一种3D打印约束成型辅助装置及其使用方法与流程

本发明涉及电弧3d打印领域，特别是一种3d打印约束成型辅助装置及其使用方法。

背景技术：

电弧3d打印过程是以电弧为热源，通过高温液态金属逐道逐层累积来制造实体部件。由于液态熔池金属具有较高的流动性，使得电弧3d打印部件的侧壁成型精度较低，往往需要后期的切削加工才能满足需求精度。此外，随着堆积层数的增加，受到整体散热能力的限制，整体结构的热量积累严重，还会进一步影响成型精度。同时，高温停留时间的延长也会使得增材部件(预成型件)内部晶粒组织发生粗化，降低部件整体的力学性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种能够快速使打印过程中熔敷金属降温并限制预成型件尺寸的3d打印约束成型辅助装置及其使用方法。

第一方面，提供一种3d打印约束成型辅助装置，包括固定部、滑轨和冷却装置，所述固定部与所述滑轨固定连接，用于与3d打印设备的焊炬固定连接，所述冷却装置滑动连接到所述滑轨上，用于对所述3d打印设备打印过程中的熔敷金属进行冷却。

优选地，所述固定部包括第一夹板、第二夹板和紧固件，所述第一夹板与所述滑轨固定连接，所述第一夹板和第二夹板通过所述紧固件连接并夹紧在所述焊炬上。

优选地，所述冷却装置设置有一个或者两个，所述冷却装置包括冷却部和连接部，所述连接部的第一端滑动连接到所述滑轨上，所述连接部的第二端与所述冷却部连接。

优选地，所述冷却部包括冷却块和冷却泵，所述冷却块内形成有冷却通道，所述冷却通道的冷却液入口通过管路与所述冷却泵相连。

优选地，所述冷却块包括工作面，所述工作面为与水平面垂直的面。

优选地，还包括滑块，所述滑块上设置有定位螺钉，所述连接部的第二端与所述滑块连接，所述滑块滑动连接到所述滑轨上。

优选地，所述滑块与所述连接部铰接。

优选地，所述滑块和所述连接部之间还设置有弹簧，所述弹簧的两端分别连接到所述滑块和所述连接部上。

优选地，所述滑块和滑轨上设置有刻度，用于提高所述滑块位置调整的精度。

第二方面，提供一种上述3d打印约束成型辅助装置的使用方法，包括：

将所述固定部装夹到所述焊炬上，并调整所述冷却装置的位置；

根据预成型件的结构再次调整所述冷却装置的位置并固定；

向所述冷却装置内供冷却液，然后开启所述焊炬开始工作；

所述焊炬工作完成后，继续向所述冷却装置供冷却液；

停止向所述冷却装置供冷却液，打印完成；

将所述3d打印约束成型辅助装置拆除，并将所述冷却装置清洗干净进行保存。

本发明提供的3d打印约束成型辅助装置在加工部件时，通过冷却块的冷却带走电弧3d打印过程中熔敷金属大部分热量，大大缩短熔池金属的凝固和高温停留时间，解决了随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、内部晶粒组织粗大和力学性能较低的问题。且，本发明结构简单，使用调节方便，消除或减小了目前需要对电弧3d打印毛坯成型件的加工余量，提高了电弧3d打印的生产效率和材料利用率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明电弧3d打印约束成型辅助装置工作状态俯视示意图；

图2示出本发明电弧3d打印约束成型辅助装置与焊炬装配示意图；

图3示出冷却块及连接部示意图；

图4示出图3中a-a处剖视图；

图5示出冷却块及连接部三维示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明提供的3d打印约束成型辅助装置主要用于3d打印特别是电弧3d打印中提高加工部件的表面成型精度以及成型部件的整体性能。

如图1、2所示，本发明提供的3d打印约束成型辅助装置包括固定部、滑轨200和冷却装置，所述固定部与所述滑轨相连，用于所述3d打印约束成型辅助装置的安装，所述冷却装置可滑动的与所述滑轨相连，用于对加工部件表面成型进行约束，以提高表面成型精度，优选地，所述冷却装置相对的设置有两个。

所述固定部用于与电弧3d打印设备的焊炬500固定连接，所述固定部的具体结构根据所述焊炬500的结构进行设定，能够与所述焊炬500实现固定连接即可。优选地，所述焊炬500为圆柱形结构，所述固定部包括第一夹板101和第二夹板102，所述第一夹板101与所述滑轨200固定连接，所述第一夹板101和第二夹板102拼接，并在所述第一夹板101和第二夹板102之间形成与所述焊炬500对应的缺口，然后通过紧固件103将所述第一夹板101和第二夹板102连接并夹紧到所述焊炬500上。为了拆装方便，所述第一夹板101和第二夹板102可设置成为相互分离的结构，通过所述紧固件103进行连接；或者，所述第一夹板101和第二夹板102设置成为一侧铰接，另一侧通过所述紧固件103连接的结构。所述紧固件103优选为方便拆装的结构，例如可以在所述第一夹板101和第二夹板102对应的位置设置相互配合的卡扣结构，或者类似的结构，实现快速拆卸，并且不需要辅助工具即可完成。更进一步地，所述固定部还可以是u型螺栓等能够实现与所述焊炬500固定连接的结构。

所述滑轨200为长条形结构，在所述滑轨200的延伸方向上设置有轨道，所述冷却装置沿所述滑轨200可滑动的连接到所述滑轨200上。优选地，所述冷却装置通过滑块300连接到所述滑轨200上，所述滑块300上设置有定位螺栓301，所述定位螺栓301能够将所述滑块300固定到所述滑轨200上，当需要调整所述滑块300的位置时，松开所述定位螺栓301，调整所述滑块300的位置，当调整好所述滑块300的位置后，拧紧所述定位螺栓301，将所述滑块300在所述滑轨300上的位置固定。

所述冷却装置包括冷却部和连接部420，所述冷却部连接到所述连接部420的第一端，所述连接部420的第二端与所述滑块300连接，优选地，所述连接部420与所述滑块300铰接，使所述连接部420能够在如图2所示的xy平面内转动。

如图3、4所示，所述冷却部包括冷却块411和冷却泵412，优选地，所述冷却块411为圆台结构，所述圆台结构下底面直径为20mm，上底面与下底面平行设置，且上底面面积小于下底面，上底面为圆形或椭圆形等，所述圆台结构厚度为10mm。在所述冷却块411内形成有冷却通道，所述冷却通道为在所述冷却块411内部形成的通孔或者空腔，在所述冷却块411的表面形成与所述冷却通道连通的冷却液入口4111和冷却液出口4112，冷却液由所述冷却液入口4111进入所述冷却块411内，然后由所述冷却液出口4112流出。所述冷却块411还包括工作面4113，所述工作面4113为在所述冷却块411侧面形成的与所述圆台结构上底面和下底面均垂直的平面。当所述3d打印约束成型辅助装置安装到所述焊炬500上时，所述圆台形结构的上底面与所述焊炬500的端面平行并接触。

所述冷却泵412通过连接管4121与所述冷却块411上的冷却液入口4111连接，将冷却液泵入所述冷却块411内。当所述冷却块411设置有两个时，两个所述冷却块411的冷却液入口4111的连接管4121通过三通4122连接到所述冷却泵412的出口。所述冷却泵412向所述冷却块411内提供冷却液，并控制冷却液的流速，优选地，所述冷却液的流速为1-3m/s。优选地，还设置有冷却液箱4123，所述冷却泵412将所述冷却液箱4123内的冷却液泵入所述冷却块411内；所述冷却块411的冷却液出口4112通过连接管4121与所述冷却液箱4123连通，所述冷却块411内流出的冷却液又流回到所述冷却液箱4123内，循环使用。优选地，所述冷却液为水，为了保证所述冷却液的冷却效果，所述冷却液箱4123为恒温水箱或者大型水箱，使冷却液温度维持在室温左右。

所述连接部420的第一端与所述冷却块411连接，第二端与所述滑块连接，且，所述连接部420连接到所述滑块300上时，所述冷却块411在图2中所示的y轴方向上位于所述固定部的下方。如图5所示，具体地，所述连接部420包括滑块连接部421、中间连接部422和冷却部连接部423，所述滑块连接部421与所述冷却部连接部423平行设置，且所述滑块连接部421和冷却部连接部423均与所述中间连接部422垂直的连接到所述中间连接部422的两端。所述冷却块411与其工作面4113相对的面连接到所述冷却部连接部423上，所述滑块连接部421上设置有连接环424，所述连接环424与所述滑块300实现铰接。所述滑块300与所述滑块连接部421连接的面上还设置有挡块302，所述挡块302的厚度与所述连接环424的外径相同，使所述滑块连接部421在工作状态时能与所述滑块300上连接所述滑块连接部421的面平行。

如图2所示，所述连接部420与所述滑块300之间设置有弹簧440，所述弹簧440将所述连接部420压紧在所述滑块300上，并且，当所述3d打印约束成型辅助装置随着所述焊炬500移动时，在所述冷却块411的移动轨迹上遇到障碍物时，所述冷却块411能够通过所述连接部420相对所述滑块300发生转动滑过障碍物，避免所述焊炬500移动受阻而损坏，然后又能够在所述弹簧440的作用下回到原来的位置。

优选地，为了保证精度，所述滑轨200和滑块300上均设置有刻度，用于保证所述滑块300位置调整的精确度，优选地，所述滑轨200和滑块300上设置有刻度的面位于同一平面内。具体地，所述滑轨200上设置毫米刻度，所述毫米刻度分布特点是零刻线在中央，其余刻度从中央向两侧依次均匀增大，并呈对称分布。所述滑块300上设置游标刻度，所述游标刻度为10分度，即一共刻有10个小格，总长度为9mm，每个小格在读数时代表毫米数值0.1mm。

本发明提供的3d打印约束成型辅助装置的使用方法为：

通过所述固定装置将所述3d打印约束成型辅助装置固定到所述焊炬500上，并使所述冷却块411的上底面与所述焊炬500的端面接触，此时，两个所述滑块300的位置对应的刻度读数均为0，即所述游标刻度的零线与所述毫米刻度的零线对齐。调整所述滑块300的位置，使两个所述冷却块411上的工作面4113紧密贴合。调整所述焊炬500的焊丝501的长度，使所述焊丝501长度大于所述冷却块411的厚度，优选地，所述焊丝501的长度为12mm。至此，所述3d打印约束成型辅助装置的安装完成。

然后，根据预成型件的结构调整所述滑块300的位置，例如，当预成型件为单层薄壁结构，所述薄壁结构厚度为d1，则需要将两个所述滑块300根据刻度各自调整至d1/2处，并将所述定位螺钉301拧紧，固定所述滑块300的位置，两个所述冷却块411工作面4113之间的距离即为工件的厚度。或者，预成型件为实体结构，则根据加工要求在不发生干涉的情况下可自由选择任一个所述冷却块411工作，假设外壁(或内壁)距离所述焊丝501中心距离为d2,则只需调整所需所述滑块300至d2的位置处，并拧紧所述定位螺钉301。

所述滑块300位置的度数方法为：先读整数，看游标零线的左边，主尺(滑轨)尺身上最靠近的一条刻线的数值n"0"，读出所需调整尺寸的整数部分；再读小数，看游标零线的右边，数出第m条刻线与尺身的数值刻线对齐，读出调整尺寸的小数部分，换算为数值m×0.1；则d1/2或d2＝n"0"+m×0.1。

所述焊炬500开始工作前，首先打开所述冷却泵412，向所述冷却块411内供冷却液，然后所述焊炬500开始工作，所述3d打印约束成型辅助装置随着所述焊炬500移动，所述预成型件成型过程中，所述冷却块411的工作面413与其外壁接触，在所述弹簧440的拉力作用下，所述冷却块411对所述预成型件的外壁尺寸进行限制，以提高表面成型精度。同时，所述冷却块411对预成型件的表面进行冷却，提高所述预成型件的整体力学性能。所述焊炬500工作完毕之后，保持所述冷却泵412工作一段时间后再关闭，完成对部件的加工。

所述3d打印约束成型辅助装置使用完毕后，需将其从所述焊炬500上取下，并对所述冷却块411进行清洗，并擦拭干净后进行保存，避免其工作面4113弄脏或者被锈蚀。

本发明提供的3d打印约束成型辅助装置在加工部件时，能够加速对部件表面进行冷却，并对工件的尺寸进行限制，以保证工件的精度。通过冷却块411的冷却带走电弧3d打印过程中熔敷金属大部分热量，大大缩短熔池金属的凝固和高温停留时间，解决了随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、内部晶粒组织粗大和力学性能较低的问题。且，本发明结构简单，使用调节方便，消除或减小了目前需要对电弧3d打印毛坯成型件的加工余量，提高了电弧3d打印的生产效率和材料利用率。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。