[发明专利]电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法

说明书

本发明提供一种电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法，所述的柔性装置包括电弧熔丝3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人、重载机器人及工作台。本发明的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备同时具备电弧3D打印系统和砂型3D打印系统，两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零件结构由电弧熔丝3D打印系统进行打印，物理支撑结构由砂型3D打印系统进行打印；零件打印完成后，将零件与基板分离，然后使用溶解剂溶解砂型支撑、去除剩余金属支撑从而得到最终的金属零件。本发明可解决普通电弧增材制造设备无法打印支撑、不能制造具有大倾斜角、局部镂空等特征的复杂金属零件，同时打印零件与基板分离时费时费力的问题。

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体而言涉及一种电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法。

背景技术

大型金属材料复杂结构件增材制造(3D打印)技术源于快速原型(RapidPrototyping,RP)技术，近十年来得到了广泛的重视和发展。该技术的核心工艺是在数控设备的辅助下，将金属材料以球状粉末或丝材的形式通过高能束流(包括激光、等离子束或电子束等)进行逐层的熔融沉积形成大型结构件。与传统的“去除”式的切削加工方式不同，该技术以“生长”式的理念进行逐层沉积，极大地提升了原材料的利用率；同时由于避免了大量模具的设计和加工过程，极大地缩短了构件的制备周期。作为金属材料传统成形方法的有益补充，3D打印技术解决许多通过热变形制备技术无法攻克的难题，不断发展和成熟，已经广泛应用到新产品设计、医疗器械、航空航天等领域，是传统制造技术与新材料制造技术的完美结合，可称之为制造业领域的一次重大技术革命。

电弧熔丝3D打印技术(又称电弧增材制造技术，简称WAAM)，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，主要基于TIG、MIG/MAG、PLASMA等焊接技术发展而来，成形零件由电弧熔丝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸理论上无限制，成形速率可达4-8kg/h。随着我国航天技术的发展，固体火箭发动机作为运载火箭助推器成为可行的技术方案。固体助推器的关键部件为与芯级连接的捆绑连接环大尺寸异型结构，采用传统的车铣复合加工，材料浪费巨大，加工周期长、成本高，成为制约固体助推器研制的关键技术瓶颈。而电弧增材制造在大尺寸异型构件方面的高度可实现性为解决上述瓶颈提供了重要突破口。

然而电弧熔丝3D打印技术受到自身工艺流程和技术特点所限，并非普适于所有的金属材料结构件，也具有其适用范围和局限性。电弧熔丝3D打印技术为线成型，适合实心件打印成型，但是不适合做断续打印，所以很难打印金属支撑，无法打印具有大倾斜角、局部镂空等特征的复杂零件；另外打印完成后基板与零件分离难度大、费时费力。

发明内容

本发明目的在于提供一种电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备与打印方法，解决传统电弧增材制造设备无法打印支撑，不能制造具有大倾斜角、局部镂空等特征的复杂金属零件的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的电弧熔丝与砂型支撑复合打印柔性装备包括电弧熔丝3D打印系统、砂型3D打印系统、多轴机器人、重载机器人及工作台，其中：

所述工作台用于固定作为金属3D打印基底的基板；

所述电弧熔丝3D打印系统包括焊枪、送丝机、丝盘以及焊机电源，丝盘内放置金属焊丝，送丝机被设置用于将金属焊丝传输至焊枪的前端，焊机电源被设置成在其被启动后在焊枪前端将电能转化热能从而熔化金属焊丝至熔融状态，并在所述基板上进行金属3D打印；

所述砂型3D打印系统包括打印喷头、运砂管道、挤出机构以及料仓，料仓内储存有细砂粉与粘接剂混合而成的砂型粉末，挤出机构被设置成用以通过运砂管道将砂型粉末输送至打印喷头，并在所述基板上进行砂型3D打印；

所述打印喷头以及焊枪均安装到一呈V型结构的加工头连接板上，加工头连接板固定在多轴机器人输出轴法兰上，使得通过所述多轴机器人可控制焊枪或者打印喷头进入基板上方的工作区域进行3D打印作业；