[发明专利]基于3D金属打印的两机联动加工方法及系统

说明书

本发明涉及3D金属打印技术领域，具体公开了一种基于3D金属打印的两机联动加工方法及系统，该系统包括：激光沉积装置、转盘装置、数控铣床以及控制系统；所述激光沉积装置，用于打印零件，其包括：六轴机械手、激光发射头、喷粉器、粉仓以及保护气体管道；所述转盘装置包括转盘、托盘和升降机构；所述数控铣床用于对零件进行铣削加工；所述控制系统，用于对激光沉积装置、转盘装置和数控铣床进行控制，以协同工作生产出目标零件。本发明结合了激光沉积技术及数控铣削技术，可以配合生产出结构复杂、具有良好光洁度且质量优良的零部件，有效地解决目前零件制造过程耗时长、设备利用率低的问题，从而提高零件质量以及生产效率。

技术领域

本发明涉及3D金属打印技术领域，尤其涉及一种有关增材与减材制造同时进行的新型加工方式，并涉及了一套完善的可实现该加工方式技术过程的成形系统。

背景技术

随着科技日趋发展，各个高增值产业对于零件的复杂度、强度、重量、性能和独特性的要求不断提高。而由于市场竞争激烈，客户要求的开发周期亦日益缩短，在此情况下，工业界中各种有关金属增材制造技术受到的重视程度日渐提高。金属增材技术中，金属3D打印过程已经成为了主流的工业技术，其可实现产品定制化，完成小批量生产及针对免组装设计及复杂结构零件的生产，而目前最为常用的金属增材制造技术为直接金属激光烧结技术(DMLS)及激光沉积技术(LDM)。

直接金属激光烧结技术是一种利用高功率激光，基于计算机3D模型数据，逐层扫瞄预先铺设粉床上的金属粉末，令目标零件逐层烧结成形的技术。DMLS技术首先会使用零件切片软件将目标零件分割成一层层的结构，之后控制系统控制激光设备在铺设好金属粉材按照指令烧结，形成单层的剖面结构。之后粉仓会往下移动一个单位厚度，新空间会被粉末原料再次填补。填补后，激光再次接收数据并再进行扫描，此后粉仓与激光反复进行上述操作，逐层烧结而形成完整的目标零件，之后去除多余粉材即可。由于直接金属烧结技术是根据3D 模型分层建造的，因此该技术可以加工具有复杂内部结构的零件，同时此技术的成形精度较高。

但是由于直接金属激光烧结技术基于的成形原理以及采用的设备、技术方式，此技术有以下的限制：

1. 零件的制造过程是采用过一个填满粉材的托盘进行单层地局部烧结，然后再铺设一层新的粉材继续烧结，因此，倘若烧结突出的部分，底部必须要有支撑结构承托，此环节加大了材料消耗，且延长了加工时间。

2. 每一层的烧结结构需要连续，或者有下部的支撑结构保证目标零件的位置不在加工过程中发生偏移，此问题提高了成形的复杂度。

3. CNC设备通常只能控制激光头进行三轴移动，激光能有效射出的角度受到限制，因此减少了成形范围。同时为防止刮板在每一次铺设粉料时的运动破坏已成形的结构，烧结的突出部分悬垂角度要求一般低于50°。

4. 目标零件会受到粉床的空间限制。传统设备的结构复杂，可利用工作空间普遍偏小，因此只能制造体积较小的零件。

5. 若涉及一些特别的附属结构制作，比如具有较大倒角的结构，由于此类结构不可以直接成形，则需要用其他方式加工完成后，再与主体结构结合，延长了生产流程，并增加了技术要求。

6. 只可以采用单一材料，若采用复合材料，会造成粉仓内部材料混合，不仅零件结构内的材料会发生掺杂，还会造成粉仓材料的污染。

激光金属沉积技术，此技术作为目前最具市场前景的激光增材技术，利用机械手直接夹持激光沉积装置。在加工成形时，金属粉末经喷粉器直接喷射到需成形的位置，同时激光照射熔化材料，使材料在指定位置快速沉积以塑造形状。激光沉积技术的优势是激光可以灵活运动，而快速、灵活的移动能力容许其制造更复杂的零件，同时可省略很多复杂的支撑结构。

但激光金属沉积技术也有制造精度不高等缺点，导致此技术有以下的限制：