一种控制金属增材成型表面质量的装置制造方法
【专利摘要】一种控制金属增材成型表面质量的装置,包括能够带动涡轮组件转动的蜗杆立柱，蜗杆立柱内部安装有伸出蜗杆立柱下端的导柱，且导柱伸出蜗杆立柱下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；所述的涡轮组件上安装有能够沿导柱轴向方向移动的横梁，横梁上安装有能够沿导柱径向方向运动的竖梁，竖梁的下端设有能自由转动并能将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮。本发明在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下采用覆平滚轮结构，将零件表面覆平避免金属流淌造成表面不光滑和和成型质量差等问题，提高零件成型精度以及二次加工。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属三维增材制造领域，具体涉及一种控制金属增材成型表面质量的 装直。 一种控制金属增材成型表面质量的装置 技术背景
[0002] 增材制造技术（又称为"3D打印"）正在快速改变着传统的生产和生活方式，其核 心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照零件的三维CAD模型的分层数据， 将离散态的成型材料被逐步结合在一起，形成一个个分层截面，继而逐层堆积形成实体零 件，无需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，缩短研制周期。目前，相对成熟的金属件 增材制造技术主要有激光快速成型，如选区激光烙融（Selective Laser Malting, SLM)、直 接金属烧结（Direct Metal LasterSintering，DMLS)和激光净近成型（Laser Engineering NetShaping，LENS);电子束快速成型，如电子束烙融（Electron Beam Melting, EBM)，和电子 束实体自由成型（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF);等离子快速成型，如等离子 溶剂直接制造 （Plasma Powder Deposition Manufacturing, PPDM);电弧烙积快速成型，如 电弧直接制造技术（Arc Direct Rapid Prototyping Manufacturing，ADRPM)等。
[0003] 在增材制造技术中，零件的制造过程通过"层层叠加"的方式实现加工，先对STL 文件格式的三维模型进行二维离散，然后再用二维离散数据堆积成三维实物。因此，在零件 的轮廓表面上会留下大量的呈楼梯状台阶，导致实际的零件表面与期望的零件表面有较大 的区别，进而影响零件的表面质量。这种现象被称之为台阶效应，台阶效应是由于增材制造 技术的固有成型原理带来的，造成成型零件加工尺寸不准确、成形零件表面粗糙无法满足 使用要求、成型零件表面质量差等问题。目前，只能通过优化零件的制作方向减少台阶效应 来提高制件的表面质量，或者通过后处理二次加工修形使零件表面光滑。工艺优化只能部 分提高成型质量，无法彻底解决问题；后处理往往工艺复杂，二次加工后造成零件表面应力 释放，引起零件变形。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种控制金属增材成型表面质量的装置，该装置能够提高 零件成型精度且在使用时工件定位方便。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：包括能够带动涡轮组件转动 的蜗杆立柱，蜗杆立柱内部安装有伸出蜗杆立柱下端的导柱，且导柱伸出蜗杆立柱下端的 一端上还设有用于实现成型的喷头；所述的涡轮组件上安装有能够沿导柱轴向方向移动的 横梁，横梁上安装有能够沿导柱径向方向运动的坚梁，坚梁的下端设有能自由转动并能将 成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮。
[0006] 所述的喷头为激光同轴送粉喷头或能够提供金属熔熵的熔熵喷头。
[0007] 所述的横梁上设有能够带动横梁沿导柱径向方向移动的横梁电机，坚梁上设有能 够带动坚梁沿导柱轴向运动的坚梁电机。
[0008] 所述的蜗杆立柱顶端安装有能够带动蜗杆立柱转动的立柱电机。
[0009] 所述的覆平滚轮采用陶瓷和石墨制成。
[0010] 所述的覆平滚轮采用极坐标运动方式。
[0011] 所述的涡轮组件通过轴承安装在涡杆立柱上。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0013] 本发明与增材成形设备配套使用，使用时不改变增材成形设备原有成形方法原 理，而是在成形过程中对零件表面进行处理，提高成形质量，是对增材成形设备的一种补 充。而且，本发明装置适用金属增材成形所使用的的增材成形设备，因此，本发明具有通用 性。另外，本发明利用覆平滚轮在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下将零件表面覆平， 避免金属流淌造成表面不光滑和和成型质量差等问题，简化了加工工艺，避免了二次加工 造成零件表面应力释放，引起零件变形，提高了零件成型精度。
[0014] 进一步，本发明覆平滚轮采用极坐标运动方式，因此，特别适合加工某些适合采用 极坐标参数描述的曲线，阿基米德螺线、渐开线，螺旋线等，其控制采用电机控制，因此，本 发明控制方法简单，加工精度相对高，避免了轮廓表面成型的台阶效应，加工二次曲线，如 椭圆、抛物线、双曲线等形式的零件时，具有工件定位方便，加工精度高等特点，可以有效的 提高零件的表面成型质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明采用熔熵喷头的装置结构原理图；
[0016] 图2是本发明采用激光同轴送粉喷头的装置结构原理图；
[0017] 其中：1、成型件，2-1、金属熔滴，2-2、金属粉末，3-1、熔滴喷头，3-2、激光同轴送粉 喷头，4、轴承，5、涡轮组件，6、蜗杆立柱，7、导柱，8、立柱电机，9、坚梁电机，10、坚梁，11、横 梁，12、横梁电机，13、覆平滚轮。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：
[0019] 如图1和图2所示，本发明包括蜗杆立柱6以及涡轮组件5,涡轮组件5通过轴承 4安装在涡杆立柱6上，蜗杆立柱6内部安装有伸出蜗杆立柱6下端的导柱7,且导柱7伸 出蜗杆立柱6下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；喷头可以为提供金属熔熵3-2的 熔熵喷头3-1 (见图1)，也可以为激光同轴送粉喷头3-2 (见图2)，蜗杆立柱6的顶端设有 能够带动蜗杆立柱6转动的立柱电机8 ;蜗杆立柱6带动润轮组件5沿润轮立柱6转动（转 动方向如Θ);
[0020] 涡轮组件6上安装有能够沿导柱轴向方向移动的横梁11，横梁11的末端设有横梁 电机12,横梁电机12能够带动横梁11沿导柱轴向方向移动（导柱轴向方向如Z)，横梁11 的始端安装在涡轮组件5上；横梁11上安装有能够沿导柱径向方向运动的坚梁10,坚梁10 上设有能够带动坚梁10沿导柱轴向运动的坚梁电机9(导柱径向方向如P )，坚梁10的下 端设有能够自由转动并能够将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮13 ;且坚梁10向横梁的 末端移动的同时，横梁向蜗杆立柱5的顶部移动，覆平滚轮13以极坐标方式运动。覆平滚 轮13为高硬度，与金融熔液不浸润的材料，优选陶瓷和石墨。
[0021] 参见图1，采用金属熔滴成型方式制造零件，传统的制造方式由于台阶效应和金属 流淌，造成表面成型质量差，成型后表面如图1中的II所示。当本发明的喷头为熔熵喷头 3-1时，本发明采用覆平滚轮13成型金属零件，成型后表面如图1中的I所示，制造成型零 件的内部结构时，坚梁10被坚梁电机9带到横梁右端，即横梁11的末端，横梁11被横梁电 机12带到蜗杆立柱6的顶端，这样覆平滚轮13远离成型零件和熔熵喷头3-1 ;保证成型过 程中覆平滚轮13不会影响成型件1的制造。
[0022] 当制造成型零件的表面轮廓时，覆平滚轮13处于a状态，立柱电机8带动蜗轮组 件5转动（沿Θ方向），坚梁1〇被坚梁电机9带到横梁左端（沿着P方向），即横梁11 的始端，横梁11被横梁电机12带到蜗杆立柱6底端（沿Z方向），这样能够自由转动的覆 平滚轮13与成型零件的表面接触实现对成型件1表面的覆平，由于本发明的蜗轮组件5、横 梁11以及坚梁10的运动受到三个电机的控制，使覆平滚轮13对成型件1表面覆平时实现 了三维运动。覆平滚轮13靠近熔滴喷头3-1和成型表面，通过覆平滚轮13转动，在熔滴还 没有凝固前按照成型件1的理论轮廓控制成型质量。整个过程中，熔滴喷头3-1用于产生 金属熔滴2-1，金属熔滴2-1逐层堆积完成成型件1的制造。另外，覆平滚轮13的运动为 极坐标运动方式，特别适合加工某些适合采用极坐标参数描述的曲线，阿基米德螺线、渐开 线，螺旋线等，其控制方法简单，加工精度相对高，避免了轮廓表面成型的台阶效应。加工二 次曲线，如椭圆、抛物线、双曲线等形式的零件时，具有工件定位方便，加工精度高等特点， 可以有效的提高零件的表面成型质量。
[0023] 如图2所示，采用激光粉末成型方式制造零件，其原理与采用金属熔滴成型方式 相同。所不同的是采用激光同轴送粉喷头3-2提供成型件1制造需要的金属粉末2-2。采 用激光粉末成型方式与采用金属熔滴成型方式制造零件的原理相同，工作过程也相同。
[0024] 成形过程中工艺参数，如扫描速度、温度、层厚、激光功率、激光作用方式等，工艺 参数的控制是增材制造工艺本身的问题，本发明的作用的在金属熔液或熔滴没有完全凝固 的状态下，将零件表面覆平，提高零件成型精度；同时由于采用极坐标运动方式，对具有回 转轮廓等曲面的零件尤其适合，能有效减小台阶效应，提高制件质量。
[0025] 本发明必须与传统的金属增材成形方法配套使用，实现该金属增材成形方法的装 置结构可以多样，方法的核心是在成形过程中利用覆平滚轮13对表面质量进行处理，避免 了二次加工。
[0026] 本发明装置能够用于熔滴成型、激光粉末成型和电子束粉末金属增材制造，在利 用金属增材成型零件表面轮廓时，在金属熔液或熔滴没有完全凝固的状态下，采用覆平滚 轮结构，将零件表面覆平，避免金属流淌造成表面不光滑和和成型质量差等问题，提高零件 成型精度。
【权利要求】
1. 一种控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：包括能够带动涡轮组件转动 的蜗杆立柱￠)，蜗杆立柱（6)内部安装有伸出蜗杆立柱（6)下端的导柱（7)，且导柱（7)伸 出蜗杆立柱（6)下端的一端上还设有用于实现成型的喷头；所述的涡轮组件（5)上安装有 能够沿导柱轴向方向移动的横梁（11)，横梁（11)上安装有能够沿导柱径向方向运动的坚 梁（10)，坚梁（10)的下端设有能自由转动并能将成型零件表面轮廓覆平的覆平滚轮（13)。
2. 根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的喷 头为激光同轴送粉喷头（3-2)或能够提供金属熔熵（2-1)的熔熵喷头（3-1)。
3. 根据权利要求1或2所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述 的横梁（11)上设有能够带动横梁（11)沿导柱径向方向移动的横梁电机（12)，坚梁（10)上 设有能够带动坚梁（10)沿导柱轴向运动的坚梁电机（9)。
4. 根据权利要求3所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的蜗 杆立柱（6)顶端安装有能够带动蜗杆立柱（6)转动的立柱电机（8)。
5. 根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的覆 平滚轮（13)米用陶瓷和石墨制成。
6. 根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的覆 平滚轮（13)采用极坐标运动方式。
7. 根据权利要求1所述的控制金属增材成型表面质量的装置，其特征在于：所述的涡 轮组件（5)通过轴承（4)安装在涡杆立柱（6)上。
【文档编号】B22F3/115GK104043832SQ201410273921
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】杜军, 魏正英, 陈祯, 赵光喜, 李素丽, 魏培 申请人:西安交通大学