本實用新型屬于3D打印技術領域，尤其涉及基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印技術。

背景技術：

公知的金屬3D打印技術是利用激光或者電子束作為熱源對金屬粉末或者絲材進行熔融堆積進而成型的。公知的激光3D打印不易成型大尺寸和功能梯度材料的零件，成型效率低，且高品質粉末耗材的制備難度大。公知的電子束熔絲3D打印因其只能沿著可作支承的已成型部分進行堆積，難以成型結構較復雜的零件；而電子束噴粉和鋪粉3D打印方式存在耗材制備難度大及耗材利用率偏低的問題。這些設備造價高，結構復雜，維護成本高，不利于大范圍推廣應用。

技術實現要素：

發明目的：針對上述現有存在的問題和不足，本實用新型的目的是提供一種基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印機及打印方法，解決了電子束噴粉和鋪粉的3D打印方式存在耗材制備難度大且利用率低問題，具有低成本耗材并實現大尺寸功能梯度金屬材料零件的打印，解決了熔絲3D打印難成型復雜零件和低效率的問題。

技術方案：為了解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案：一種基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印機，包括封閉機箱、六軸機械臂、變位基板總成、焊接總成、溫控探頭和CCD監控器，所述封閉機箱包括成型室、控制室和氣瓶室，所述變位基板總成設在成型室內并包括一級變位機和二級變位機，所述一級變位機包括一級變位驅動側和一級變位支撐側，所述二級變位機包括二級旋轉變位機和設在二級旋轉變位機上的打印基板，所述二級旋轉變位機的兩端設在一級變位機的一級變位驅動側和一級變位支撐側上并在一級變位驅動側的帶動下能做上下翻轉動作，所述六軸機械臂設在打印基板上方，所述溫控探頭設在六軸機械臂上；所述焊接總成包括設在控制室內的焊接電源和送絲機，設在氣瓶室的儲氣瓶和設在六軸機械臂前端的焊槍，所述儲氣瓶通過高壓氣動軟管與焊槍連接，所述送絲機通過導絲管與焊槍連接；所述CCD監控器設在成型室內，所述打印基板還設有加熱和冷卻裝置。

作為優選，所述封閉機箱的控制室外側還設有控制面板。

作為優選，所述六軸機械臂包括從下至上依次連接底座、下臂、上臂和手腕，所述底座為340°自由度旋轉活動連接，所述下臂為245°自由擺動連接，所述上臂為215°擺動連接，且上臂的擺動軌跡與下臂擺動軌跡的夾角為30°～90°；所述手腕為擺動和旋轉連接。所述六軸機械臂各部件之間均作為活動關節，能實現焊槍的多方向多方式的靈活運動，從而實現各種形狀部件的打印。

有益效果：與現有技術相比，本實用新型具有以下優點：1.所述金屬3D打印機成本大大低于激光和電子束成型設備的成本；2.所述金屬3D打印機采用絲材作為成型耗材，制備難度及成本均低于粉末耗材；3.相比復雜程度相當的五軸機床運動機統，所述六軸機械臂具有運動范圍大、速度快的特點；4.所述六軸機械臂也為掛裝切削加工動力頭預留了接口，可實現打印成型與切削加工的綜合功能；5.所述變位基板總成可實現打印基板的雙軸旋轉位置變換，便于實現復雜空間模型及功能梯度材料的打印成型；6.所述溫控探頭及CCD監控器可以對打印工藝過程進行穩定的自動控制；7.所述封閉機箱內隔不同功能室，可使成型過程不受環境干擾并保證各部件穩定可靠工作。

附圖說明

圖1為本實用新型所述基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印機的外觀示意圖；

圖2為本實用新型所述基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印機的內部結構示意圖；

圖3為本實用新型所述基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印機的布局示意圖。

其中，封閉機箱1，六軸機械臂2，變位基板總成3，一級變位驅動側31，一級變位支承側32，二級變位機33，打印基板34，焊接總成4，焊接電源41，送絲機42，焊槍43，儲氣瓶44，溫控探頭5， CCD監控器6，控制面板7。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本實用新型，應理解這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

圖1～3所示，本實用新型的基于弧焊法的多軸聯動式金屬3D打印機，設備包括封閉機箱、六軸機械臂、變位基板總成、焊接總成、溫控探頭、CCD監控器、控制面板等部件；變位基板總成包括一級變位驅動側、一級變位支承側、二級變位機、打印基板等部件；焊接總成包括焊接電源、送絲機、焊槍、貯氣瓶等部件。

所述六軸機械臂、變位基板總成、焊接總成固連接于封閉機箱的底板上；所述溫控探頭固定連接于六軸機械臂的末端；所述CCD監控器固定連接于封閉機箱的成型室一側；所述控制面板嵌裝于封閉機箱的前側；所述二級旋轉變位機的兩端分別固定連接于一級變位驅動側和一級變位支承側（該雙端固定結構相比于懸臂結構在打印大尺寸構件時更穩固）；所述打印基板固定連接于二級變位機上；所述送絲機固定連接于控制室中的焊接電源之上；所述焊槍固定連接于六軸機械臂的末端；所述貯氣瓶固定安裝于封閉機箱的氣瓶室；所述送絲機通過導絲管與焊槍連接；所述貯氣瓶通過高壓氣動軟管與焊槍連接。

所述封閉機箱將整個成型機統與外界隔離，為成型過程提供穩定環境。封閉機箱內部分隔出成型室、控制室和氣瓶室，使各功能模塊相對獨立并便于維護；所述六軸機械臂按照預先設定好的成型路徑完成打印過程的運動；所述變位基板總成實現已成型部分的雙向旋轉位置變換，以進行下一區域的打印成型（因為電弧熔融堆積方式在打印時受重力影響，熔池必須有效的附著在已成型表面，故而打印的傾斜度只能在一定范圍內（一般與豎直夾角不大于45度），所述雙向旋轉變位方案彌補無旋轉變位打印基板無法打印復雜模型的不足）；所述焊接總成實現絲材的穩定弧焊堆積；所述溫控探頭對已成型部分的上表面溫度進行檢測并反饋到控制面板中進行打印節拍控制；所述CCD監控器對成型室打印狀態進行視覺監測，特別是成型過程的檢測，以在線調整工藝參數及處理異常情況；所述控制面板集中顯示設備各部的工作狀態及進行輸出操作指令；所述變位基板總成中的一級變位驅動側與一級變位支承側組成一級變位機，一級變位機實現打印基板的一級旋轉位置變換，一級變位驅動側為一級變位機提供旋轉驅動力，一級變位支承側為一級變位機提供遠端支承；所述二級變位機實現打印基板的二級旋轉位置變換；所述打印基板具備強制冷卻和主動加熱的功能(打印開始時，為降低熔滴與基板的溫度差，增強熔滴與基板的融合度，需要對基板進行預熱；打印到一定層高時（一般10層左右），由于已成型部分熱量的逐層累積效應，造成已打印表層的溫度過高而無法及時冷卻，進而出現熔滴流淌，此時需要等待已打印表層的溫度降至合適溫度才能繼續打印，而通過基板的強制冷卻功能可減少層間等待時間，提高成型效率)，為打印過程提供成型基礎；所述焊接總成中的焊接電源實現打印過程中的焊接電流、電壓參數實時調節；所述送絲機為打印過程提供穩定的絲材輸送；所述焊槍作為絲材、保護氣體及電路線纜的輸出端口；所述貯氣瓶為打印成型過程提供壓力保護氣體，即高純氬氣或者CO₂保護氣。

具體實施過程：將預先設定好的模型打印路徑輸入至控制面板中，執行打印，六軸機械臂按照預設路徑進行逐層打印運動。由于弧焊法3D打印過程的成型起點（起弧）和終點（熄弧）成型效果難于控制，成型尺寸存在隨機性，若將起弧和熄弧點設置在所需的打印本體內，則易形成內部缺陷，因而打印路徑的設定不同于公知的電子束或激光鋪粉的路徑設定，具體方案是：將每層打印的起弧點和熄弧點設置在所需打印本體之外，以保證所需部分的質量。打印過程中，焊接電源及送絲機根據打印運動的加減速變化及成型的斷續情況實時調整電壓、電流、送絲干伸長等參數。待打印完成一層后，溫控探頭檢測已成型部分上表面的溫度并反饋至控制面板中，控制面板將檢測溫度參數與預設溫度比較來控制下一層打印的起始時間。打印過程中，CCD監控器對已成型部分的上表面進行掃描捕捉，控制面板根據捕捉的圖像判斷是否對打印層高缺陷進行補償。打印過程中，打印基板根據工藝要求對已成型部分進行強制冷卻或主動加熱。待打印一個位置區域的模型后，變位基板總成根據預設的模型打印路徑變換位置，以進行下一區域的打印成型。以上過程反復進行即可完成整個零件模型的打印。

在圖中，焊槍安裝在六軸機器人上，視覺監控儀與攝像頭通過數據線纜連接，溫度監控儀與溫度傳感器通過數據線纜連接，焊機電源與惰性氣體瓶通過軟管連接，焊槍與焊機電源通過專用線纜連接，基板通過螺栓固定在旋轉變位機上。

打印工作開始前，先將設定好的工作路徑輸入六軸機器人，然后預熱基板至200℃，隨后開始打印。六軸機器人帶動焊槍沿著設定的路徑以6mm/s的速度移動，焊機電源設定焊接電流150A、電壓20V、送絲速度6m/min，控制焊槍將焊絲熔融后逐層堆積到基板上。溫度監控儀和視覺監控儀同步監控打印層的層間溫度和形貌，以實時調節打印過程中電流、電壓、送絲速度、行走速度等各種打印參數。

與傳統壓鑄方法對比，該方法無需提前制作壓鑄模具，節省了大量的成本和工時，后續雖然需要增加機械加工，但是其成本與工時遠遠低于壓鑄模具的制造。與傳統機械加工方法對比，該方法無需提前準備大尺寸的金屬板材，只需要使用同種型號的線材，大大節省了材料準備時間，同時提高了材料利用率。