Автоматическая установка для 3D печати металлических изделий сложной формы

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к конструкции промышленной автоматической установки, предназначенной для 3D печати изделий сложной формы из металлов и сплавов при помощи послойной электродуговой наплавки.
Известна установка для наплавки цилиндрических поверхностей (RU 120596, кл. B23K 9/04, B23K 9/18, опубл. 27.09.2012), включающая блок питания и управления устройства, источник питания сварочной дуги, планшайбу с приводом вращения вокруг вертикальной оси, установленный на ней вертикальный суппорт с перемещаемой в вертикальном направлении посредством мотор-редуктора кареткой, на которой смонтирован горизонтальный суппорт с перемещаемой в горизонтальном направлении посредством мотор-редуктора кареткой со сварочной головкой, включающей пустотелый вал с осевым каналом для направления электродной проволоки, на выходном конце которого установлен мундштук с радиусным коленом, блок подачи электродной проволоки и кассету с электродной проволокой, жестко закрепленную на валу. Для наплавки поверхностей как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях устройство содержит червячный поворотный редуктор, установленный на каретке горизонтального суппорта, состоящий из корпуса, червячной пары, ручного привода и вращаемой червячной парой крышки, на которой установлена сварочная головка.
Однако при помощи указанной установки можно наносить слои или печатать только тела вращения или сегментные/секторные заготовки. Для обеспечения необходимой жесткости конструкции и для более точной наплавки/печати требуется высокое качество изготовления стоек, направляющих и т.п., что увеличивает стоимость установки. Использование типового сварочного полуавтомата позволяет получать относительно большую ширину и высоту получаемых слоев, что ограничивает возможности установки, в том числе и при 3D печати.
Известна установка для автоматической электродуговой наплавки деталей (RU 48851, кл. B23P 6/00, опубл. 10.11.2005), содержащая опору для размещения наплавляемой детали, вертикальную колонну с наплавочной оснасткой, включающей наплавочную головку с механизмом ее вертикального перемещения, бункер для флюса, катушку электродной проволоки с механизмом ее подачи в зону наплавки и пульт управления. Также установка снабжена укрепленным к вертикальной колонне рабочим столом с продольными и поперечными направляющими и кареткой, установленной с возможностью продольного и поперечного перемещения по направляющим рабочего стола, при этом наплавочная головка с механизмом ее вертикального перемещения смонтирована на каретке, а вертикальная колонна выполнена в виде П-образной рамы с вертикальными направляющими для перемещения по ним наплавочной головки и осуществления электродуговой наплавки детали по заданной программе.
Недостатком вышеописанной установки является довольно большая инертность, так как на каретке установлен бункер для флюса и имеется довольно длинная колонна, на которой крепится горелка. Эти конструктивные особенности существенно повлияют на скорость, точность наплавки, что ограничивает возможности использования режимов наплавки и уменьшает производительность. Кроме того, вышеперечисленные недостатки приведут к увеличению минимальных ширины и высоты наплавленных валиков, что приведет у увеличенной толщине стенок и волнистости поверхностей напечатанных заготовок.
Известен промышленный робот для лазерной обработки (RU 169869, кл. B23K 26/342, B23K 26/70,опубл. 04.12.2015), смонтированный на станине и содержащий блок управления, лазерную установку с системой транспортировки лазерного луча к конечному звену антропоморфного манипулятора, несущему фокусирующее устройство. На конечном звене коаксиально фокусирующего устройства смонтировано сопло аппарата подачи газопорошковой смеси. На станине установлена поворотная платформа, система управления приводом которой, как и система управления аппарата подачи, связана с блоком управления роботом.
Однако для обеспечения достаточной для приемлемого качества наплавки, в том числе послойной, требуется высокоточный манипулятор с как минимум тремя сочленениями, что делает установку довольно дорогостоящей. Применение лазерного оборудования позволяет существенно уменьшить толщину и ширину получаемых металлических валиков, но установка, расходные материалы и обслуживание существенно повышают стоимость конечного изделия.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является устройство для 3D печати металлических изделий (RU 2015148796, кл. B23K 9/04, B23P 23/04, опубл. 17.05.2017), включающее автоматический манипулятор с пультом управления, к которому подключены функции трехмерной печати, пульт управления системой объемной (трехмерной, 3D) печати и сварочная горелка для наплавки металлом в среде защитного газа. В обрабатывающее оборудование встраивается система объемной (трехмерной, 3D) печати, в основе которой находится сварочный аппарат для полуавтоматической сварки/наплавки в среде защитного газа, механизм подачи электродной проволоки, баллон с защитным газом, соединенным со сварочным полуавтоматом через гибкий шланг. Горелка, расположенная на автоматическом манипуляторе, подключена к сварочному полуавтомату через шланг-канал, по которому происходит подача электродной проволоки, защитного газа и электрического тока, при этом обрабатывающее оборудование расположено на подвижной тележке.
Однако сварочный полуавтомат не позволяет получать валики наплавленного металла шириной 2-3 мм, что накладывает ограничения на возможности печати тонкостенных изделий, лишний металл необходимо удалять механическим способом. Кроме того, использование типового сварочного полуавтомата приводит к излишнему перегреву напечатанной заготовки, что приводит к его деформации и ухудшению механических свойств.
Технической проблемой полезной модели является создание доступной и простой установки для 3D печати металлических изделий сложной формы методом послойной наплавки.
Технический результат – повышение качества получаемых изделий за счет получения тонких стенок в изделиях и одновременного уменьшения волнистости поверхности.
Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что автоматическая установка для 3D печати металлических изделий сложной формы включает автоматический манипулятор и сварочный полуавтомат. Согласно изобретению автоматический манипулятор выполнен трехосевым портального типа, при этом трехосевой автоматический манипулятор соединен с механизмом подачи электродной проволоки через сварочную горелку, закрепленную на рабочем органе манипулятора, а источник сварочного тока выполнен с возможностью двойного управления процессом переноса электродного металла в дуге.
Трехосевой автоматический манипулятор выполнен с неподвижным столом для закрепления изделия.
Выполнение автоматического манипулятора трехосевым портального типа позволяет существенно повысить жесткость конструкции без её усложнения. Это позволит повысить точность размеров изделий, получаемых методом послойной электродуговой наплавкой.
Соединение трехосевого автоматического манипулятора с механизмом подачи электродной проволоки через сварочную горелку, закрепленную на рабочем органе манипулятора, обеспечивает попадание присадочного материала в рабочую область, где будет происходить печать, поступление туда сварочного тока и защиту зоны горения электрической дуги защитной газовой атмосферой для формирования валиков наплавленного металла с меньшей толщиной и шириной.
Выполнение источника сварочного тока с возможностью двойного управления процессом переноса электродного металла в дуге позволяет формировать валики наплавленного металла с меньшей толщиной и шириной, что позволит получать изделия с меньшей толщиной стенок и снизить волнистость поверхностей изделий. Также это позволяет снизить припуск на дальнейшую механическую обработку заготовок в случае такой необходимости.
Автоматическая установка для 3D печати металлических изделий сложной формы поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена блок-схема установки, а на фиг. 2 – рабочая область установки, где будет происходить печать изделий.
Автоматическая установка для 3D печати содержит источник сварочного тока 1, реализующий схему двойного управления процессом переноса электродного металла в дуге, механизм подачи электродной проволоки 2, баллон с защитным газом 3, сварочную горелку 4 и модуль управления установкой 5. Трехосевой автоматический манипулятор состоит из подвижных оси z 6, оси y 7 и оси x 8, перемещающих горелку относительно стола 9, на котором будет располагаться заготовка.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Сварочный полуавтомат, оснащенный источником сварочного тока 1, при помощи механизма подачи электродной проволоки 2 осуществляет процесс электродуговой наплавки в среде защитного газа. В зону горения сварочной дуги из баллона 3 через сопло горелки 4 подают защитный газ. Благодаря возможности реализации сварочным полуавтоматом схемы двойного управления процессом переноса электродного металла в дуге возможно осуществлять наплавку тонких валиков с минимальным перегревом основного металла. В результате удается сформировать изделие требуемой формы благодаря аддитивной технологии. Перемещение горелки 4 контролируют модулем управления установкой 5. При этом перемещение горелки происходит по трем координатам: вертикально по оси z 6, горизонтально по оси y 7 и вдоль по оси x 8. Рабочие органы установки перемещаются по трем парам направляющих благодаря винтовым передачам, приводимым в движение шаговыми двигателями через упругие муфты. Подвижный портал выполнен в виде замкнутого прямоугольного контура для увеличения его жесткости. Подвижность портала позволяет печатать крупногабаритные и тяжелые изделия, которые закрепляются на неподвижном столе 9. К изделию для осуществления сварочного процесса необходимо подключить кабель массы. При необходимости массу можно подключить к столу установки или закрепляющему приспособлению.
Предлагаемая автоматическая установка позволяет получать изделие с минимальной толщиной стенки до 2-х мм. Возможна печать конструкционной углеродистой, легированной (в частности нержавеющей) или инструментальной сталями.
Преимуществами предлагаемого технического решения являются:
1. Доступность оборудования и распространенность технологии сварки/наплавки на производстве, что позволит легко найти специалиста для работы на установке;
2. Возможность печати сложных металлических изделий, в том числе тонкостенных;
3. Огромный выбор доступных материалов для печати;
4. Жесткость конструкции автоматического манипулятора.
Автоматическая установка может найти применение не только при 3D печати, но также в ремонтном производстве и при нанесении износостойких, коррозионностойких и др. металлических покрытий на заготовки.
Полезная модель находится на стадии опытного образца.