技术领域
[0001] 本
发明涉及金属3D打印技术领域领域，具体而言涉及一种砂型支撑复合式双龙门增材制造装备与打印方法。
背景技术
[0002] 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(Rapid Prototyping,RP)技术，近十年来在国内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打印技术解决了许多通
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。
[0003]
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。
[0004] 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
[0005] 本发明目的在于提供一种砂型支撑复合式双龙门增材制造装备与打印方法，旨在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。
[0006] 为实现上述目的，本发明使用的技术方案如下：
[0007] 砂型支撑复合式双龙门增材制造装备，包括：包括金属3D打印系统、砂型3D打印系统、双龙门机床、
工作台和控制系统，其中：
[0008] 所述双龙门机床具有一对底座，相对的底座上分别安装两组立柱，分别为第一立柱组和第二立柱组，第一立柱组和第二立柱组均被设置成可相对于底座滑动运动，并限定了滑动方向为X方向；
[0009] 所述第一立柱组上设置有第一横梁，横跨地安装到第一立柱组的两个立柱上，第一横梁被设置成沿着立柱所定义的竖直方向运动，并限定运动方向为Z方向；所述第一横梁上设置有第一连接板，被设置成可沿着第一横梁所定义的方向运动，并限定运动方向为Y1方向；
[0010] 所述第二立柱组上设置有第二横梁，横跨地安装到第二立柱组的两个立柱上，第二横梁被设置成沿着立柱所定义的竖直方向运动，并限定运动方向为Z方向；所述第二横梁上设置有第二连接板，被设置成可沿着第二横梁所定义的方向运动，并限定运动方向为Y2方向；
[0011] 所述工作台设置在双龙门机床的两个底座之间，构成增材制造的工作区域，并用于固定增材制造打印的基板；
[0012] 所述金属3D打印系统具有一用于在基板上进行金属3D打印的工作头；所述砂型3D打印系统具有一打印喷头，通过打印喷头将砂型粉末喷出以在所述基板上进行砂型3D打印，所述打印喷头和工作头并排并间隔开地固定到所述第一连接板上；
[0013] 所述第二连接板上固定有一压盘，所述压盘被设置成具有朝向基板下压的平面、用以
压实打印的
型砂粉末；
[0014] 所述控制系统被设置成与所述金属3D打印系统、砂型3D打印系统及双龙门机床分别电气连接，用于控制其运行，包括：通过控制两个立柱、两个横梁以及第一连接板和第二连接板的运动，使得第一连接板上的砂型3D打印系统的打印喷头在基板上打印砂型支撑与金属3D打印系统的工作头在基板上逐层打印金属零件和金属支撑的打印作业交替进行，其中每层砂型支撑打印后均通过所述第二连接板上的压盘进行压实操作。
[0015] 进一步的，所述金属3D打印系统为电弧熔丝3D打印系统，包括
焊枪、
送丝机、丝盘以及焊机电源，所述焊枪作为所述的工作头；所述丝盘内放置金属
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
热能从而融化金属焊丝至熔融状态，并在所述基板上进行金属3D打印。
[0016] 进一步的，所述电弧熔丝3D打印系统的焊枪与打印喷头的工作点等高。
[0017] 进一步的，所述金属3D打印系统为送粉式金属3D打印系统，包括送粉式激光加工头、光纤、
激光器和送粉器；所述送粉式激光加工头作为所述的工作头；送粉器被设置用于储存
金属粉末，通过所述送粉器将金属粉末输送至送粉式激光加工头的前端；激光器用于发射设定的高
能量密度的
激光束，通过所述光纤传输至送粉式激光加工头，并经过送粉式激光加工头内部的光学模
块准直、聚焦后融化金属粉末，进行送粉式金属3D打印。
[0018] 进一步的，所述送粉式激光加工头与打印喷头的工作点等高。
[0019] 进一步的，所述控制系统控制所述金属3D打印系统和砂型3D打印系统进行3D打印过程中，所述的第一层打印为通过砂型3D打印系统进行的型砂粉末的3D打印。
[0020] 进一步的，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。
[0021] 进一步的，所述X方向、Y1方向、Y2方向以及Z方向的运动均设置有运动导向机构。
[0022] 根据本发明的改进，还提出一种砂型支撑复合式双龙门增材制造装备的增材制造打印方法，包括：
[0023] 步骤1、控制所述砂型3D打印系统的打印喷头在所述基板上打印型砂支撑的第一层，层高H1，然后控制双龙门机床的第一立柱组和第一横梁离开工作区域；
[0024] 步骤2、控制双龙门机床的第二立柱组和第二横梁运动，使得第二连接板上的压盘对打印的型砂支撑进行压实，此时砂型支撑的层高变为k*H1，然后控制第二立柱组和第二横梁离开工作区域；
[0025] 步骤3、控制双龙门机床的第一立柱组和第一横梁运动，使得第一连接板上的工作头在基板上逐层打印出金属零件和金属支撑的第一层，层高H2＝k*H1；然后控制第一立柱组和第一横梁离开工作区域；
[0026] 步骤4、判断增材制造打印零件是否完成，如果未完成，则重复上述步骤1-3，交替使用两个3D打印系统逐层打印零件，并在每层的型砂支撑打印后使用压盘进行压实操作，直到完成打印作业。
[0027] 进一步的，所述方法更加包含打印完成后的分离处理，包括以下步骤：
[0028] 零件打印完成后，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,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。
[0029] 由以上本发明的技术方案可见，本发明的砂型支撑复合式双龙门增材制造系统的打印原理在于：同时具备电弧熔丝或者
激光熔覆的金属3D打印系统和砂型3D打印系统，事先规划好两个3D打印系统的运行轨迹，控制运动执行机构操作两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零件结构由金属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，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,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。
[0030] 同时，本发明使用双龙门床机构
基础，相较于多轴
机器人为基础的3D打印，在安全性上具备优势；同时本发明可以打印大尺寸金属零件，克服多轴机器人结构的打印尺寸受限于臂展约束。
[0031] 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0032] 结合
附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、
实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0033] 附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0034] 图1是本发明一个实施例的砂型支撑复合式双龙门增材制造装备的示意图，其中的金属3D打印系统为电弧熔丝3D打印系统。
[0035] 图2是本发明另一个实施例的砂型支撑复合式双龙门增材制造装备的示意图，其中的金属3D打印系统为送粉式3D打印系统。
[0036] 图3是本发明示例性实施例的打印零件的俯视图。
[0037] 图4是本发明示例性实施例的打印零件的剖视图。
具体实施方式
[0038] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0039] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0040] 结合图1、2所示的示例，本发明总体上提出一种砂型支撑复合式双龙门增材制造装备，同时具备电弧熔丝或者激光熔覆的金属3D打印系统和砂型3D打印系统，通过两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件和砂型支撑；金属零件结构由金属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，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,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。
[0041] 图1所示为本发明的砂型支撑复合式双龙门增材制造装备的一个示例性实施方式，其中金属3D打印系统为电弧熔丝3D打印系统，用来打印金属零件。
[0042] 结合图1所示，砂型支撑复合式双龙门增材制造装备包括：包括电弧熔丝3D打印系统、砂型3D打印系统、双龙门机床、工作台和控制系统。控制系统被设置成与所述金属3D打印系统、砂型3D打印系统及双龙门机床分别电气连接，用于控制其运行。
[0043] 如图1所示的实施例中，控制系统被设置为一控制柜4，其内部设置电源
电路、控制回路、通信线路等用于控制两个打印系统(砂型3D打印和电弧熔丝3D打印)的总成，例如
硬件和/或
软件的集成，用以实现对打印过程的控制。
[0044] 结合图1，双龙门机床具有一对底座31，作为机床的床身部件，相对地安装到地面上。相对的底座上分别安装两组立柱，分别为第一立柱组和第二立柱组。第一立柱组具有两个左立柱321和两个右立柱322。两个左立柱321分别相对地设置在相对的底座31上对应的
位置，位于图示上的左侧。两个右立柱322分别相对地设置在相对的底座31上对应的位置，位于图示的右侧。
[0045] 结合图1，第一立柱组和第二立柱组均被设置成可相对于底座31而滑动运动，并限定了滑动方向为X方向。运动机构优选为直线
电机或者旋转电机结合皮带/链条传动。
[0046] 如图1，第一立柱组上设置有第一横梁331。具体地，第一横梁331横跨地安装到第一立柱组的两个立柱321上，第一横梁331被设置成沿着立柱321所定义的竖直方向运动，并限定运动方向为Z方向。即，如图1所示的方向，第一横梁331可沿着立柱321进行垂直方向的运动。运动机构优选为旋转电机结合
蜗杆传动。
[0047] 如图1，第一横梁331上设置有第一连接板351，被设置成可沿着第一横梁所定义的方向运动，并限定运动方向为Y1方向。即如图1所示的方向，第一连接板351可沿着第一横梁331运动，运动机构优选为直线电机，或者旋转电机结合皮带/链条传动。
[0048] 如图1，第二立柱组上设置有第二横梁332。具体地，第二横梁332横跨地安装到第二立柱组的两个立柱322上，第二横梁332被设置成沿着立柱322所定义的竖直方向运动，并限定运动方向为Z方向。即，如图1所示的方向，第一横梁331可沿着立柱322进行垂直方向的运动。运动机构优选为旋转电机结合蜗杆传动。
[0049] 第二横梁332上设置有第二连接板352，被设置成可沿着第二横梁332所定义的方向运动，并限定运动方向为Y2方向。即如图1所示的方向，第二连接板352可沿着第二横梁332运动，运动机构优选为直线电机，或者旋转电机结合皮带/链条传动。
[0050] 如图1，工作台34设置在双龙门机床的两个底座31之间，构成增材制造的工作区域，并用于固定增材制造打印的基板54。
[0051] 如图1，附图标记5表示打印的金属零件。
[0052] 如图1，构成金属3D打印系统的电弧熔丝3D打印系统具有一用于在基板54上进行金属3D打印的工作头11。如图1，所述电弧熔丝3D打印系统还具有送丝机12、丝盘13-1以及焊机电源14，焊枪11作为前述进行3D打印的工作头，丝盘12内放置金属焊丝，送丝机13-1被设置用于将金属焊丝传输至焊枪11的前端，焊机电源14被设置成在其被启动后在焊枪前端将电能转化热能从而融化金属焊丝至熔融状态，并在基板54上进行金属3D打印。
[0053] 砂型3D打印系统包括打印喷头21、运砂管道22、挤出机构23以及料仓24，料仓24内储存有细砂粉与粘接剂混合而成的砂型粉末，挤出机构23被设置成用以通过运砂管道22将砂型粉末输送至打印喷头21，打印喷头21用于将砂型粉末喷出以在所述基板54上进行砂型3D打印。
[0054] 如图1，打印喷头21与焊枪11并排并间隔开地固定到第一连接板351上。
[0055] 优选地，电弧熔丝3D打印系统的焊枪11的工作点与打印喷头21的工作点等高，以确保在交替打印过程中，可有效避免打印复杂模型时焊枪或打印喷头与已打印零件产生干涉和碰撞。
[0056] 结合图1，第二连接板352上固定有一压盘36，压盘36被设置成具有朝向基板下压的平面、用以压实打印的型砂粉末。
[0057] 结合图1以及前述的龙门式机床的构造，在打印过程中，控制柜4通过控制两个立柱(321、322)、两个横梁(331、332)以及第一连接板351和第二连接板352的运动，使得第一连接板上的砂型3D打印系统的打印喷头21在基板上打印砂型支撑与金属3D打印系统的工作头(焊枪11)在基板上逐层打印金属零件和金属支撑的打印作业交替进行，其中每层砂型支撑打印后均通过第二连接板352上的压盘36进行压实操作。
[0058] 具体地，在打印砂型支撑的每一层后，均控制双龙门机床的运动，使得第二连接板352运动，带动压盘运动从而压实打印的砂型支撑。
[0059] 如图1所示，优选地，所述X方向、Y1方向、Y2方向以及Z方向的运动均设置有运动导向机构，例如滑轨式导向机构。
[0060] 图2式本发明另一个实施例的砂型支撑复合式双龙门增材制造装备的示意图，其中双龙门机床采用相同的构造，其中的底座、立柱、横梁、连接板均采用相同的结构、连接方式即可，为了简便说明，使用相同的附图标记。
[0061] 图1所述的实施例中，砂型3D打印系统采用与图1相同的结构和连接关系，在此不再赘述。
[0062] 如图2所示，与图1实施例相区别的是，本实施例中的金属3D打印系统为送粉式金属3D打印系统，即熔覆式3D打印系统，包括送粉式激光加工头15、光纤16、激光器17和送粉器18。本实施例中，送粉式激光加工头作为前述的工作头，用于进行金属3D打印。
[0063] 送粉器18被设置用于储存金属粉末，通过送粉器18将金属粉末输送至送粉式激光加工头15的前端；激光器17用于发射设定的高
能量密度的激光束，通过光纤16传输至送粉式激光加工头15，并经过送粉式激光加工头内部的光学模块准直、聚焦后融化金属粉末，进行送粉式金属3D打印。
[0064] 同样地，打印喷头21与送粉式激光加工头15并排并间隔开地固定到第一连接板351上。
[0065] 优选地，送粉式激光加工头15的工作点与打印喷头21的工作点等高，以确保在交替打印过程中，可有效避免打印复杂模型时焊枪或打印喷头与已打印零件产生干涉和碰撞。
[0066] 第二连接板352的压盘36，同样地具有朝向基板54下压的平面、用以压实打印的型砂粉末。
[0067] 在图2的示例中，X方向、Y1方向、Y2方向以及Z方向的运动均设置有运动导向机构。
[0068] 结合图2以及前述的龙门式机床的构造，在打印过程中，控制柜4通过控制两个立柱(321、322)、两个横梁(331、332)以及第一连接板351和第二连接板352的运动，使得第一连接板上的砂型3D打印系统的打印喷头21在基板上打印砂型支撑与金属3D打印系统的工作头(送粉式激光加工头15)在基板上逐层打印金属零件和金属支撑的打印作业交替进行，其中每层砂型支撑打印后均通过第二连接板352上的压盘36进行压实操作。
[0069] 结合图1和图2两个示例性的实施例，控制系统(如控制柜4)控制金属3D打印系统和砂型3D打印系统进行3D打印过程中，所述第一层的打印均为通过砂型3D打印系统进行的型砂粉末的3D打印。
[0070] 如图3、4所示，本发明的复合式双龙门增材制造装备，同时具备送粉式金属3D打印系统和砂型3D打印系统，事先规划好双龙门机床的运行轨迹和速度，由控制柜4读取识别后，控制双龙门机床的运动、操作打印喷头21在基板54上开始打印砂型支撑52的第一层，层高H1，控制立柱321和横梁331离开工作区域；然后控制双龙门机床运动、操作压盘36将砂型支撑52压实，此时砂型支撑52的第一层层高变为k*H1，k为压实比。控制右立柱322和横梁332离开工作区域；再控制左立柱321和横件331和第一连接板35-1运动、控制工作头在基板
54上打印出金属零件51和金属支撑53的第一层，保证层高H2＝k*H1，控制左立柱部件321和左横梁部件331离开工作区域。如此交替使用两个3D打印系统逐层打印零件5，其中金属零件和砂型支撑的每一层的高度按照上述第一层的设定进行。
[0071] 结合图1、2，根据本发明的公开，还提出一种砂型支撑复合式双龙门增材制造装备的增材制造打印方法，包括：
[0072] 步骤1、控制所述砂型3D打印系统的打印喷头在所述基板上打印型砂支撑的第一层，层高H1，然后控制双龙门机床的第一立柱组和第一横梁离开工作区域；
[0073] 步骤2、控制双龙门机床的第二立柱组和第二横梁运动，使得第二连接板上的压盘对打印的型砂支撑进行压实，此时砂型支撑的层高变为k*H1，然后控制第二立柱组和第二横梁离开工作区域；
[0074] 步骤3、控制双龙门机床的第一立柱组和第一横梁运动，使得第一连接板上的工作头在基板上逐层打印出金属零件和金属支撑的第一层，层高H2＝k*H1；然后控制第一立柱组和第一横梁离开工作区域；
[0075] 步骤4、判断增材制造打印零件是否完成，如果未完成，则重复上述步骤1-3，交替使用两个3D打印系统逐层打印零件，并在每层的型砂支撑打印后使用压盘进行压实操作，其中金属零件和砂型支撑的每一层的高度按照上述第一层的设定进行，直到完成打印作业。
[0076] 进一步的，所述方法更加包含打印完成后的分离处理，包括以下步骤：
[0077] 零件打印完成后，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,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。
[0078] 由以上本发明的技术方案可见，本发明的砂型支撑复合式双龙门增材制造系统的打印原理在于：同时具备电弧熔丝或者激光熔覆的金属3D打印系统和砂型3D打印系统，事先规划好两个3D打印系统的运行轨迹，控制运动执行机构操作两个3D打印系统进行交替、逐层打印零件；金属零件结构由金属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，使用锯削或者线切割方式将零件与基板分离,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。
[0079] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视
权利要求书所界定者为准。
