Установка для 3D печати металлических изделий

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к конструкции промышленной автоматической установки, предназначенной для 3D печати моно- и полиметаллических изделий сложной формы при помощи послойной электродуговой наплавки.
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 фокусирующему устройству смонтировано сопло аппарата подачи газопорошковой смеси, а на станине установлена поворотная платформа, система управления приводом которой, как и система управления аппарата подачи, связана с блоком управления роботом.
Недостатком устройства является выброс сварочных аэрозолей и пыли при работе, что оказывает вредное воздействие данных продуктов на оборудование и персонал.
Известно устройство для 3D печати металлических изделий (RU 2015148796, кл. B23K 9/04, В23Р 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 автоматический манипулятор не защищен камерой, что приводит к снижению качества наплавки за счет образования вредных продуктов сварочного производства.
Наиболее близкой по технической сущности к полезной модели является автоматическая установка для 3D печати металлических изделий сложной формы (RU 193110, кл. В33/00, B22F 3/115, опубл. 15.10.2019), которая включает автоматический манипулятор и сварочный полуавтомат. 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.
Недостатком указанной выше автоматической установки является низкое качество газовой защиты области печати. Защитный газ подают через сопло горелки, при этом он защищает область расплавленного и остывающего металла заготовки в процессе печати от вредного воздействия окружающей среды. Однако из-за тонкой и высокой стенки заготовки или наличия сквозняков в рабочем помещении качество защиты существенно ухудшается. Вторым недостатком является необходимость в мощной вытяжке, расположенной непосредственно над установкой, которая будет удалять сварочную пыль и аэрозоли, однако это может привести к возникновению указанных выше сквозняков. Также проблемой является слабая защищенность направляющих и ходовых винтов от сварочной пыли, приводящей к активному износу рабочих элементов установки.
Технической проблемой полезной модели является создание установки для 3D печати металлических изделий сложной формы на базе трехосевого манипулятора, заключенного в камеру с контролируемой атмосферой.
Технический результат - повышение качества защиты наплавленных слоев изделия за счет исключения вредного влияния продуктов сварочного производства на качество наплавки.
Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что установка для 3D печати металлических изделий содержит автоматический манипулятор и сварочный полуавтомат с источником сварочного тока, механизмом подачи электродной проволоки и сварочной горелкой, автоматический манипулятор портального типа выполнен трехосевым и соединен с механизмом подачи электродной проволоки через сварочную горелку, закрепленную на рабочем органе манипулятора, при этом источник сварочного тока выполнен с возможностью двойного управления процессом переноса электродного металла в дуге. Согласно полезной модели автоматический манипулятор расположен в камере с газовой атмосферой, включающей газоанализатор, вакуумную систему для откачки воздуха из камеры и устройство очистки и рециркуляции газа, при этом в одной из стенок камеры установлен шлюз.
Газоанализатор установлен в верхней части камеры.
Расположение автоматического манипулятора в камере с защитной газовой атмосферой, включающей газоанализатор, вакуумную систему для откачки воздуха из камеры и устройство очистки и рециркуляции газа, позволяет повысить качество защиты наплавленных слоев за счет исключения сквозняков в рабочем помещении и необходимости в мощной вытяжке. Вакуумная система позволяет удалять воздух из камеры перед началом процесса печати. Кроме того, устройство очистки и рециркуляции газа позволяет удалять вредные примеси и сварочную пыль, что защищает элементы установки и оператора. После очистки защитный газ повторно используют для защиты зоны плавления металла от вредного воздействия окружающей среды.
Установка в одной из стенок камеры шлюза необходимо для расположения и извлечения заготовки с возможностью дальнейшего герметичного закрывания камеры для исключения сквозняков в рабочем пространстве, что приводит к повышению качества наплавки.
Установка газоанализатора в верхней части камеры обеспечивает своевременную и точную оценку содержания сварочных аэрозолей в камере.
По сравнению с прототипом, заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Автоматическая установка для 3D печати металлических изделий сложной формы методом послойной наплавки в контролируемой атмосфере поясняется чертежами, где на фиг. 1 - установка, вид спереди, на фиг. 2 - вид сбоку.
Устройство 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 у 7 и оси х 8, перемещающих горелку относительно стола 9, на котором будет располагаться заготовка. Манипулятор располагают в камере с защитной газовой атмосферой 10, оснащенной, вакуумной системой 11, устройством 12 очистки и рециркуляции газа, газоанализатором 13 и шлюзом 14 для установки и снятия заготовок.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Перед началом работы вакуумная система 11 удаляет из камеры воздух до требуемого уровня за счет продувки внутреннего объема камеры аргоном. При достижении необходимого уровня воздуха продувку останавливают и запускают устройство 12 очистки и рециркуляции газа, обеспечивающая удаление примесей до их минимальных значений. Рабочие элементы манипулятора защищены камерой от попадания сварочной пыли, брызг и пр. загрязнений.
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 подается 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. Перемещение горелки 4 контролируют модулем управления установкой 5. Перемещение горелки 4 происходит по трем координатам: вертикально по оси z 6, горизонтально по оси у 7 и вдоль по оси х 8. Рабочие органы установки перемещают по трем парам направляющих благодаря винтовым передачам, приводимым в движение шаговыми двигателями через упругие муфты. Манипулятор выполнен в виде замкнутого прямоугольного контура для увеличения его жесткости. Подвижность манипулятора позволяет печатать крупногабаритные и тяжелые изделия, которые закрепляют 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. После начала процесса 3D печати камера постепенно заполняется сварочными аэрозолями и пылью, которые удаляют устройством 12 очистки и рециркуляции газа. Уровни содержания в камере различных примесей (влага, кислород, водород и азот и т.п.) идентифицируются газоанализатором 13. В результате удается сформировать изделие требуемой формы благодаря аддитивной технологии.
Для установки заготовки и ее снятия после завершения процесса печати используют шлюз 14.
Заявленная конструкция установки для 3D печати металлических изделий обеспечивает жесткость конструкции при движении рабочего органа, кроме того, она является распространенной на производстве, что упростит ее самостоятельное изготовление, сборку, наладку, работу и ее ремонт. Возможность реализации схемы двойного управления на сварочном полуавтомате дает возможность наносить тонкие металлические слои с уменьшенным тепловложением, что позволит уменьшить шероховатость боковых поверхностей напечатанных изделий, их коробление и увеличит точность получаемых заготовок или деталей. Трехосевой автоматический манипулятор оснащен передвижным порталом, что позволяет печатать массивные и крупногабаритные изделия, которые будут находиться на неподвижном столе.
Печать изделий осуществляют в камере с контролируемой атмосферой, что позволяет снизить вред, наносимый сварочными аэрозолями и пылью элементам конструкции, прочим механизмам в цеху, а также рабочим и операторам. Возможна печать конструкционной углеродистой, легированной (в частности нержавеющей) или инструментальной сталями.
Установка может найти применение не только при 3D печати, но также в ремонтном производстве и при нанесении износостойких, коррозионностойких и др. металлических покрытий, а также при создании композитов.
Полезная модель находится на стадии опытного образца.