板，所述二级旋转变位机的两端设在一级变位机的一级变位驱动侧和一级变位支撑侧上并在一级变位驱动侧的带动下能做上下翻转动作，所述六轴机械臂设在打印基板上方，所述温控探头设在六轴机械臂上；所述焊接总成包括设在控制室内的焊接电源和送丝机，设在气瓶室的储气瓶和设在六轴机械臂前端的焊枪，所述储气瓶通过高压气动软管与焊枪连接，所述送丝机通过导丝管与焊枪连接；所述CCD监控器设在成型室内，所述打印基板还设有加热和冷却装置。

作为优选，所述封闭机箱的控制室外侧还设有控制面板。

作为优选，所述六轴机械臂包括从下至上依次连接底座、下臂、上臂和手腕，所述底座为340°自由度旋转活动连接，所述下臂为245°自由摆动连接，所述上臂为215°摆动连接，且上臂的摆动轨迹与下臂摆动轨迹的夹角为30°～90°；所述手腕为摆动和旋转连接。所述六轴机械臂各部件之间均作为活动关节，能实现焊枪的多方向多方式的灵活运动，从而实现各种形状部件的打印。

本发明还提供了一种基于上述打印机的弧焊法的多轴联动式金属3D打印方法，在惰性气体的保护下，以金属铝丝作为成型原料，将金属铝丝与基板连接至电源两极通电，金属铝丝通过机械臂在基板上按照规定路径运动并送丝，运动送丝的同时与基板形成电弧，在电弧热的作用下金属铝丝熔融并在基板上形成熔池，熔池冷却后依次再逐层堆积成预定形状，完成金属构件的成型。

上述方法于具体步骤如下：

（1）首先，对打印基板预热使打印基板的温度相对于焊丝熔点在-5～3℃范围之内；

（2）当打印基板的温度到达预设温度范围后，所述六轴机械臂根据预设的打印路径开始逐层打印运动，与此同时所述一级变位机和二级变位机驱动打印基板做旋转和偏转运动；所述每层打印均设有起弧点和熄弧点，且所述起弧点和熄弧点均设在打印本体之外；

（3）打印过程中，焊接电源和送丝机根据打印运动的加速度变化和成型情况实时调节电压、电流和送丝速度；每打印完成一层，需通过打印基板上的冷却装置控制已成型部分上表面的温度，待已成型部分上表面的温度达到预设值后，再启动进行下层的打印，依次反复王铮整个模型的答应。

进一步的，所述金属铝丝在通电熔融过程中，对通电电流和电压进行实时反馈，所述电流控制在20～300A，电压控制在5～40V。

进一步的，所述金属铝丝的行走运动速度为4～10mm/s，同时所述金属铝丝的送丝速度为5～8m/min。

进一步的，所述金属铝丝逐层熔融的层间间隔等待时间为30～180s。

进一步的，所述金属铝丝在进入下层熔池前，熔池的温度需冷却至400℃以下。

进一步的，所述六轴机械臂还设有用于挂装切削加工动力头的接口；所述二级变位机相对于水平面的偏转角度为-45°～45°。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.所述金属3D打印机成本大大低于激光和电子束成型设备的成本；2.所述金属3D打印机采用丝材作为成型耗材，制备难度及成本均低于粉末耗材；3.相比复杂程度相当的五轴机床运动机统，所述六轴机械臂具有运动范围大、速度快的特点；4.所述六轴机械臂也为挂装切削加工动力头预留了接口，可实现打印成型与切削加工的综合功能；5.所述变位基板总成可实现打印基板的双轴旋转位置变换，便于实现复杂空间模型及功能梯度材料的打印成型；6.所述温控探头及CCD监控器可以对打印工艺过程进行稳定的自动控制；7.所述封闭机箱内隔不同功能室，可使成型过程不受环境干扰并保证各部件稳定可靠工作。

附图说明

图1为本发明所述基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机的外观示意图；

图2为本发明所述基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机的内部结构示意图；

图3为本发明所述基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机的布局示意图。

其中，封闭机箱1，六轴机械臂2，变位基板总成3，一级变位驱动侧31，一级变位支承侧32，二级变位机33，打印基板34，焊接总成4，焊接电源41，送丝机42，焊枪43，储气瓶44，温控探头5， CCD监控器6，控制面板7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1～3所示，本发明的基于弧焊法的多轴联动式金属3D打印机，设备包括封闭机箱、六轴机械臂、变位基板总成、焊接总成、温控探头、CCD监控器、控制面板等部件；变位基板总成包括一级变位驱动侧、一级变位支承侧、二级变位机、打印基板等部件；焊接总成包括焊接电源、送丝机、焊枪、贮气瓶等部件。

所述六轴机械臂、变位基板总成、焊接总成固连接于封闭机箱的底板上；所述温控探头固定连接于六轴机械臂的末端；所述CCD监控器固定连接于封闭机箱的成型室一侧；所述控制面板嵌装于封闭机箱的前侧；所述二级旋转变位机的两端分别固定连接于一级变位驱动侧和一级变位支承侧（该双端固定结构相比于悬臂结构在打印大尺寸构件时更稳固）；所述打印基板固定连接于二级变位机上；所述送丝机固定连接于控制室中的焊接电源之上；所述焊枪固定连接于六轴机械臂的末端；所述贮气瓶固定安装于封闭机箱的气瓶室；所述送丝机通过导丝管与焊枪连接；所述贮气瓶通过高压气动软管与焊枪连接。

所述封闭机箱将整个成型机统与外界隔离，为成型过程提供稳定环境。封闭机箱内部分隔出成型室、控制室和气瓶室，使各功能模块相对独立并便于维护；所述六轴机械臂按照预先设定好的成型路径完成打印过程的运动；所述变位基板总成实现已成型部分的双向旋转位置变换，以进行下一区域的打印成型（因为电弧熔融堆积方式在打印时受重力影响，熔池必须有效的附着在已成型表面，故而打印的倾斜度只能在一定范围内（一般与竖直夹角不大于45度），所述双向旋转变位方案弥补无旋转变位打印基板无法打印复杂模型的不足）；所述焊接总成实现丝材的稳定弧焊堆积；所述温控探头对已成型部分的上表面温度进行检测并反馈到控制面板中进行打印节拍控制；所述CCD监控器对成型室打印状态进行视觉监测，特别是成型过程的检测，以在线调整工艺参数及处理异常情况；所述控制面板集中显示设备各部的工作状态及进行输出操作指令；所述变位基板总成中的一级变位驱动侧与一级变位支承侧组成一级变位机，一级变位机实现打印基板的一级旋转位置变换，一级变位驱动侧为一级变位机提供旋转驱动力，一级变位支承侧为一级变位机提供远端支承；所述二级变位机实现打印基板的二级旋转位置变换；所述打印基板具备强制冷却和主动加热的功能(打印开始时，为降低熔滴与基板的温度差，增强熔滴与基板的融合度，需要对基板进行预热；打印到一定层高时（一般10层左右），由于已成型部分热量的逐层累积效应，造成已打印表层的温度过高而无法及时冷却，进而出现熔滴流淌，此时需要等待已打印表层的温度降至合适温度才能继续打印，而通过基板的强制冷却功能可减少层间等待时间，提高成型效率)，为打印过程提供成型基础；所述焊接总成中的焊接电源实现打印过程中的焊接电流、电压参数实时调节；所述送丝机为打印过程提供稳定的丝材输送；所述焊枪作为丝材、保护气体及电路线缆的输出端口；所述贮气瓶为打印成型过程提供压力保护气体，即高纯氩气或者CO₂保护气。

具体实施过程：将预先设定好的模型打印路径输入至控制面板中，执行打印，六轴机械臂按照预设路径进行逐层打印运动。由于弧焊法3D打印过程的成型起点（起弧）和终点（熄弧）成型效果难于控制，成型尺寸存在随机性，若将起弧和熄弧点设置在所需的打印本体内，则易形成内部缺陷，因而打印路径的设定不同于公知的电子束或激光铺粉的路径设定，具体方案是：将每层打印的起弧点和熄弧点设置在所需打印本体之外，以保证所需部分的质量。打印过程中，焊接电源及送丝机根据打印运动的加减速变化及成型的断续情况实时调整电压、电流、送丝干伸长等参数。待打印完成一层后，温控探头检测已成型部分上表面的温度并反馈至控制面板中，控制面板将检测温度参数与预设温度比较来控制下一层打印的起始时间。打印过程中，CCD监控器对已成型部分的上表面进行扫描捕捉，控制面板根据捕捉的图像判断是否对打印层高缺陷进行补偿。打印过程中，打印基板根据工艺要求对已成型部分进行强制冷却或主动加热。待打印一个位置区域的模型后，变位基板总成根据预设的模型打印路径变换位置，以进行下一区域的打印成型。以上过程反复进行即可完成整个零件模型的打印。

在图中，焊枪安装在六轴机器人上，视觉监控仪与摄像头通过数据线缆连接，温度监控仪与温度传感器通过数据线缆连接，焊机电源与惰性气体瓶通过软管连接，焊枪与焊机电源通过专用线缆连接，基板通过螺栓固定在旋转变位机上。

打印工作开始前，先将设定好的工作路径输入六轴机器人，然后预热基板至200℃，随后开始打印。六轴机器人带动焊枪沿着设定的路径以6mm/s的速度移动，焊机电源设定焊接电流150A、电压20V、送丝速度6m/min，控制焊枪将焊丝熔融后逐层堆积到基板上。温度监控仪和视觉监控仪同步监控打印层的层间温度和形貌，以实时调节打印过程中电流、电压、送丝速度、行走速度等各种打印参数。

与传统压铸方法对比，该方法无需提前制作压铸模具，节省了大量的成本和工时，后续虽然需要增加机械加工，但是其成本与工时远远低于压铸模具的制造。与传统机械加工方法对比，该方法无需提前准备大尺寸的金属板材，只需要使用同种型号的线材，大大节省了材料准备时间，同时提高了材料利用率。