一种施加持续均匀正压进行金属增材制造的装置与方法与流程

本发明属于金属增材制造领域，具体涉及一种施加持续均匀正压进行金属增材制造的装置与方法。

背景技术：
金属增材制造技术作为增材制造技术的重要分支，在近年来取得显著的发展。其工艺方法包括激光熔覆、激光烧结、电子束熔覆等，目前已经能够制备一定形状的金属零部件。金属增材制造的基本原理为：通过热源将金属原料(粉料、丝料等)熔化成液态，按照预先生成的CAD切片路径进行逐层堆积。其中，所述热源包括电子束、激光束、离子束和电弧等。由于未能有效解决增材制造过程中金属的冶金缺陷和显微组织等问题，增材制造加工的金属零件存在组织晶粒粗大、气孔、微裂纹和大量的残余应力等问题，造成了加工零件的变形、开裂和强度不足等缺陷，因此金属增材制造零件难以用于实际工程应用中。专利技术“一种控制金属增材成型表面质量的装置”(申请号201410273921.5，公开号CN104043832A)中公开了一种滚轮结构。该装置由于高压滚轮与增材制造热源完全同步运动，在进行复杂路径扫描时，经过拐弯后过程处理设备中实际位置将偏离增材制造零件所需要的原轨迹，难以达到经过拐弯后过程处理设备所需要位置。现有优化金属增材制造零件缺陷的方法包括过程处理方法和后处理方法。其中，所述过程处理方法包括外加超声场、外加电磁场和外加高压滚轮进行碾压等；所述后处理方法包括喷丸处理、去应力退火、双重退火和热等静压法等。其中，所述外加超声场、外加电磁场和外加高压滚轮进行碾压等过程处理方法，需要在打印机热源上外加超声发生器、电磁感应器或高压滚轮等同步设备，此方法容易造成设备结构不稳定等因素。当热源扫描路径复杂，需要进行小角度拐弯时，超声发生器等外加设备容易产生偏离，难以持续同步。同时，后处理方法也存在一定的局限性，如：后处理无法解决零件在增材制造过程中已经产生的变形或开裂。综上，亟需提出新的高能束金属增材制造零件缺陷优化方法，能够更有效和根本地解决金属增材制造零件的缺陷问题。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种施加持续均匀正压进行金属增材制造的装置与方法。能够使金属增材制造零件的金相组织得到优化，消除微裂纹、变形和气孔等缺陷。实施本发明具体的技术方案如下：一种施加持续均匀正压力进行金属增材制造的装置，其特征在于，该装置包括：上位机、热源装置、送料装置、输送管道、金属增材制造位置移动装置、送料头、工作台、高压容器、惰性气体罐、增压阀、真空阀、惰性气体增压器、真空泵、垂直旋转台座和加工头；所述金属增材制造位置移动装置主要由路径扫描装置、垂直旋转台和水平旋转台组成；所述输送管道主要由能量输送管道和物料输送管道组成；路径扫描装置采用多自由度位移台或机械臂；所述惰性气体罐与所述惰性气体增压器连接，所述惰性气体增压器通过所述增压阀与所述高压容器连接，所述真空泵通过所述真空阀与所述高压容器连接；所述高压容器提供的持续均匀正压环境至少包含工作台和送料头，所述水平旋转台安装在所述高压容器的底座上，垂直旋转台通过垂直旋转台座安装在所述水平旋转台上，所述工作台直接安装在垂直旋转台上；所述热源装置和所述送料装置均与所述输送管道连接，所述加工头与能量输送管道连接，所述送料头与送料输送管道连接；当加工头置于高压容器外部时，路径扫描装置为多自由度位移台，所述加工头和送料头均固定在高压容器上，多自由度位移台置于水平旋转台下方，并与高压容器连接；当加工头置于高压容器内部时，路径扫描装置为机械臂或多自由度位移台，当采用机械臂时，加工头须与送料头集成在一起，与机械臂固连，机械臂固连于高压容器的底座；当采用多自由度位移台时，所述加工头、送料头、高压容器、多自由度位移台和水平旋转台的相互位置连接关系与加工头置于高压容器外部时相同；所述上位机通过控制电缆分别与所述路径扫描装置、垂直旋转台、水平旋转台、热源装置和送料装置连接。进一步地，所述热源装置的能量源为电子束、激光束、离子束或电弧。进一步地，所述热源装置，若产生能透过固体透镜的高能束，需置于所述高压容器的外部，若产生的热源不能透过固体，需要置于高压容器的内部。进一步地，所述输送管包括光缆或电缆。一种施加持续均匀正压力进行金属增材制造的方法，具体步骤如下：第一步，在进行增材制造前，通过真空泵抽出高压容器内原有的空气，使所述高压容器内实现负压后，关闭真空泵；第二步，通过惰性气体增压器将惰性气体罐内的惰性气体通入所述高压容器内，使高压容器内在实现惰性气体保护的同时，还拥有高于标准大气压的持续均匀正压环境；第三步，开启热源装置和送料装置，调整送料头照射出的激光焦点、原料汇聚点与目标熔化点，使激光焦点、原料汇聚点与目标熔化点汇于一点，实现对焦；第四步，通过上位机对热源装置、送料装置、路径扫描装置、垂直旋转台和水平旋转台的联动控制实现增材制造过程；按照编定的数控程序或预先生成的CAD模型切片进行逐层扫描，完成金属零件增材制造；第五步，完成增材制造过程后，通过真空泵释放高压容器内的正压力；第六步，取出增材制造零件，完成制造过程。进一步地，通过如下方法进行优化：通过气压反馈回路调整高压容器的气压,通过温度监控手段反馈调节热源装置的功率、路径扫描装置的移动速度、送料头的送料速度、送料头与工作台之间的距离。进一步地，所述送料装置的金属原料输送形式为送丝或送粉。有益效果：(1)本发明通过正压高压容器，实现金属增材制造堆积过程中整体环境的持续均匀正压力，无需引入外设增压方式，使得结构更加简洁可靠，不会因增材堆积的扫描路径复杂而对压力施加造成影响；(2)本发明通过向增材堆积过程中提供均匀正压环境，实现对金属增材制造零件的微裂纹、内部气孔修复，提升所制造零件强度；(3)本发明由于高压滚轮必须在跟随增材制造热源扫描路径进行扫描的同时，随时保持在增材制造热源扫描路径的速度梯度方向才能够实现滚压作用，该装置避免了由于高压滚轮与增材制造热源完全同步运动，在进行复杂路径扫描时，经过拐弯后过程处理设备中实际位置将偏离增材制造零件所需要的原轨迹，难以达到经过拐弯后过程处理设备所需要位置；(4)本发明通过向增材堆积过程中提供均匀正压环境，实现对金属增材制造零件的金相组织优化，提升所制造零件的强度。附图说明图1为使用激光作为热源进行高压容器内的金属增材制造装置结构I示意图。图2为使用激光作为热源进行高压容器内的金属增材制造装置结构II示意图。图3使用激光作为热源进行高压容器内的金属增材制造装置结构左视图。图4为加工头与送料头集成的局部放大图。图5为本发明工作原理流程图。图6为所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中实际产生的移动效果a示意图。图7为所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中实际产生的移动效果b示意图。图8为所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中需要产生的移动效果a示意图。图9为所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中需要产生的移动效果b示意图。其中，1-上位机，2-热源装置，3-送料装置，4-输送管道，5-路径扫描装置，6-送料头，7-垂直旋转台，8-工作台，9-水平旋转台，10-高压容器，11-惰性气体罐，12-惰性气体增压器，13-真空泵，14-垂直旋转台座，15-加工头；16-增材制造零件，17-高压滚轮等过程处理设备，18-增材制造热源，19-经过拐弯后过程处理设备实际位置，20-经过拐弯后增材制造热源位置，21-经过拐弯后过程处理设备所需要位置。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。一种施加持续均匀正压力进行金属增材制造的装置，如图1所示，其实现装置包括：上位机1，热源装置2，送料装置3，输送管道4，路径扫描装置(本例中采用机械臂)5，送料头6，垂直旋转台7，工作台8，水平旋转台9，高压容器10，惰性气体罐11，惰性气体增压器12，真空泵13，垂直旋转台座14，加工头15；所述热源装置2通过输送管道4与送料头6(与激光器的加工头15集成在一起)连接，如图4所示；另外，加工头15也可置于高压容器10的外部如图2所示；所述送料头6与机械臂连接，所述送料装置3和输送管道4连接，所述惰性气体罐11与所述惰性气体增压器12连接，所述真空泵13的真空阀与所述惰性气体增压器12的增压阀均与所述高压容器10连接，所述水平旋转台9通过垂直旋转台座14与垂直旋转台7连接，垂直旋转台7与工作台8连接，如图3所示；所述输送管道4、机械臂、送料头6、垂直旋转台7、工作台8和水平旋转台9置于所述高压容器10内，其中，机械臂、垂直旋转台7和水平旋转台9组成金属增材制造位置移动装置，实现一定空间范围内任意点和梯度的金属熔化堆积；所述产生热源装置于所述高压容器10的外部或内部，若产生的热源不能透过固体，需要置于高压容器的内部，在所述高压容器10顶部或其他高能束进入方向需要装有透镜；送料装置3与产生热源装置2固定同一轴，本例中所述热源装置采用激光器，所述送料装置3采用送料器，所述激光器、送粉器、机械臂、垂直旋转台7和水平旋转台9通过上位机1实现联动控制；所述机械臂能够达到空间中任一坐标点，所述垂直旋转台7和水平旋转台9实现增材堆积过程能够始终朝向水平面法方向，所述激光器通过送料头6发射出激光照射在送粉器通过输送管道4输送的金属粉末原料，实现金属材料的熔化堆积。具体操作的步骤(见图5)如下：第一步，在进行增材制造前，通过真空泵13抽出高压容器10内原有的空气，使所述高压容器10内实现负压后，关闭真空泵13；第二步，将惰性气体罐11内的惰性气体通入所述高压容器10内，使高压容器10内在实现惰性气体保护的同时，还拥有高于标准大气压的持续均匀正压环境；第三步，开启激光器，送粉器，调整送料头6照射出的激光焦点、原料汇聚点与目标熔化点，使激光焦点、原料汇聚点与目标熔化点汇于一点，实现对焦；第四步，通过上位机1对激光器、送粉器、机械臂、垂直旋转台7和水平旋转台9的联动控制实现增材制造过程。按照编定的数控程序或预先生成的CAD模型切片进行逐层扫描，完成金属零件增材制造。第五步，完成增材制造过程后，通过真空泵13释放高压容器10内的正压力。第六步，取出增材制造零件，完成制造过程。图6和图7为所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中实际产生的移动效果示意图。图8和图9为所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中需要产生的移动效果示意图。所述外加高压滚轮的过程处理方法应用于复杂扫描路径中产生的移动效果，由于高压滚轮17必须在跟随增材制造热源18扫描路径进行扫描的同时，随时保持在增材制造热源18扫描路径的速度梯度方向才能够实现滚压作用，该装置避免了所述专利名称为“一种控制金属增材成型表面质量的装置”，由于高压滚轮17与增材制造热源18完全同步运动，在进行复杂路径扫描时，经过拐弯后过程处理设备中实际位置19将偏离增材制造零件16所需要的原轨迹，难以达到经过拐弯后过程处理设备所需要位置21。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。