基于弧焊機(jī)器人的金屬3D打印技術(shù)研究

朱朝霞，彭 琨，陳萬新，陽(yáng) 俊

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

1 研究背景及意義

在中國(guó)制造2025背景下，快速成形技術(shù)迅猛發(fā)展,已成為現(xiàn)代模具、模型和零件制造的新型技術(shù)。

目前，快速成形工藝所使用的成形材料大多為非金屬材料，其成形后的零件多用于產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)評(píng)估或展示，而以金屬為成形材料的3D打印產(chǎn)品，還處于研究的起步階段。

弧焊金屬快速成形技術(shù)主要原理是通過軟件進(jìn)行零件的三維建模，并將建好的模型按一定的厚度切片，然后使用熔焊方法沿一定的路徑堆焊成形各切片的幾何形狀，最終形成實(shí)體零件。

該方法具有成形速度快、成形零件組織致密等特點(diǎn),還可實(shí)現(xiàn)多種合金材料的分層堆積,制造梯度材料的零件。因此,基于弧焊機(jī)器人的金屬3D打印技術(shù)研究在快速成形制造領(lǐng)域具有廣闊的前景。

2 研究過程

2.1 建立模型

運(yùn)用UG軟件建立三維模型,該模型外徑為Φ60mm，厚度為5mm,高度為17mm,如圖1所示。

圖1 建立三維模型

2.2 離線編程

圖2 創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡

在工業(yè)機(jī)器人仿真軟件ABB Robot Studio中構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，將UG建立的三維模型（工件）導(dǎo)入ABB Robot Studio仿真軟件中，并將其放置在工業(yè)機(jī)器人的工作區(qū)域內(nèi)的合適位置，在軟件內(nèi)完成工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的創(chuàng)建和程序的建立，如圖2所示，利用對(duì)機(jī)器人的控制按鈕進(jìn)行示教，以對(duì)真實(shí)機(jī)器人同樣的編程方式操作虛擬模型，進(jìn)行軌跡計(jì)算，自動(dòng)生成離線編程程序文件。

2.3 開展實(shí)驗(yàn)

仿真運(yùn)行后，使用6mm厚不銹鋼板作為基板，選用直徑為1.2mm的碳鋼焊絲，Ar+CO2混合氣體，利用ABB機(jī)器人進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 ABB機(jī)器人焊接試驗(yàn)中

3 研究結(jié)果

圖4為焊接機(jī)器人完成第一層的成形件，經(jīng)過N層的堆積疊加后，得到圖5所示成品。

圖4 第一層

通過焊接專業(yè)人員對(duì)試驗(yàn)成品的質(zhì)量評(píng)估，焊接成品達(dá)到了焊機(jī)工藝的實(shí)際要求。

圖5 焊接檢驗(yàn)尺對(duì)成品進(jìn)行檢驗(yàn)

4 存在的問題及解決措施

4.1 焊偏

在實(shí)驗(yàn)的過程中，因中途幾次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡和參數(shù)的設(shè)置，導(dǎo)致圓的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有完全吻合，致使焊接過程中焊槍的焊接位置與前一次的位置不能精準(zhǔn)對(duì)齊。解決辦法，精確設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡。

4.2 成型精度

采用焊接工業(yè)機(jī)器人在焊接的過程中，因采用的是分層疊加，焊絲熔化成液態(tài)后在設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡下形成成形軌跡，并與前一層成型軌跡間相互搭接，直至完成一個(gè)截面，經(jīng)過逐層堆積后，最終完成了零件的成型加工。因此，在成型的過程中，零件的輪廓形狀、精度以及表面粗糙度不易精確控制。故，目前這種方式宜加工表面精度要求不高的零件。

4.3 塌陷

在每一層的起弧和收弧處連接處存在不均勻、不平齊的現(xiàn)象，主要原因是焊槍在尾端的停留時(shí)間稍長(zhǎng)，加上起弧和收弧段金屬液體出現(xiàn)輕微流淌而導(dǎo)致。解決辦法：合理設(shè)置焊槍的停留時(shí)間。

5 結(jié)論

（1）機(jī)器人離線編程技術(shù)結(jié)合三維建模，在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用，不僅能減少機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)時(shí)間，改善編程人員的工作環(huán)境，更能提高編程的效率，提高生產(chǎn)率。

（2）基于弧焊機(jī)器人的金屬3D打印技術(shù)，相較傳統(tǒng)的零件成型方法，材料利用率高，且無需模具，減少了設(shè)計(jì)模具這一步驟。

（3）基于弧焊機(jī)器人的金屬3D打印技術(shù)，相較3D打印，可以成形出以金屬為材料的產(chǎn)品。