本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印技術(shù)。

背景技術(shù)：

公知的金屬3D打印技術(shù)是利用激光或者電子束作為熱源對(duì)金屬粉末或者絲材進(jìn)行熔融堆積進(jìn)而成型的。公知的激光3D打印不易成型大尺寸和功能梯度材料的零件，成型效率低，且高品質(zhì)粉末耗材的制備難度大。公知的電子束熔絲3D打印因其只能沿著可作支承的已成型部分進(jìn)行堆積，難以成型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件；而電子束噴粉和鋪粉3D打印方式存在耗材制備難度大及耗材利用率偏低的問(wèn)題。這些設(shè)備造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，不利于大范圍推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印機(jī)及打印方法，解決了電子束噴粉和鋪粉的3D打印方式存在耗材制備難度大且利用率低問(wèn)題，具有低成本耗材并實(shí)現(xiàn)大尺寸功能梯度金屬材料零件的打印，解決了熔絲3D打印難成型復(fù)雜零件和低效率的問(wèn)題。

技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印機(jī)，包括封閉機(jī)箱、六軸機(jī)械臂、變位基板總成、焊接總成、溫控探頭和CCD監(jiān)控器，所述封閉機(jī)箱包括成型室、控制室和氣瓶室，所述變位基板總成設(shè)在成型室內(nèi)并包括一級(jí)變位機(jī)和二級(jí)變位機(jī)，所述一級(jí)變位機(jī)包括一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)和一級(jí)變位支撐側(cè)，所述二級(jí)變位機(jī)包括二級(jí)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)和設(shè)在二級(jí)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)上的打印基板，所述二級(jí)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)的兩端設(shè)在一級(jí)變位機(jī)的一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)和一級(jí)變位支撐側(cè)上并在一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)的帶動(dòng)下能做上下翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，所述六軸機(jī)械臂設(shè)在打印基板上方，所述溫控探頭設(shè)在六軸機(jī)械臂上；所述焊接總成包括設(shè)在控制室內(nèi)的焊接電源和送絲機(jī)，設(shè)在氣瓶室的儲(chǔ)氣瓶和設(shè)在六軸機(jī)械臂前端的焊槍，所述儲(chǔ)氣瓶通過(guò)高壓氣動(dòng)軟管與焊槍連接，所述送絲機(jī)通過(guò)導(dǎo)絲管與焊槍連接；所述CCD監(jiān)控器設(shè)在成型室內(nèi)，所述打印基板還設(shè)有加熱和冷卻裝置。

作為優(yōu)選，所述封閉機(jī)箱的控制室外側(cè)還設(shè)有控制面板。

作為優(yōu)選，所述六軸機(jī)械臂包括從下至上依次連接底座、下臂、上臂和手腕，所述底座為340°自由度旋轉(zhuǎn)活動(dòng)連接，所述下臂為245°自由擺動(dòng)連接，所述上臂為215°擺動(dòng)連接，且上臂的擺動(dòng)軌跡與下臂擺動(dòng)軌跡的夾角為30°～90°；所述手腕為擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)連接。所述六軸機(jī)械臂各部件之間均作為活動(dòng)關(guān)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)焊槍的多方向多方式的靈活運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各種形狀部件的打印。

本發(fā)明還提供了一種基于上述打印機(jī)的弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印方法，在惰性氣體的保護(hù)下，以金屬鋁絲作為成型原料，將金屬鋁絲與基板連接至電源兩極通電，金屬鋁絲通過(guò)機(jī)械臂在基板上按照規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)并送絲，運(yùn)動(dòng)送絲的同時(shí)與基板形成電弧，在電弧熱的作用下金屬鋁絲熔融并在基板上形成熔池，熔池冷卻后依次再逐層堆積成預(yù)定形狀，完成金屬構(gòu)件的成型。

上述方法于具體步驟如下：

（1）首先，對(duì)打印基板預(yù)熱使打印基板的溫度相對(duì)于焊絲熔點(diǎn)在-5～3℃范圍之內(nèi)；

（2）當(dāng)打印基板的溫度到達(dá)預(yù)設(shè)溫度范圍后，所述六軸機(jī)械臂根據(jù)預(yù)設(shè)的打印路徑開(kāi)始逐層打印運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)所述一級(jí)變位機(jī)和二級(jí)變位機(jī)驅(qū)動(dòng)打印基板做旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述每層打印均設(shè)有起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)，且所述起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)均設(shè)在打印本體之外；

（3）打印過(guò)程中，焊接電源和送絲機(jī)根據(jù)打印運(yùn)動(dòng)的加速度變化和成型情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓、電流和送絲速度；每打印完成一層，需通過(guò)打印基板上的冷卻裝置控制已成型部分上表面的溫度，待已成型部分上表面的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，再啟動(dòng)進(jìn)行下層的打印，依次反復(fù)王錚整個(gè)模型的答應(yīng)。

進(jìn)一步的，所述金屬鋁絲在通電熔融過(guò)程中，對(duì)通電電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，所述電流控制在20～300A，電壓控制在5～40V。

進(jìn)一步的，所述金屬鋁絲的行走運(yùn)動(dòng)速度為4～10mm/s，同時(shí)所述金屬鋁絲的送絲速度為5～8m/min。

進(jìn)一步的，所述金屬鋁絲逐層熔融的層間間隔等待時(shí)間為30～180s。

進(jìn)一步的，所述金屬鋁絲在進(jìn)入下層熔池前，熔池的溫度需冷卻至400℃以下。

進(jìn)一步的，所述六軸機(jī)械臂還設(shè)有用于掛裝切削加工動(dòng)力頭的接口；所述二級(jí)變位機(jī)相對(duì)于水平面的偏轉(zhuǎn)角度為-45°～45°。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.所述金屬3D打印機(jī)成本大大低于激光和電子束成型設(shè)備的成本；2.所述金屬3D打印機(jī)采用絲材作為成型耗材，制備難度及成本均低于粉末耗材；3.相比復(fù)雜程度相當(dāng)?shù)奈遢S機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)統(tǒng)，所述六軸機(jī)械臂具有運(yùn)動(dòng)范圍大、速度快的特點(diǎn)；4.所述六軸機(jī)械臂也為掛裝切削加工動(dòng)力頭預(yù)留了接口，可實(shí)現(xiàn)打印成型與切削加工的綜合功能；5.所述變位基板總成可實(shí)現(xiàn)打印基板的雙軸旋轉(zhuǎn)位置變換，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間模型及功能梯度材料的打印成型；6.所述溫控探頭及CCD監(jiān)控器可以對(duì)打印工藝過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定的自動(dòng)控制；7.所述封閉機(jī)箱內(nèi)隔不同功能室，可使成型過(guò)程不受環(huán)境干擾并保證各部件穩(wěn)定可靠工作。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印機(jī)的外觀示意圖；

圖2為本發(fā)明所述基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印機(jī)的布局示意圖。

其中，封閉機(jī)箱1，六軸機(jī)械臂2，變位基板總成3，一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)31，一級(jí)變位支承側(cè)32，二級(jí)變位機(jī)33，打印基板34，焊接總成4，焊接電源41，送絲機(jī)42，焊槍43，儲(chǔ)氣瓶44，溫控探頭5， CCD監(jiān)控器6，控制面板7。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

圖1～3所示，本發(fā)明的基于弧焊法的多軸聯(lián)動(dòng)式金屬3D打印機(jī)，設(shè)備包括封閉機(jī)箱、六軸機(jī)械臂、變位基板總成、焊接總成、溫控探頭、CCD監(jiān)控器、控制面板等部件；變位基板總成包括一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)、一級(jí)變位支承側(cè)、二級(jí)變位機(jī)、打印基板等部件；焊接總成包括焊接電源、送絲機(jī)、焊槍、貯氣瓶等部件。

所述六軸機(jī)械臂、變位基板總成、焊接總成固連接于封閉機(jī)箱的底板上；所述溫控探頭固定連接于六軸機(jī)械臂的末端；所述CCD監(jiān)控器固定連接于封閉機(jī)箱的成型室一側(cè)；所述控制面板嵌裝于封閉機(jī)箱的前側(cè)；所述二級(jí)旋轉(zhuǎn)變位機(jī)的兩端分別固定連接于一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)和一級(jí)變位支承側(cè)（該雙端固定結(jié)構(gòu)相比于懸臂結(jié)構(gòu)在打印大尺寸構(gòu)件時(shí)更穩(wěn)固）；所述打印基板固定連接于二級(jí)變位機(jī)上；所述送絲機(jī)固定連接于控制室中的焊接電源之上；所述焊槍固定連接于六軸機(jī)械臂的末端；所述貯氣瓶固定安裝于封閉機(jī)箱的氣瓶室；所述送絲機(jī)通過(guò)導(dǎo)絲管與焊槍連接；所述貯氣瓶通過(guò)高壓氣動(dòng)軟管與焊槍連接。

所述封閉機(jī)箱將整個(gè)成型機(jī)統(tǒng)與外界隔離，為成型過(guò)程提供穩(wěn)定環(huán)境。封閉機(jī)箱內(nèi)部分隔出成型室、控制室和氣瓶室，使各功能模塊相對(duì)獨(dú)立并便于維護(hù)；所述六軸機(jī)械臂按照預(yù)先設(shè)定好的成型路徑完成打印過(guò)程的運(yùn)動(dòng)；所述變位基板總成實(shí)現(xiàn)已成型部分的雙向旋轉(zhuǎn)位置變換，以進(jìn)行下一區(qū)域的打印成型（因?yàn)殡娀∪廴诙逊e方式在打印時(shí)受重力影響，熔池必須有效的附著在已成型表面，故而打印的傾斜度只能在一定范圍內(nèi)（一般與豎直夾角不大于45度），所述雙向旋轉(zhuǎn)變位方案彌補(bǔ)無(wú)旋轉(zhuǎn)變位打印基板無(wú)法打印復(fù)雜模型的不足）；所述焊接總成實(shí)現(xiàn)絲材的穩(wěn)定弧焊堆積；所述溫控探頭對(duì)已成型部分的上表面溫度進(jìn)行檢測(cè)并反饋到控制面板中進(jìn)行打印節(jié)拍控制；所述CCD監(jiān)控器對(duì)成型室打印狀態(tài)進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)測(cè)，特別是成型過(guò)程的檢測(cè)，以在線調(diào)整工藝參數(shù)及處理異常情況；所述控制面板集中顯示設(shè)備各部的工作狀態(tài)及進(jìn)行輸出操作指令；所述變位基板總成中的一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)與一級(jí)變位支承側(cè)組成一級(jí)變位機(jī)，一級(jí)變位機(jī)實(shí)現(xiàn)打印基板的一級(jí)旋轉(zhuǎn)位置變換，一級(jí)變位驅(qū)動(dòng)側(cè)為一級(jí)變位機(jī)提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，一級(jí)變位支承側(cè)為一級(jí)變位機(jī)提供遠(yuǎn)端支承；所述二級(jí)變位機(jī)實(shí)現(xiàn)打印基板的二級(jí)旋轉(zhuǎn)位置變換；所述打印基板具備強(qiáng)制冷卻和主動(dòng)加熱的功能(打印開(kāi)始時(shí)，為降低熔滴與基板的溫度差，增強(qiáng)熔滴與基板的融合度，需要對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱；打印到一定層高時(shí)（一般10層左右），由于已成型部分熱量的逐層累積效應(yīng)，造成已打印表層的溫度過(guò)高而無(wú)法及時(shí)冷卻，進(jìn)而出現(xiàn)熔滴流淌，此時(shí)需要等待已打印表層的溫度降至合適溫度才能繼續(xù)打印，而通過(guò)基板的強(qiáng)制冷卻功能可減少層間等待時(shí)間，提高成型效率)，為打印過(guò)程提供成型基礎(chǔ)；所述焊接總成中的焊接電源實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程中的焊接電流、電壓參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；所述送絲機(jī)為打印過(guò)程提供穩(wěn)定的絲材輸送；所述焊槍作為絲材、保護(hù)氣體及電路線纜的輸出端口；所述貯氣瓶為打印成型過(guò)程提供壓力保護(hù)氣體，即高純氬氣或者CO₂保護(hù)氣。

具體實(shí)施過(guò)程：將預(yù)先設(shè)定好的模型打印路徑輸入至控制面板中，執(zhí)行打印，六軸機(jī)械臂按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行逐層打印運(yùn)動(dòng)。由于弧焊法3D打印過(guò)程的成型起點(diǎn)（起?。┖徒K點(diǎn)（熄?。┏尚托Чy于控制，成型尺寸存在隨機(jī)性，若將起弧和熄弧點(diǎn)設(shè)置在所需的打印本體內(nèi)，則易形成內(nèi)部缺陷，因而打印路徑的設(shè)定不同于公知的電子束或激光鋪粉的路徑設(shè)定，具體方案是：將每層打印的起弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)設(shè)置在所需打印本體之外，以保證所需部分的質(zhì)量。打印過(guò)程中，焊接電源及送絲機(jī)根據(jù)打印運(yùn)動(dòng)的加減速變化及成型的斷續(xù)情況實(shí)時(shí)調(diào)整電壓、電流、送絲干伸長(zhǎng)等參數(shù)。待打印完成一層后，溫控探頭檢測(cè)已成型部分上表面的溫度并反饋至控制面板中，控制面板將檢測(cè)溫度參數(shù)與預(yù)設(shè)溫度比較來(lái)控制下一層打印的起始時(shí)間。打印過(guò)程中，CCD監(jiān)控器對(duì)已成型部分的上表面進(jìn)行掃描捕捉，控制面板根據(jù)捕捉的圖像判斷是否對(duì)打印層高缺陷進(jìn)行補(bǔ)償。打印過(guò)程中，打印基板根據(jù)工藝要求對(duì)已成型部分進(jìn)行強(qiáng)制冷卻或主動(dòng)加熱。待打印一個(gè)位置區(qū)域的模型后，變位基板總成根據(jù)預(yù)設(shè)的模型打印路徑變換位置，以進(jìn)行下一區(qū)域的打印成型。以上過(guò)程反復(fù)進(jìn)行即可完成整個(gè)零件模型的打印。

在圖中，焊槍安裝在六軸機(jī)器人上，視覺(jué)監(jiān)控儀與攝像頭通過(guò)數(shù)據(jù)線纜連接，溫度監(jiān)控儀與溫度傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線纜連接，焊機(jī)電源與惰性氣體瓶通過(guò)軟管連接，焊槍與焊機(jī)電源通過(guò)專用線纜連接，基板通過(guò)螺栓固定在旋轉(zhuǎn)變位機(jī)上。

打印工作開(kāi)始前，先將設(shè)定好的工作路徑輸入六軸機(jī)器人，然后預(yù)熱基板至200℃，隨后開(kāi)始打印。六軸機(jī)器人帶動(dòng)焊槍沿著設(shè)定的路徑以6mm/s的速度移動(dòng)，焊機(jī)電源設(shè)定焊接電流150A、電壓20V、送絲速度6m/min，控制焊槍將焊絲熔融后逐層堆積到基板上。溫度監(jiān)控儀和視覺(jué)監(jiān)控儀同步監(jiān)控打印層的層間溫度和形貌，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)打印過(guò)程中電流、電壓、送絲速度、行走速度等各種打印參數(shù)。

與傳統(tǒng)壓鑄方法對(duì)比，該方法無(wú)需提前制作壓鑄模具，節(jié)省了大量的成本和工時(shí)，后續(xù)雖然需要增加機(jī)械加工，但是其成本與工時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓鑄模具的制造。與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法對(duì)比，該方法無(wú)需提前準(zhǔn)備大尺寸的金屬板材，只需要使用同種型號(hào)的線材，大大節(jié)省了材料準(zhǔn)備時(shí)間，同時(shí)提高了材料利用率。