一种3D打印设备及方法与流程

本发明涉及3D打印技术领域，更为具体地，是一种使用热熔性固体作为输入材料的3D打印设备及方法。

背景技术：

3D打印技术集成了计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、粉末冶金和热熔覆沉积加工等多项技术。3D打印基本原理是利用计算机辅助设计CAD的三维实体模型生成切片和沉积熔池移动轨迹数据，高能热源在被加工零件的外形表面产生移动熔池，合金粉末被输送装置不断送入到熔池中熔化、随着热源的移动熔融态合金快速冷却凝固形成增加的固态合金，在计算机控制下高能源和加工工作台按预设方式和轨迹线运动，由多条线沉积成层，又由多层堆积形成立体部件。通过选择合适的高能热源控制加工工艺窗口，可以对成形组织进行选择和控制，最终获得特定力学性能的金属零件。3D金属打印技术可以用于工模具制造与修复、涡轮叶片修复、工件的快速原型制造等。通常3D金属打印技术被认为，是作为传统制造方法和材料加工的补充，适合高端钛合金、价格昂贵或外形复杂的传统方法难加工的零部件。但是，传统的3D金属打印技术存在以下问题。

(1)传统的3D打印技术必须依靠粉末材料，但是，大多数材料熔覆效率较低，加工速度缓慢，比如金属粉末材料等。

(2)可用的粉末合金材料种类和牌号少，使用于3D打印的材料受限，而且价格昂贵。

因此，如何增加3D打印原材料的种类和来源、提高加工效率、增强打印质量、降低3D打印成本成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和研究重点。

技术实现要素：

为解决现有3D打印技术存在材料来源较少、加工效率低和价格昂贵等问题，本发明提供了一种3D打印设备及方法，将搅拌摩擦焊的机理应用于3D打印技术上，从而达到提高加工效率、增加材料来源和降低加工成本等技术目的。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种3D打印设备，该设备包括自动送料机构、控制机构、驱动机构，控制机构分别与自动送料机构、驱动机构连接；该设备还包括搅拌摩擦焊机构，搅拌摩擦焊机构分别与驱动机构、控制机构连接。

本发明利用搅拌摩擦焊接机理形成凸起的、可控的焊缝，为基于摩擦搅拌增材制造的3D打印设备和其它需要焊缝饱满的应用奠定了基础，本发明提高了增材制造材料堆焊效率，拓展了3D金属打印材料来源、降低了材料和增材加工的成本。

进一步地，自动送料机构包括焊材仓，焊材仓内装有型材。

进一步地，搅拌摩擦焊机构包括动力输入轴、传动轴、左驱动轴及右驱动轴；动力输入轴齿轮连接传动轴，传动轴齿轮连接右驱动轴，右驱动轴固接右万向接头，右万向接头固接右刀柄，右刀柄夹持右搅拌头；动力输入轴齿轮连接左驱动轴，左驱动轴固接左万向接头，左万向接头固接左刀柄，左刀柄夹持左搅拌头；搅拌摩擦焊机构具有通过螺栓连接的上盖和下盖，左搅拌头和右搅拌头自下盖的下侧伸出，左搅拌头和右搅拌头对称设置且二者旁侧安装有微锻机构。

进一步地，左搅拌头和右搅拌头旁侧还安装有辅助热源装置，辅助热源装置上安装有能量调节器。本发明为搅拌摩擦焊增加了辅助热源，提高搅拌摩擦复合热源的工作效率。

进一步地，自动送料机构还包括步进电机、送料驱动齿轮，送料驱动齿轮包括主动轮和从动轮，步进电机固接主动轮、带动主动轮旋转，自焊材仓出来的V形焊材从主动轮和从动轮之间的缝隙通过；该设备还包括用于3D零件堆焊的打印底板，动力输入轴垂直于打印底板，左刀柄或右刀柄与动力输入轴之间具有夹角。

本发明解决了搅拌摩擦焊的材料自动连续送料、填充型材的动态夹持和自动堆焊等问题。

进一步地，驱动机构为马达，控制机构与马达连接，马达的输出轴与动力输入轴齿轮连接。

进一步地，微锻机构包括振动仪、推杆及锤头，振动仪连接推杆，推杆与锤头固接。

进一步地，控制机构包括两两之间通过工业CAN网络总线连接的工控机、数控机床或机器人控制器、时钟控制器、送料控制放大器、搅拌摩擦焊控制放大器、振动控制放大器、辅助热源控制放大器，送料控制放大器通过电缆连接步进电机，搅拌摩擦焊控制放大器通过电缆连接马达，振动控制放大器通过电缆连接振动仪，辅助热源控制放大器通过电缆连接辅助热源装置；控制机构均与通有24V直流电的电源线连接，连接搅拌摩擦焊控制放大器和马达的电缆为反馈信号线。本发明具有工业CAN自动控制网络，可统一协协调、控制各部分机电设备，使焊接质量得到保障。

本发明另一个发明目的在于提供一种3D打印方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，控制机构运行；

步骤2，控制机构控制自动送料机构供给型材；

步骤3，利用搅拌摩擦焊机构焊接型材、打印出3D产品。

本发明的3D打印方法创新地结合了搅拌摩擦增材制造方法，达到了材料性能复合强化的目的，该方法可在增材过程中获得V字型网状焊缝堆焊组织结构，并可对结构实施微锻压变形强化和快速冷却处理，与传统热处理方法结合后，本发明可达到提升增材制造的零部件综合材料力学性能的目的。

进一步地，3D产品横截面具有V形网状焊缝。这种焊缝可确保增材支撑的3D产品横截面被填满，解决了增材零件分层切片和焊缝设计编排的问题，可有效杜绝堆焊缺陷。

进一步地，控制机构包括工控机、数控机床或机器人控制器，工控机根据待打印3D产品自动生成控制搅拌摩擦焊机构工作的控制程序，控制程序、数控机床或机器人控制器内的G代码同时运行。

控制程序、数控机床或机器人控制器内的G代码同时运行，保证了两个搅拌头中心线的连线与前进方向相垂直，使装置在堆焊圆弧或堆焊直线时与数控机床或机器人的工况相一致，保证了堆焊质量。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将搅拌摩擦焊技术应用于3D打印上，通过增材制造加工的方式实现3D产品打印，本发明具有材料来源广泛、打印速度快、打印效率高、耗能少、打印成本低、应用面宽、绿色环保、自动化网络化水平高等优点。本发明所制的产品工艺属于半固态成型，杜绝了熔化金属冷却带来的问题，其具有综合力学性能好、价格低、质量好等优点。

(2)本发明还克服了搅拌摩擦焊增材制造在工艺方面存在的不足，不仅继承了传统摩擦搅拌焊的优良特性，而且本发明无需繁重固定夹具对每层增材装夹的限制，拓展了增材制造材料来源，提高了堆焊效率和材料利用率,为实现搅拌摩擦焊增材应用的自动化、数字化及网络化奠定了基础。

附图说明

图1为本发明打印设备的结构示意图。

图2为本发明打印状态示意图。

图3为送料主动轮、从动轮输送V形型材时的状态示意图。

图4为同步控制程序流程示意图。

图中，

1、步进电机；2、送料驱动齿轮；3、打印底板；4、右搅拌头；5、锤头；6、左搅拌头；7、推杆；8、振动仪；9、左刀柄；10、左万向接头；11、数控机床或机器人控制器；12、时钟控制器；13、搅拌摩擦焊控制放大器；14、工业CAN网络总线；15、电源线；16、马达；17、反馈信号线；18、左驱动轴；19、动力输入轴；20、传动轴；21、右驱动轴；22、上盖；23、下盖；24、右万向接头；25、右刀柄；26、辅助热源装置；27、能量调节器；28、送料控制放大器；29、辅助热源控制放大器；30、焊材仓；31、振动控制放大器；32、工控机。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明3D打印设备和打印方法进行详细的解释和说明。

如图1所示，本发明公开了一种3D打印设备，利用搅拌摩擦焊技术进行增材制造、实现3D产品打印的目的，该设备包括自动送料机构、控制机构、驱动机构，自动送料机构用于原材料的自动连续输送，控制机构分别与自动送料机构、驱动机构连接；该打印设备还包括搅拌摩擦焊机构，搅拌摩擦焊机构实现对连续送料的动态夹持，实现对金属等型材的挤压、摩擦生热、细磨搅拌、半固态金属锻压、快速热扩散冷却，通过该机构两轴同时搅拌摩擦送入材料形成凸起的、搅拌摩擦增材制造所需要的堆焊焊缝，搅拌摩擦焊机构分别与驱动机构、控制机构连接，通过凸起的焊缝，再利用CAD的切片数据生成多道堆焊路径或轨迹，多条路径或轨迹形成层片，多层片形成具有外形结构的3D产品。

搅拌摩擦焊机构包括动力输入轴19、传动轴20、左驱动轴18及右驱动轴21；动力输入轴19齿轮连接传动轴20，传动轴20齿轮连接右驱动轴21，右驱动轴21固接右万向接头24，右万向接头24固接右刀柄25，右刀柄25夹持右搅拌头4；动力输入轴19齿轮连接左驱动轴18，左驱动轴18固接左万向接头10，左万向接头10固接左刀柄9，左刀柄9夹持左搅拌头6，搅拌摩擦焊机构具有通过螺栓连接的上盖22和下盖23，左搅拌头6和右搅拌头4自下盖23的下侧伸出；左搅拌头6和右搅拌头4对称设置且二者旁侧安装有微锻机构，微锻机构可对堆焊材料进行微锻变形强化和快速冷却处理，提高材料性能和指标，提高增材制造材料的综合力学性能。

更为具体来说，微锻机构包括振动仪8、推杆7及锤头5，振动仪8连接推杆7，推杆7与锤头5固接，本发明的振动仪8是一种微锻振动源，可选用超声振动、变频电机或电磁振动来激发微锻机构部件机械震动，其振动方向沿机床主轴方向，振动频率和振幅可由工控机32程序控制，振动控制放大器31接到控制指令后，振动控制放大器31通过电缆将振动放大后信号传送到微锻频率振动源，通过推杆7将机械振动传递到锤头5，锤头5沿机床主轴方向上下移动对刚堆焊的材料实施快速锻压，锤头5还可根据堆焊材料的用途设计成不同的形状，以更好满足堆焊锻压材料内部流线和形状走向的需要；振动源选用超声时，如可将振动控制放大器31作为超声波发生器，产生的高频信号，将振动源作为超声波换能器，推杆7和锤头5作为超声波换能器振子并设计成共振源，使换能器与振动头一起产生高频共振，此时微锻效果明显，本发明通过微锻机构实现对堆焊材料的锻压。根据热塑性成型理论，金属材料在锻压条件下，如热锻、温锻或冷锻条件下，可使组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属的致密度，还可使粗大的树枝晶通过变形和在结晶的过程而变成较细的晶粒，打碎杂质并使其分布均匀，这些材料组织缺陷的消除会使材料的性能得到明显改善，使位错密度升高，晶粒得到细化，使阻碍位错滑移能力增强，强度和硬度升高，塑性和韧性有所下降；在锻压过程中金属的偏析、夹杂物、第二相和晶界等沿变形方向延展，在宏观上形成了一个个堆叠的金属线条，这种组织也称为纤维组织，它使金属呈现各向异性，顺着纤维方向强度高，而垂直于纤维的方向上强度较低。

本发明除了采用摩擦搅拌热源以外，左搅拌头6和右搅拌头4旁侧还安装有辅助热源装置26，辅助热源装置26可采用激光、电子束或离子束等作为热源能量，以提高搅拌摩擦焊的增材制造效率，辅助热源装置26上安装有能量调节器27，能量调节器27可根据需要被相应程序控制。辅助热源装置26用于填充材料的辅助加热，辅助热源可选择激光、电子束和等离子体等，辅助热源可增加堆焊效率。辅助热源装置26由辅助热源控制放大器29、辅助热源驱动控制电缆与辅助热源构成，工控机32通过CAN网络总线与辅助热源控制器网络连接，辅助热源控制放大器29负责执行工控机32启动或停止加热的指令，与其连接的辅助热源物理上起到对堆焊材预先加热或不加热的作用。

搅拌摩擦焊机构具有通过螺栓连接的上盖22和下盖23，上盖22内部采用了轴承滚动连接和螺接技术，将动力输入轴19、传动轴20、左驱动轴18及右驱动轴21组装为一体，下盖23内部也采用了轴承滚动连接和螺接技术，将左万向接头10、左刀柄9、左搅拌头6、右万向接头24、右刀柄25、右搅拌头4组装为一体，左搅拌头6和右搅拌头4自下盖23的下侧伸出。

如图2所示，具体工作时，左搅拌头6和右搅拌头4同时下压，将从自动送料机构送来的金属等型材缓慢地压在堆焊底板上，动力输入轴19沿逆时针方向旋转、带动左驱动轴18顺时针方向旋转、带动传动轴20顺时针方向旋转，传动轴20带动右驱动轴21逆时针方向旋转；左驱动轴18顺时针方向旋转带动左万向接头10顺时针方向旋转，左万向接头10带动左刀柄9顺时针旋转，右驱动轴21逆时针方向旋转带动右万向接头24逆时针方向旋转，右万向接头24带动右刀柄25逆时针方向旋转，两个搅拌轴对称逆向旋转，一个搅拌轴顺时针旋转、另一个搅拌轴逆时针旋转，完成对所加焊料的动态夹持、摩擦挤压、搅拌微锻，实现零部件的焊接或者堆焊。该设备还包括打印底板3，动力输入轴19垂直于打印底板3，为了避免所填型材等焊料在搅拌摩擦时偏移，左刀柄9或右刀柄25与动力输入轴19之间具有夹角，推荐的夹角为45度或者30度或者15度，或者3至5度。当左搅拌头6、右搅拌头4对称压紧堆焊型材后，根据焊接需要也可以直接焊、不添加焊料，这时焊缝比常规摩擦搅拌焊缝宽一点，随着与机床主轴直接相连接的搅拌摩擦焊机构进一步快速转动并缓慢下压、摩擦、搅拌，摩擦工具头、填料与底板之间发生了相对运动，激烈摩擦生热物理现象，产生的热量迅速增加可使金属软化，左搅拌头6、右搅拌摩碎了焊核中心的金属结晶、杂质，在其周围产生了一个低于熔点的热塑区，当金属处于热塑性状态下时即满足了左搅拌头6、右搅拌头4的移动条件，机床的振动和辅助的微锻机构可对处于热塑凝固状态的金属进行微锻变形强化，微锻机构的微锻头也可以设计成不同的形状，经过微锻可使热塑区的材料迅速冷却下来，而且具有一定的形状，另外由于两个搅拌头之间具有一定的夹角，填充型材也有一定的形状，工作状态下左搅拌头6、右搅拌头4移动过后面会留下一条凸起的具有外形的焊缝。

自动送料机构包括焊材仓30、步进电机1、送料驱动齿轮2、送料控制放大器28、电缆等，用于原材料的存放和定时定量输送，焊材仓30内装有型材，如图3所示，送料驱动齿轮2包括设于上部的主动轮、下部的从动轮，中间为V形型材，本实施例中，主动轮形状与V形型材匹配，步进电机1固接主动轮、带动主动轮旋转，自焊材仓30出来的V形焊材从主动轮和从动轮之间的缝隙通过，在打印底板3上进行3D零件的堆焊，动力输入轴19垂直于打印底板3，左刀柄9或右刀柄25与动力输入轴19之间具有一定的夹角。工控机32根据当前堆焊速度向送料控制放大器28发出实时送料指令，送料控制放大器28根据工控机32发出脉冲的频率调节送料的快慢，达到程序化送料的功能，通过送料驱动控制电缆向步进电机1传输驱动电流信号，主动轮在步进电机1主轴旋进力的作用下带动型材和从动轮一起运动，主动轮上具有金属齿，用于增加与型材之间的摩擦力。本发明的型材可为固态合金材料，包括铝镁合金、铜合金、钛合金、钢材或者热熔性复合梯度材料等。

驱动机构为马达16，控制机构与马达16连接，它的输出轴与动力输入轴19齿轮连接，用于搅拌摩擦焊机构双轴的实时旋转驱动。

控制机构包括两两之间通过工业CAN网络总线14连接的工控机32、数控机床或机器人控制器11、时钟控制器12、送料控制放大器28、搅拌摩擦焊控制放大器13、振动控制放大器31、辅助热源控制放大器29，以形成用于连接工控机32和各个智能控制器的CAN控制网络，完成网络内设备的信息传送，如送料、旋转、堆焊、微锻和辅助等命令的发送。送料控制放大器28通过电缆连接步进电机1，搅拌摩擦焊控制放大器13通过电缆连接马达16，振动控制放大器31通过电缆连接振动仪8，辅助热源控制放大器29通过电缆连接辅助热源装置26；控制机构均与通有24V直流电的电源线15连接，连接搅拌摩擦焊控制放大器13和马达16的电缆为反馈信号线17，在CAN控制网络的控制下，实现本发明3D打印设备的自动送料、堆焊、实时旋转、辅助加热、微锻及快速冷却等过程的计算机控制。通过时钟控制器12，搅拌摩擦焊机构的实时旋转与数控设备上的坐标移动相匹配，工控机32运行的搅拌摩擦焊机构实时旋转控制程序需要读入数控设备上主轴XY平面上移动的坐标脉冲，根据脉冲当量换算成坐标数据，这个过程是通过读取旋转脉冲同步时钟实现的，在时钟控制器12作用下，该同步时钟最少由两个坐标轴的光电编码或光栅尺构成。工控机32通过读取坐标同步数据可判断当前刀位点和执行的是第几段CAM的G代码对应的走刀速度，以便于通过CAN网络总线向送料驱动控制放大器发送料驱动速度指令，在此形成的放大驱动脉冲经由送料驱动控制电缆到达送料步进驱动电机，达到增材堆焊微锻加工速度能与该段送料速度相匹配的效果。

需要强调的是，本发明搅拌摩擦焊机构采用双轴对称逆向旋转摩擦搅拌模式，焊缝需要转弯时，整体机构也要刚体转动，本发明实施其刚体旋转的部件可称为双轴堆焊旋转机构，用于实现双轴堆焊机构焊接曲线时整体机构的旋转，当搅拌摩擦焊机构接收到工控机32通过CAN网络总线传来的旋转指令时，机构旋转驱动电缆将步进放大电流输送给旋转驱动马达16，使双轴堆焊机构旋转驱动马达16和齿轮同轴转动，它带动了导向齿轮的转动，也进一步带动了双轴堆焊机构的刚体转动，双轴堆焊光电编码器反馈信号线17将实时闭环反馈信息又通过工业CAN网络总线14回传给工控机32，为工控机32实现双轴堆焊机构整体闭环转动提供了条件，或者，通过与旋转角度指令比较计算出半闭环的补偿量，增加到下一个旋转循环指令中，以达到整个旋转机构精确控制的目标，闭环返馈信号的接收为双轴堆焊机构的闭环工业控制软件的运行提供硬件环境支撑。

本发明还公开了一种3D打印方法，用于强化打印出的3D产品的材料力学性能。该方法具体包括如下步骤：

步骤1，控制机构运行；

步骤2，控制机构控制自动送料机构供给型材；

步骤3，利用搅拌摩擦焊机构焊接型材、打印出3D产品。该3D产品横截面具有V形网状焊缝，具体地，本发明实现了增材零部件横截面焊缝规划，形成了双V网状织构的焊缝。

控制机构包括工控机32和数控机床或机器人控制器11，工控机32根据待打印3D产品自动生成控制搅拌摩擦焊机构工作的控制程序，该控制程序用于搅拌摩擦焊双轴堆焊机构实时旋转，控制程序与数控机床或机器人控制器11内的G代码同时运行，通过数控机床或机器人控制器11和工控机32，保证搅拌摩擦焊机构与数控机床主轴的移动方向保持一致。图1中B方向表示为搅拌摩擦焊机构移动方向，A方向表示为与焊缝垂直的方向。

如图4所示，下面给出一种同步控制程序流程：

1170扫描模块：从1140扫描读入一行G代码；

1180判断模块：是G代码文件结束程序段吗？如果是转向1150：处理；如果是G代码文件的第一行则打开实时旋转控制程序输出句柄；如果不是则继续以下面程序；

1190转换模块：坐标系换算，将当前刀位点换算成机床绝对坐标值；

1100判断模块：判断当前程序段是直线(G01)还是圆弧(G02、G03)程序段？

如果是直线转向1110直线处理模块：直线(G01)程序段处理，读取直线段(开始点、结束点)数据，转向1130处理；

如果是圆弧转向1120圆弧处理模块：圆弧(G02、G03)处理，读取圆弧数据(圆心、半径、开始点和结束点)，转向1130模块处理；

1130后置处理模块：将1110或1120模块读取的G代码文件的数据转换成实时旋转控制程序所需要的数据，包括：行开始符、对应当前程序段号、数控坐标点的光电编码器的脉冲数、变化范围，旋转当量角、角度变化范围，行结束符等；

1140存储模块：提供G代码文件的物理存储介质和程序读出运行环境；

1160文件输出模块：对1130后置处理内容进行文件封装，包括：行开始符、对应当前程序段号、数控坐标点的光电编码器的脉冲数、变化范围，旋转当量角、角度变化范围，行结束符等，输出一行段实时旋转程序段，然后转到1170；

1150结束模块：结束处理，存储文件结束符，关闭实时旋转控制程序，程序运行结束。

它的主要功能是逐行扫描读入G代码、记录程序段、将当前刀位点坐标系换算成机床绝对坐标值，判断是直线还是圆弧程序段，然后分别进行处理，取出程序处理需要的坐标值，换算成光电编码器的脉冲数和对应每个程序段整个工具头的旋转值，最后输出实时旋转角控制程序文件，以备堆焊时在工控机32中与CNC数控机床的控制系统G代码文件同时运行，包括对应G代码程序段的行开始符、对应当前程序段号、数控坐标点的光电编码器的脉冲数、变化范围，旋转当量角、角度变化范围，行结束符等，直到G代码文件结束为止。本发明所提供的增材方法的最后环节，就是在CNC数控机床与工控机32上同时运行预先编好的数控程序与本装置实时旋转控制程序，分层具体实现零部件外形的堆焊。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。