[发明专利]激光增材制造复杂金属构件的无支撑成形方法及其多自由度平台装置

说明书

本发明公开了一种激光增材制造复杂金属构件的无支撑成形方法及其多自由度平台装置。多自由度平台装置包括可调节支撑结构及运动平台，可调节支撑结构包括中部可调节支撑结构及外侧可调节支撑结构；中部可调节支撑结构包括底部旋转平台及第二伸缩杆；外侧可调节支撑结构的数量至少有3个；每一个外侧可调节支撑结构均包括底部运动组件以及第一伸缩杆。本发明在增材制造时，通过实时调整多自由度平台装置来同步变换成形基板，从而减少支撑结构的使用，避免不必要的粉末材料的浪费，同时因为减去不必要的支撑结构，减少了后续对构件的机械处理，在降低工艺处理的过程同时降低构件成形成本，提高构件成形后的表面光洁度，符合低碳智能制造的目标。

技术领域

本发明涉及一种激光增材制造复杂金属构件的无支撑成形方法及其多自由度平台装置，属于金属构件3D打印技术领域。

背景技术

基于粉床原理的金属3D打印技术LPBF工艺将周期性扫描完成数据切片形成二维构件截面，沿成形方向通过层层叠加最终一体化成形复杂构件。在面向航空航天等高精度复杂金属构件的成形中，基于粉床原理的LPBF金属3D打印技术具有广阔的应用前景，尤其是针对航空工业中的机翼翼梁等具有薄壁结构的航空构件，因其具有较低的输入热量使基材周围受热影响较小，热变形影响区很小；同时利用LPBF技术成形原理打印具有特殊外型结构或复杂内部结构的构件。其成形条件不受构件的几何形状限制。因此LPBF技术已经在无人机等航空航天领域得到广泛的应用。

但同时，在打印具有复杂结构的构件中，因部分结构复杂，当模型某面与水平面夹角小于极限成形夹角θ时，材料会在其凝固前粘粉而形成挂渣。基于以上3D打印过程中的极限角θ原则，对于成形条件小于极限角θ结构需添加支撑结构，以防止熔体粘接周边粉末而形成挂渣现象；而添加支撑结构不仅造成金属粉末原料的浪费，且增加了构件后处理工序，尤其为内腔和中空结构，很难通过后处理而提高表面质量，进而对提高构件整体表面光洁度提出挑战。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种激光增材制造复杂金属构件的多自由度平台装置，以在激光增材制造复杂金属构件的成形过程中，通过实时调整多自由度平台装置来同步变换成形基板，从而减少支撑结构的使用，避免不必要的粉末材料的浪费，同时因为减去不必要的支撑结构，减少了后续对构件的机械处理，在降低工艺处理的过程同时降低构件成形成本，提高构件成形后的表面光洁度，符合低碳智能制造的目标。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种激光增材制造复杂金属构件的多自由度平台装置，包括可调节支撑结构以及安装在可调节支撑结构上方的运动平台，其中：

所述的可调节支撑结构，包括中部可调节支撑结构以及外侧可调节支撑结构；

所述的中部可调节支撑结构，包括底部旋转平台以及第二伸缩杆；第二伸缩杆的下端与底部旋转平台铰接，而第二伸缩杆的上端则与运动平台的中部位置铰接；

所述的外侧可调节支撑结构，数量至少有3个；各外侧可调节支撑结构周向均布在中部可调节支撑结构的外围；每一个外侧可调节支撑结构均包括底部运动组件以及第一伸缩杆；第一伸缩杆的上端与运动平台铰接，而下端则与底部运动组件铰接，且所述的第一伸缩杆与底部运动组件之间的铰接位点能够在第一伸缩杆所处的平面内移动。

优选地，所述的底部运动组件包括支撑底座、驱动电机、轴承支座、滑轨以及滑动式球铰座，其中：

所述的支撑底座上设置有倾斜支撑面；

所述驱动电机的固定部分以及轴承支座均安装在倾斜支撑面上；

所述滑轨通过轴承支座定位支撑在倾斜支撑面，且滑轨与驱动电机的动力输出端连接；

滑动式球铰座可移动地安装在滑轨上，而第一伸缩杆的下端铰接在滑动式球铰座中；