一种零件增材成形装置和系统的制作方法

1.本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种零件增材成形装置和系统。

背景技术：

2.增材制造技术俗称3d打印技术，其中最常见的为金属的增材制造，在航空、航天、汽车、模具等领域有着越来越大的应用需求。基本原理是通过激光热源将金属材料按照设定好的路径，以逐点成线，逐线成面，逐面成体的方式熔化-凝固，堆积成所需的零件。
3.传统的增材制造装置，只能对增材制造过程中的熔池或者已成形好的零件表面进行相应的测量，并不能实现对成形过程中的信息进行采集。因此，无法对零件成形过程中出现的缺陷进行全面的分析、控制和修补。

技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种零件增材成形装置和系统，用于实时监测零件增材成形过程中的成形参数，以对零件成形过程中出现的缺陷进行全面的分析、控制和修补，提升零件的增材成形效果。
5.为了实现上述目的，第一方面，本实用新型提供一种零件增材成形装置，包括承载架、热源供给机构、原料输送机构和监测机构。其中，热源供给机构随动地设置于承载架，热源供给机构用于提供热源。原料输送机构随动地设置于承载架，原料输送机构用于提供原料。热源将原料融化，以使原料逐层堆叠成形零件。监测机构随动地设置于承载架，监测机构用于实时监测原料堆叠成形零件的过程中的增材位置的成形参数。
6.采用上述技术方案时，本实用新型提供的零件增材成形装置包括热源供给机构和原料输送机构，热源供给机构用于提供热源，原料输送机构用于提供原料，且热源供给机构提供的热源将原料输送机构提供的原料融化，融化后的原料堆叠成形零件。零件增材成形装置还包括承载架，且热源供给机构和原料输送机构均随动地设置于承载架，使得热源供给机构和原料输送机构在承载架的带动下能够将融化后的原料，按照预设的增材路径堆叠成形零件。不仅如此，零件增材成形装置还包括监测机构，监测机构随动地设置于承载架，用于实时监测原料堆叠成形零件的过程中的增材位置的成形参数，以实时获取增材位置的成形参数，便于对零件成形过程中可能出现的缺陷进行全面的分析、控制和修补，提升零件的增材成形效果。
7.第二方面，本实用新型还提供一种零件增材成形系统，包括控制模块和第一方面所描述的零件增材成形装置，控制模块与零件增材成形装置通信连接，用于控制零件增材成形装置成形零件。
8.在一种可能的实现方式中，零件增材成形系统还包括通信及数据处理模块，通信及数据处理模块用于接收并处理监测机构输出的成形参数信号。
9.采用上述技术方案时，控制模块与零件增材成形装置通信连接，用于控制零件增材成形装置成形零件。通信及数据处理模块用于接收并处理监测机构输出的成形参数信
号。实际情况下，通信及数据处理模块与零件增材成形装置的监测机构的扫描仪和摄像机通信连接，用于接收扫描仪和摄像机所获取的增材位置的成形参数，并将所接收到的成形参数与预设成形参数对比、分析，得出缺陷位置的缺损模型的增材策略，之后，控制模块控制零件增材成形装置对零件成形过程中出现的缺陷进行修补，提升零件的增材成形效果。控制模块还与热源供给机构通信连接，用于控制热源供给机构所提供的热源的功率以及启停。控制模块还与原料输送机构通信连接，用于控制原料输送机构所提供的原料的速率以及启停。
附图说明
10.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
11.图1为本实用新型实施例提供的零件增材成形系统的结构示意图；
12.图2为本实用新型实施例提供的扫描仪的结构示意图。
13.附图标记：
14.10—承载架，20—热源供给机构，30—原料输送机构，40—监测机构，
15.41—扫描仪，411—扫描相机，412—指示灯，413—固定孔，42—摄像机，
16.50—控制模块，60—通信及数据处理模块。
具体实施方式
17.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
18.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
19.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
20.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
21.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而
言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
22.增材制造技术俗称3d打印技术，其中最常见的为金属的增材制造，在航空、航天、汽车、模具等领域有着越来越大的应用需求。基本原理是通过激光热源将金属材料按照设定好的路径，以逐点成线，逐线成面，逐面成体的方式熔化-凝固，堆积成所需的零件。
23.金属丝材增材制造技术按热源类型可分为三类：激光丝材增材制造、电子束丝材增材制造和电弧丝材增材制造。
24.现有技术中，对于大型结构零件的增材成形过程中存在以下技术瓶颈，包括：
25.(1)大型结构件增材成形过程中温度不均匀易导致变形。
26.由于大型结构件的形状复杂散热条件差异大，成型过程中会产生很大的热应力，从而导致增材成形的零件变形。
27.(2)增材过程塌陷导致误差累积。大型结构件尺寸较大，抵抗变形能力弱，等离子弧增材热量高、速度快，在增材成形过程中局部区域会存在一定塌陷。“边堆积，边塌陷”造成将要堆积的增材位置尺寸误差累积，如果预设的程序不能及时做出调整，容易造成塌陷处的气孔、未熔合等缺陷。需要研究基于轨迹实际位置的在线快速检测与跟踪补偿技术，解决大型结构件在成型过程中因塌陷变形导致缺陷的问题。
28.(3)大型结构件缺陷和性能差异。大型结构件增材成形过程中由于每层增材时间长和产品尺寸的差异化，导致各处温度差异产生内应力。多层堆积过程中产生冷热交替的内应力循环产生较多的热裂纹，增材路径的变化和尺寸的不同以及散热过程复杂，严重影响零件的内部组织。增材成型过程中冷速较快会形成局部与整体组织偏析且不利于氧化物的浮动从而形成夹杂合金元素的烧损使元素组成改变，导致大型结构件各处性能差异大。
29.传统的增材制造装置，只能对增材制造过程中的熔池或者已成形好的零件表面进行相应的测量，并不能实现对成形过程中的信息进行采集。因此，无法对零件(尤其是大型结构件)成形过程中出现的缺陷进行全面的分析、控制和修补。
30.鉴于此，为了解决上述现有技术中的问题，如图1所示，本实用新型实施例提供一种零件增材成形装置，包括承载架10、热源供给机构20、原料输送机构30和监测机构40。其中，热源供给机构20随动地设置于承载架10，热源供给机构20用于提供热源。原料输送机构30随动地设置于承载架10，原料输送机构30用于提供原料。热源将原料融化，以使原料逐层堆叠成形零件。监测机构40随动地设置于承载架10，监测机构40用于实时监测原料堆叠成形零件的过程中的增材位置的成形参数。
31.采用上述技术方案的情况下，本实用新型实施例提供的零件增材成形装置包括热源供给机构20和原料输送机构30，热源供给机构20用于提供热源，原料输送机构30用于提供原料，且热源供给机构20提供的热源将原料输送机构30提供的原料融化，融化后的原料堆叠成形零件。零件增材成形装置还包括承载架10，且热源供给机构20和原料输送机构30均随动地设置于承载架10，使得热源供给机构20和原料输送机构30在承载架10的带动下能够将融化后的原料，按照预设的增材路径堆叠成形零件。不仅如此，零件增材成形装置还包括监测机构40，监测机构40随动地设置于承载架10，用于实时监测原料堆叠成形零件的过程中的增材位置的成形参数，以实时获取增材位置的成形参数，便于对零件成形过程中可能出现的缺陷进行全面的分析、控制和修补，提升零件的增材成形效果。
32.具体实施时，在零件的增材成形过程中，首先获取零件的三维模型，以能够较为直
观的观察零件的结构，且便于后续的切片及加工成形。获得零件的三维模型后，根据三维模型确定并预先存储第一增材策略。根据零件的三维模型使用切片软件对模型进行切片，确定第一增材策略，并转换为stl格式文件或3mf格式文件，然后，将stl格式文件或3mf格式文件导入通信及数据处理模块60中的存储介质进行存储。根据第一增材策略，控制模块50控制本实用新型实施例提供的零件增材成形装置进行零件的增材成形。在零件的增材成形过程中，监测机构40实时监测原料堆叠成形零件的过程中的增材位置的成形参数。示例性地，成形参数可以包括增材位置的尺寸、形状、增材路径、熔池信息和未融合的原料。同时，监测机构40将所监测到的增材位置的成形参数输送至通信及数据处理模块60，通信及数据处理模块60根据所接收到的成形参数与目标结构信息相同位置的成形参数进行数据比对，并对第一增材策略进行更新，得到第二增材策略。根据第二增材策略，控制模块50控制零件增材成形装置进行零件的增材成形。从而可避免在成形过程中出现缺陷，提升零件的增材成形效果。
33.作为一种可能的实现方式，热源供给机构20为等离子弧供给机构。等离子弧供给机构能够对所提供的自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离。使得以等离子弧为热源的零件增材成形装置具有以下优点：(1)组织致密，最终力学性能好；(2)电弧直径小，方向性强，更容易控制零件成形尺寸；(3)弧压稳定，飞溅少，成形外观较好。等离子弧零件增材成形装置是最适合生产高性能大型结构制品的增材制造设备，在未来航空、航天、核电、石化、船舶等领域中的关键大型构件的增材制造方面具有巨大应用潜力。
34.在一种可选方式中，如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的监测机构40包括扫描仪41，设置于承载架10，扫描仪41用于监测成形参数的尺寸和形状。
35.具体实施时，扫描仪41可以为高精度尺寸扫描仪。如图2所示，扫描仪41上设置固定孔413，扫描仪41通过两个固定孔413固定安装在承载架10上，扫描仪41可随支架做四维运动，扫描仪41的测量精度不低于0.3mm，扫描速度10s以内，数据采集覆盖率达到100％，数据采集实时获取率达到95％，可自动、快速、高精度的识别出增材位置的尺寸和形状。
36.作为一种示例，扫描仪41包括扫描相机411，且扫描相机411的数量为两个，以便于较为全面的获取零件的增材位置的尺寸和形状。当然，扫描仪41的数量也可以为一个、三个或更多个，以能够全方位的获取零件的增材位置的尺寸和形状，且节约零件增材成形装置的成本为准，此处不作具体限定。
37.进一步地，扫描仪41还包括指示灯412，指示灯412用于显示扫描仪41的工作状态。以便于工作人员及时获取扫描仪41的工作状态，避免扫描仪41出现问题时，工作人员不能及时觉察出扫描仪41的工作状态，影响通信及数据处理模块60所接收到的成形参数，进一步影响零件的增材成形效果。示例性地，扫描仪41在正常工作状态下，指示灯412呈现绿。在扫描仪41出现故障时，指示灯412呈现红。
38.在一些实施例中，监测机构40还包括摄像机42，如图1所示，摄像机42设置于承载架10，摄像机42用于监测成形参数的增材路径和熔池信息。具体实施时，摄像机42可以为ccd等高速摄像机。进一步地，摄像机42的数量为多个，以便全方位的获取零件的增材位置的增材路径和熔池信息，当然，摄像机42的数量可以为一个。当摄像机42的数量为多个时，多个摄像机42沿承载架10的周向设置，摄像机42的数量可以为三个、四个或更多个。当摄像
机42的数量为两个或以上时，最好将其中的两个摄像机42分别设置在承载架10的沿增材路径延伸方向上的两侧，以能够全方位的获取零件的增材位置的增材路径和熔池信息为准，此处不作具体限定。
39.在一种可能的实现方式中，原料输送机构30为丝材输送机构或粉末输送机构。当原料输送机构30为丝材输送机构时，热源供给机构20将丝材输送机构所输送的金属丝材融化，并冷却堆积形成零件。当原料输送机构30为粉末输送机构时，热源供给机构20将粉末输送机构所输送的粉末融化，冷却堆积形成零件。如此，扩大了本实用新型实施例提供的零件增材成形装置的原料输送机构30的多样性，便于工作人员根据实际情况进行选择。在本实用新型提供的实施例中，如图1所示，原料输送机构30为丝材输送机构。
40.另外，本实用新型实施例还提供一种零件增材成形系统，包括控制模块50和上述的零件增材成形装置，控制模块50与零件增材成形装置通信连接，用于控制零件增材成形装置成形零件。
41.作为一种可能的实现方式，零件增材成形系统还包括通信及数据处理模块60，通信及数据处理模块60用于接收并处理监测机构输出的成形参数信号。
42.采用上述技术方案的情况下，控制模块50与零件增材成形装置通信连接，用于控制零件增材成形装置成形零件。实际情况下，通信及数据处理模块60与零件增材成形装置的监测机构40通信连接，用于接收增材位置的成形参数，并将所接收到的成形参数与预设成形参数对比、分析，得出缺陷位置的缺损模型的增材策略，之后控制模块50控制零件增材成形装置对零件成形过程中出现的缺陷进行修补，提升零件的增材成形效果。控制模块50还与热源供给机构20通信连接，用于控制热源供给机构20所提供的热源的功率以及启停。控制模块50还与原料输送机构30通信连接，用于控制原料输送机构30所提供的原料的速率以及启停。
43.具体地，在控制模块50根据第一增材策略控制零件增材成形装置成形零件的过程中，监测机构40所包括的摄像机42和扫描仪41实时监测零件成形过程中的增材位置的成形参数。通信及数据处理模块60与摄像机42通信连接，以接收摄像机42所获取的增材位置的增材路径和熔池信息。同时，通信及数据处理模块60与扫描仪41通信连接，以接收扫描仪41所获取的增材位置的尺寸和形状。通信及数据处理模块60将所接收到的成形参数中的增材位置的尺寸和形状与目标结构信息相同位置的尺寸和形状相对比，有差异时，控制模块50控制零件增材成形装置停止工作。通信及数据处理模块60将扫描仪41和摄像机42采集到的云点数据转化为曲面图形，同时将所接收到的成形参数中的增材位置的尺寸和形状与目标结构信息相同位置的尺寸和形状相对比，通过软件做布尔运算，精确得出缺陷位置和缺陷参数(尺寸和形状)，根据缺陷位置和缺陷参数，构建缺陷位置的缺损模型，之后，根据缺损模型，使用切片软件对缺损模型进行切片，确定缺损增材策略，转换为stl格式文件或3mf格式文件，然后，将stl格式文件或3mf格式文件导入通信及数据处理模块60的存储介质。通信及数据处理模块60对第一增材策略进行更新，得到第二增材策略。需要说明的是，第二增材策略包括缺损增材策略和零件的待成形部分的第一增材策略。根据缺损增材策略，控制模块50控制零件增材成形装置在缺陷位置进行缺损模型的增材成形，之后，控制模块50控制零件增材成形装置根据第一增材策略，继续进行零件的待成形部分的增材成形。
44.此外，本实用新型实施例提供的零件增材成形系统的有益效果与上述的零件增材
成形装置的有益效果相同，此处不作赘述。
45.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
46.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种零件增材成形装置，其特征在于，包括：承载架，热源供给机构，随动地设置于所述承载架，所述热源供给机构用于提供热源；原料输送机构，随动地设置于所述承载架，所述原料输送机构用于提供原料；所述热源将所述原料融化，以使所述原料逐层堆叠成形零件；监测机构，随动地设置于所述承载架，所述监测机构用于实时监测所述原料堆叠成形所述零件的过程中的增材位置的成形参数。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热源供给机构为等离子弧供给机构。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监测机构包括扫描仪，设置于所述承载架，所述扫描仪用于监测所述成形参数的尺寸和形状。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述监测机构还包括摄像机，设置于所述承载架，所述摄像机用于监测所述成形参数的增材路径和熔池信息。5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述扫描仪包括扫描相机，用于监测所述尺寸和所述形状。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述扫描仪还包括指示灯，用于显示所述扫描仪的工作状态。7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述摄像机的数量为多个，多个所述摄像机沿所述承载架的周向设置。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原料输送机构为丝材输送机构或粉末输送机构。9.一种零件增材成形系统，其特征在于，包括：如权利要求1至8任一项所述的零件增材成形装置；控制模块，与所述零件增材成形装置通信连接，用于控制所述零件增材成形装置成形零件。10.根据权利要求9所述的零件增材成形系统，其特征在于，所述零件增材成形系统还包括通信及数据处理模块，所述通信及数据处理模块用于接收并处理所述监测机构输出的成形参数信号。

技术总结

本实用新型公开一种零件增材成形装置和系统，涉及增材制造技术领域，用于实时监测零件增材成形过程中的成形参数，以对零件成形过程中出现的缺陷进行全面的分析、控制和修补，提升零件的增材成形效果。零件增材成形装置包括承载架、热源供给机构、原料输送机构和监测机构。其中，热源供给机构随动地设置于承载架用于提供热源。原料输送机构随动地设置于承载架用于提供原料。热源将原料融化，以使原料逐层堆叠成形零件。监测机构随动地设置于承载架，用于实时监测原料堆叠成形零件的过程中的增材位置的成形参数。零件增材成形系统包括控制模块和上述的零件增材成形装置，控制模块与零件增材成形装置通信连接，用于控制零件增材成形装置成形零件。成形装置成形零件。成形装置成形零件。