Модульная система 3D-печати слоистыми композиционными металлами для станков с ЧПУ с функцией быстросменности и бесподналадочности наплавляемого материала Российский патент 2023 года по МПК B23K9/04 B23K37/06 

Изобретение относится к способу изготовления изделия путем трехмерной печати электродуговой наплавкой на оборудовании с ЧПУ, в частности к автоматической подаче проволоки, в частности, сварочной.

Предлагаемое изобретение относится к областям техники, использующим в процессе производства различные проволоки, преимущественно к сварочной технике в способах сварки плавлением или аддитивным технологиям с автоматической подачей проволоки и возможностью встраивания в гибридный станок с ЧПУ.

Известен способ подачи проволоки и устройство для его осуществления [RU 2 235 006 C1], содержащее приводной ролик с рабочей канавкой, механизм вдавливания и правки с вдавливающими элементами. Работа устройства заключается в изгибе проволоки и направлении её в рабочую канавку приводного ролика, сопряжении ее с рабочей канавкой, правке проволоки путем обратного изгиба и подаче ее в требуемом направлении.

Также известно устройство [RU 2 125 926 C1], предназначенное для подачи расходуемой сварочной проволоки с подающей катушки в сварочный пистолет. Данное устройство содержит опорное средство, средство приводных роликов, установленных на упомянутом опорном средстве, предназначенное для приводного зацепления проволоки, средство для вращения упомянутого средства приводных роликов для продвижения проволоки в заданном направлении и направляющее средство, установленное на опорном средстве для направления перемещения проволоки вдоль заданного направления.

Недостатками вышеуказанных изобретений является: отсутствие функции использования без переналадки нескольких видов проволок, возвратного движения проволоки, систем диагностики и корректировки процесса подачи, а также возможности встраивания устройства на станок с ЧПУ.

Из уровня техники известен способ аддитивного производства изделий из титановых сплавов с функционально-градиентной структурой [RU 2 700 439 C1], который включает изготовление, по меньшей мере, части изделия путем подачи первой и второй проволок в ванну расплава с обеспечением плавления высокоэнергетическим воздействием электронного пучка. Подачу проволок осуществляют с изменением скорости подачи по меньшей мере одной из упомянутых проволок.

Недостатком представленного способа является изготовление только титановых сплавов, что сужает область применения данной технологии, также существует неясность работы механизма подачи проволоки, в том числе его регулировки и отсутствие возможности встраивания устройства на гибридный станок с ЧПУ.

Кроме того, известно устройство для подачи присадочной проволоки при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом [RU 128 538 U1], содержащее узел протяжки присадочной проволоки, механизм возвратно-поступательного перемещения указанного узла протяжки, гибкую оболочку, соединенную с одного конца с узлом протяжки проволоки с возможностью пропуска проволоки с ее возвратно-поступательным перемещением вдоль гибкой оболочки, согласно предлагаемому решению, устройство снабжено жестким наконечником на втором, свободном, конце гибкой оболочки. Данную установку для аргонодуговой сварки возможно использовать как в ручном, так и в полуавтоматическом или автоматическом режимах.

К недостаткам устройства можно отнести следующее: отсутствие автоматической смены проволоки, достигающейся использованием систем диагностики и корректировки подачи проволоки, и возможности встраивания устройства на станок с ЧПУ.

Другим похожим устройством является конструкция для подачи проволоки в сварочной машине и способ обеспечения движения сварочной проволоки [RU 2 587 697 C2]. Изобретение содержит корпус, втулочную систему, установленную в корпусе для вращения катушки, и механизм подачи проволоки, предназначенный для вытягивания сварочной проволоки с катушки таким образом, чтобы катушка с проволокой вращалась в направлении разматывания, а также для подачи сварочной проволоки при помощи механизма подачи проволоки к сварочной горелке, при этом указанный способ содержит операцию запуска подачи проволоки, во время которой механизм подачи проволоки вытягивает сварочную проволоку, обеспечивая ее движение, и операцию прекращения подачи проволоки, во время которой механизм подачи проволоки прекращает вытягивание сварочной проволоки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является способ 3D-печати на оборудовании с ЧПУ с интеллектуальной оптимизацией режимов [RU 2 696 121 C1]. Способ включает формирование заготовки электродуговой наплавкой в среде защитных газов из слоев, состоящих из соприкасающихся друг с другом наплавленных валиков металла, и выполнение чистовой механической обработки сформированной заготовки. Особенностью данной системы является использование нейронной сети, которая

выполняется с возможностью автономного принятия решения об оптимизации режимов наплавки и формирования команд на изменение параметров оборудования с ЧПУ.

К числу недостатков представленного устройства относится невозможность использования в процессе наплавки различных сварочных проволок в автоматическом режиме.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка модульной системы 3D-печати металлами для фрезерных станков с ЧПУ с функцией быстросменности и бесподналадочности наплавляемого материала.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в изготовлении слоистых композиционных материалов, состоящих из комбинаций различных металлов методом 3D-печати электродуговой наплавкой на оборудовании с ЧПУ.

Технический результат достигается тем, что модульная система 3D-печати для наплавочного станка с ЧПУ, содержит экструдер, обеспечивающий подачу проволоки в зону наплавки, и закрепленный на подвижной опоре шкаф, верхняя часть которого выполнена с возможностью ее поворота на 360°, а нижняя является неподвижной и содержит три отсека, в одном из которых размещен сварочный аппарат, в другом – катушки со сварочной проволокой разного состава, а в третьем – газовые сварочные баллоны, при этом в верхней части шкафа предусмотрено отверстие для выхода кабель-канала со сварочной проволокой и размещена система автоматической подачи одной из трех сварочных проволок в экструдер, которая содержит механизмы подачи каждой проволоки, обеспечивающие вытягивание сварочной проволоки с катушки через штуцер, имеющий три входных канала для разных видов проволок и один выходной канал для конкретной наплавляемой проволоки, гильотину для отрезания части проволоки для ее прохождения обратно по каналу, состоящую из пары лезвий, закрепленных винтами на верхней и нижней опорах, соединенных болтами, причем гильотина снабжена кулачком, который выполнен со ступенью, поднимающей нижнюю опору с лезвием, и оснащен шаговым двигателем, а экструдер выполнен с возможностью его взаимодействия с хвостовиком для фрезерного станка, за который крепится шпиндель станка для обеспечения движения экструдера в процессе наплавки, и соединен через траверсу с валом, имеющим ступеньку, с возможностью их закрепления в отсеке на столе наплавочного станка с ЧПУ, причем вал выполнен с возможностью его зажатия в цанге хвостовика гайкой.

Система представлена на чертежах (фиг. 1 – Принципиальная схема работы системы, фиг. 2 – Модульная система 3D печати слоистыми композиционными металлами для станков с ЧПУ с функцией быстросменности и быстроналадочности наплавляемого

материала, фиг. 3 – Основные элементы механизма подачи, фиг. 4 – Расположение экструдера на столе станка):

1 – заготовка

2 – хвостовик

3 – экструдер

4 – модульная система

5 – кабель-канал

6 – станок с ЧПУ

7 – монитор

8 – подвижная опора

9 – гильотина

10 – запасная катушка с проволокой

11 – сварочный аппарат

12 – баллон с газом

13, 14, 15 – катушки

16,17, 18 – устройства подачи проволоки

19, 20, 21 – проволоки

22 – лезвие

23 – кулачок со ступенью

24 – нижняя опора гильотины

25 – болт

26 – пружина

27 – винт для крепления лезвия

28 – специальный штуцер

29 – шаговый двигатель

30 – отсек

31 – винт

32 – вал со ступенью

33 – траверса

34 – механизм вытягивания проволоки

35 – стол станка

36 – цанга

37 – гайка

38 – отсек

В оборудование с ЧПУ 6, реализующее способ 3D-печати электродуговой наплавкой, встраивается модульная система 4, состоящая из специального спроектированного шкафа, который состоит из двух частей: верхней – вращающейся части и нижней – статической. При этом разрабатываемая система закреплена на подвижных опорах 8 для удобства перемещения. Нижняя часть состоит из трех отсеков: отсек, в котором расположен сварочный аппарат 11, отсек для хранения запасной сварочной проволоки 10 и отсек с газовыми баллонами 12. Верхняя часть может поворачиваться на 360° вокруг своей оси, в нем предусмотрено отверстие для выхода кабель-канала 5 с проволокой 20, в результате чего данную часть можно поворачивать в любую удобную для наплавки сторону, оставляя саму модульную систему 4 на месте. Внутри верхней части расположена система быстросменности и бесподналадочности сварочной проволоки.

В систему быстросменности и быстроналадочности сварочной проволоки входят катушки 13, 14, 15 с различными видами проволок 21, 20, 19, механизмы для подач этих проволок 16, 17, 18, гильотина 9, отрезающая наплавленную часть проволоки с помощью лезвий 22, закрепленных на винтах для крепления лезвий 27, специальный штуцер 28, имеющий три входных канала, объединяющихся в один выходящий канал, болты 25, что соединяют опоры гильотины 24 , на которых крепятся лезвия 22, кулачок со ступенью 23, который за счет действия шагового двигателя 29 вращается и, следственно, обеспечивает движение нижнего лезвия к верхнему, что в результате приводит к отрезанию проволоки 20, пружины 26, помогающие нижней опоре прийти в исходное состояние, при котором имеется небольшой зазор между лезвиями.

Кроме того, данная модульная система 4 связывается со станком с ЧПУ 6, который управляет всеми движениями во время наплавки, информация о которой отображается на специальном мониторе 7, закрепленном на проектируемой модульной системе 4. Движение экструдера 3 во время процесса 3D-печати осуществляется за счет его связи с хвостовиком SK50 2 для фрезерного станка, за который крепится шпиндель станка и, таким образом, осуществляет наплавку заготовки 1. В хвостовик 2 устанавливается специально-спроектированный вал ∅32 мм со ступенью 32, который зажимается в цанге 36 гайкой 37. Вал 32 и экструдер 3 соединяются между собой через траверсу 33, в которой предусмотрены отверстия для них, закрепление происходит за счет зажима двумя винтами 31. Данные элементы располагаются в специальном отсеке 30 на столе станка 35 (фиг. 4).

Принцип действия проектируемой модульной системы 4 заключается в следующем: модульная система 4 располагается в удобном месте рядом со станком с ЧПУ 6, экструдер 3 для наплавки устанавливается в специальный отсек 30 на столе станка 35, во время работы модульной системы 4 в экструдер 3 подается проволока 20 через кабель канал 5 за счет действия механизма быстросменности и бесподналадочности, установленного в верхней части модульной системы 4, он работает следующим образом: в результате работы одного из трех механизмов подачи (16,17 или 18), установленных рядом с каждой из трех катушек с проволокой (13, 14 или 15), наплавляемая проволока 20 подает в специальный штуцер 28 с тремя каналами для различных видов проволок (21, 20 или 19), при этом каналы соединяются в один выходной канал, а проволока 20, проходя через зазор между лезвиями гильотины 22, попадает в кабель-канал 5, оттуда она попадает через экструдер 3 в зону наплавки, туда же подается защитный газ, поступающий из баллонов 12, после этого включается сварочный аппарат 11, который разжигает электрическую дугу, посредством которой проволока 20 плавится и формирует заготовку 1.

Для смены проволоки 20 в действие приводится шаговый двигатель 29, который вращает кулачок со ступенью 23, установленный под нижней опорой 24 гильотины 9, в результате чего происходит отрезание проволоки 20, и за счет действия механизма вытягивания 34 проволоки, используемая проволока 20 освобождает главный канал для другой проволоки (19 или 21). Всеми движениями во время наплавки, подачей и сменой проволоки управляет станок с ЧПУ 6 посредством связи с модульной системой 3D-печати.

Таким образом, данная модульная система с функцией быстросменности и бесподналадочности сварочной проволоки позволяет расширить технологические возможности способа 3D-печати электродуговой наплавкой на оборудовании с ЧПУ, путем создания возможности изготовления слоистых композиционных материалов, состоящих из комбинаций различных металлов.

Изобретение может быть использовано для изготовления изделия путем трехмерной печати электродуговой наплавкой на оборудовании с ЧПУ, использующем в процессе производства различные проволоки. На подвижной опоре закреплен шкаф, в верхней поворотной его части размещена система автоматической подачи одной из трех сварочных проволок в экструдер. В неподвижной нижней части размещены сварочный аппарат и катушки со сварочной проволокой разного состава. Механизмы подачи каждой проволоки обеспечивают вытягивание сварочной проволоки с катушки через штуцер, имеющий три входных канала для разных видов проволок и один выходной канал для конкретной наплавляемой проволоки. Гильотина, состоящая из пары лезвий, обеспечивает отрезание части проволоки для ее прохождения обратно по каналу. Экструдер выполнен с возможностью его взаимодействия фрезерным станком с ЧПУ для осуществления наплавки. Модульная система 3D-печати обеспечивает изготовление слоистых композиционных изделий из комбинаций различных металлов методом 3D-печати электродуговой наплавкой на оборудовании с ЧПУ. 4 ил.

Модульная система 3D-печати для наплавочного станка с ЧПУ, характеризующаяся тем, что она содержит экструдер, обеспечивающий подачу проволоки в зону наплавки, и закрепленный на подвижной опоре шкаф, верхняя часть которого выполнена с возможностью ее поворота на 360°, а нижняя является неподвижной и содержит три отсека, в одном из которых размещен сварочный аппарат, в другом – катушки со сварочной проволокой разного состава, а в третьем – газовые сварочные баллоны, при этом в верхней части шкафа предусмотрено отверстие для выхода кабель-канала со сварочной проволокой и размещена система автоматической подачи одной из трех сварочных проволок в экструдер, которая содержит механизмы подачи каждой проволоки, обеспечивающие вытягивание сварочной проволоки с катушки через штуцер, имеющий три входных канала для разных видов проволок и один выходной канал для конкретной наплавляемой проволоки, гильотину для отрезания части проволоки для ее прохождения обратно по каналу, состоящую из пары лезвий, закрепленных винтами на верхней и нижней опорах, соединенных болтами, причем гильотина снабжена кулачком, который выполнен со ступенью, поднимающей нижнюю опору с лезвием, и оснащен шаговым двигателем, а экструдер выполнен с возможностью его взаимодействия с хвостовиком для фрезерного станка, за который крепится шпиндель станка для обеспечения движения экструдера в процессе наплавки, и соединен через траверсу с валом, имеющим ступеньку, с возможностью их закрепления в отсеке на столе наплавочного станка с ЧПУ, причем вал выполнен с возможностью его зажатия в цанге хвостовика гайкой.