一種等離子3d快速成型設備及成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等離子3D快速成型設備及成型方法，該設備由監(jiān)控系統(tǒng)、等離子束流加工系統(tǒng)和供待成型工件放置的水平打印臺組成；等離子束流加工系統(tǒng)由等離子體發(fā)生器、供氣裝置、用于連續(xù)送出被加工絲材的送絲裝置和打印位置調整裝置組成；監(jiān)控系統(tǒng)包括位置調整控制器、溫度檢測單元、距離檢測單元和打印距離調節(jié)控制器，溫度檢測單元與打印距離調節(jié)控制器組成溫度調控裝置；該方法包括步驟：一、待成型工件三維立體模型獲取及分層切片處理；二、掃描路徑填充；三、打印路徑獲??；四、由下至上逐層打印。本發(fā)明設計合理、操作簡便且成型效率高、使用效果好，無需密閉成型室，且不需要保護氣氛或真空環(huán)境，工件成型過程直接在大氣環(huán)境下進行。
【專利說明】
一種等罔子3D快速成型設備及成型方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于快速成型技術領域，尤其是涉及一種等離子3D快速成型設備及成型方法。
【背景技術】
[0002]目前，國內外金屬零件快速成型技術主要是選區(qū)激光熔化快速成型技術(Selective laser melting，SLM)。如專利號為 US7047098 的美國專利 “PROCESS ANDDEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODY BY SELECTIVE LASER MELTING” 中詳細描述了一種利用三維數(shù)字模型制造致密零件的選區(qū)激光熔化成形方法及其設備。公開號為CN102266942A的中國發(fā)明專利“直接制造大型零件的選區(qū)激光熔化快速成型設備”公開了一種直接制造大型致密零件的選區(qū)激光熔化快速成型設備，該設備主要包括激光器陣列、光學系統(tǒng)陣列、成型缸、成型缸立體式分段加熱保溫結構、成型缸重量平衡系統(tǒng)、基板調平裝置、雙回收缸、雙貯粉箱、雙定量送粉和落粉裝置、鋪粉裝置、保護氣氛罩、氣體凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。公開號為CN1603031A的中國發(fā)明專利“一種金屬零件選區(qū)激光熔化快速成型方法及其裝置”公開了一種金屬零件選區(qū)激光熔化快速成型方法及其裝置，該裝置包括半導體栗浦YAG激光器或光纖激光器、光束聚焦系統(tǒng)、成型件缸和粉末缸，半導體栗浦YAG激光器或光纖激光器與光束聚焦系統(tǒng)相連接，并聚焦掃描于成型件缸，成型件缸通過鋪粉滾輪與粉末缸相連接，鋪粉滾輪連接有驅動電機，驅動電機與計算機相連接。公開號為CN103071795A的中國發(fā)明專利“移動振鏡選擇性激光熔化SLM成形設備”公開了一種移動振鏡選擇性激光熔化SLM成形設備，該設備包括通過通信線路同帶有橫向導軌組的X軸直線電機和縱向導軌組的Y軸直線電機相連接的數(shù)控系統(tǒng)，X軸直線電機和Y軸直線電機構成了掃描驅動結構，該掃描驅動結構同激光擴束準直鏡組驅動連接，激光擴束準直鏡組底部卡入振鏡單元，在振鏡單元下方設置有成形工作組件，在成形工作組件和振鏡單元之間設置有惰性氣體氣簾。
[0003]選區(qū)激光熔化快速成型設備的基本工作原理是:先在計算機上利用Pro/e、UG、CATIA等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型(即三維立體模型)，然后通過切片軟件對該三維模型進行分層切片，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，在工作缸內平鋪一定厚度的粉末，依照計算機的控制，激光束通過振鏡掃描的方式按照三維零部件圖形的切片處理結果選擇性地熔化預置粉末層；隨后，工作缸下降一定距離并再次鋪粉，激光束在振鏡的帶動下再次按照零部件的三維圖形完成零部件下一層的制造；如此重復鋪粉、掃描和工作缸下降等工序，從而實現(xiàn)三維零部件的制造。
[0004]現(xiàn)如今，選區(qū)激光熔化快速成型技術主要存在以下三方面問題:
[0005]第一、選區(qū)激光熔化快速成型技術需要保護氣氛或真空環(huán)境，以避免成型過程中金屬零件的氧化。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備結構復雜，成型零件尺寸受到限制，能量源激光器系統(tǒng)價格高，成型設備價格昂貴。
[0006]第二、選區(qū)激光熔化快速成型技術需要鋪粉的成型缸系統(tǒng)。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備結構復雜，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率較低。
[0007]第三、為了保障零件力學性能，選區(qū)激光熔化快速成型技術需要流動性好的球形金屬粉末。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備運行成本很高。
[0008]另外，公開號為CN101885063A的中國發(fā)明專利“激光熔覆成型設備及一種金屬零件的激光熔覆成型方法”公開了一種激光熔覆絲材的快速成型方法及其設備，該設備主要包括三維運動的工作臺、激光器裝置、送絲裝置和控制系統(tǒng)。其中，送絲裝置包括夾送輥輪對，夾送輥輪對的主動輪與步進電機連接，通過一個三維調節(jié)器控制送絲方向?？刂葡到y(tǒng)包括多軸運動控制卡，多軸運動控制卡分別與步進電機、工作臺驅動電機和激光裝置連接。成型方法包括建模、指令轉換、薄片成型和沉積成型等步驟，通過激光熔融金屬絲，形成熔滴，熔滴在工作臺上堆積冷卻，并隨工作臺運動形成薄片，各個薄片依次一層層沉積而形成三維金屬零件。
[0009]但是，上述激光熔覆成型設備及方法主要存在以下三方面問題:
[0010]第一、激光不能保護熔滴，需要在送絲嘴處通保護氣體，保護氣體容易冷卻熔滴，對熔滴凝固及分層成型產生不利影響，導致三維金屬零件力學性能較低。
[0011]第二、激光功率低且金屬絲的直徑大，難以實現(xiàn)陶瓷及其復合材料零件的快速成型。
[0012]第三、由于表面張力原因，熔滴冷卻凝固成型時產生圓形收縮，導致零件表面不光滑。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種等離子3D快速成型設備，其結構簡單、設計合理且使用操作簡便、成型效率高、使用效果好，無需密閉成型室，并且不需要保護氣氛或真空環(huán)境，工件成型過程直接在大氣環(huán)境下進行。
[0014]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:由監(jiān)控系統(tǒng)、等離子束流加工系統(tǒng)和供待成型工件放置的水平打印臺組成；
[0015]所述等離子束流加工系統(tǒng)由安裝有噴頭且用于產生等離子束的等離子體發(fā)生器、為所述等離子體發(fā)生器提供工作氣體的供氣裝置、用于連續(xù)送出被加工絲材的送絲裝置和對打印位置進行調整的打印位置調整裝置組成，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均位于水平打印臺上方，所述送絲裝置位于所述等離子體發(fā)生器一側；所述供氣裝置通過供氣管與所述等離子體發(fā)生器上所開的進氣口連接；所述被加工絲材的外端為熔化端，所述熔化端位于所述噴頭的出口下方且其位于所述等離子束的中心軸線上；所述打印位置調整裝置包括帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動的水平移動裝置和帶動所述等離子體發(fā)生器、所述送絲裝置與所述水平移動裝置同步移動并相應對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行調節(jié)的打印距離調節(jié)裝置，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均安裝在所述水平移動裝置上，且所述水平移動裝置安裝在所述打印距離調節(jié)裝置上；
[0016]所述監(jiān)控系統(tǒng)包括對所述水平移動裝置進行控制的水平移動控制器、對待成型工件上表面溫度進行實時檢測的溫度檢測單元、對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行實時檢測的距離檢測單元和對所述打印距離調節(jié)裝置進行控制的打印距離調節(jié)控制器，所述水平移動控制器與所述水平移動裝置連接，所述打印距離調節(jié)控制器與所述打印距離調節(jié)裝置連接，所述溫度檢測單元和距離檢測單元均與打印距離調節(jié)控制器連接；所述溫度檢測單元與打印距離調節(jié)控制器組成溫度調控裝置。
[0017]上述一種等離子3D快速成型設備，其特征是:所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述等離子體發(fā)生器進行控制的等離子發(fā)生控制器、對供氣管的氣體流量進行實時檢測的氣體流量檢測單元和對供氣管上安裝的流量調節(jié)閥進行控制的氣體流量控制器，所述等離子發(fā)生控制器與所述等離子體發(fā)生器連接，所述氣體流量檢測單元與氣體流量控制器連接。
[0018]上述一種等離子3D快速成型設備，其特征是:所述等離子體發(fā)生器包括等離子槍，所述噴頭為等離子槍前端的陽極噴嘴；所述等離子槍包括開有所述進氣口的槍體、位于槍體正前方的陽極噴嘴和插裝于槍體內的陰極，所述陽極噴嘴位于陰極前側，所述放電室位于陰極前側且其位于陽極噴嘴的后部內側，所述陽極噴嘴的前部內側為噴口 ；所述陽極噴嘴、陰極和放電室均與槍體呈同軸布設；所述進氣口位于槍體后側，所述噴口與槍體呈同軸布設或與槍體中心軸線之間的夾角為30°?45°。
[0019]上述一種等離子3D快速成型設備，其特征是:所述送絲裝置包括上部纏繞有被加工絲材的絲盤、對被加工絲材進行輸送的送絲機構和對所述送絲機構進行驅動的送絲驅動機構，所述送絲機構位于絲盤內側且與所述送絲機構連接；所述絲盤同軸安裝在轉軸上且能繞所述轉軸進行轉動。
[0020]上述一種等離子3D快速成型設備，其特征是:所述送絲機構為送絲滾輪，所述送絲滾輪包括主動滾輪組和從動滾輪組，所述主動滾輪組包括兩個均由送絲驅動機構進行驅動且轉動方向相反的主動滾輪，所述從動滾輪組包括兩個轉動方向相反且分別位于被加工絲材兩側的從動滾輪，所述主動滾輪組位于所述從動滾輪組一側，兩個所述主動滾輪分別位于被加工絲材兩側；
[0021]所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對被加工絲材的送絲速度進行實時檢測的速度檢測單元和對送絲驅動機構進行控制的送絲速度控制器，所述速度檢測單元與送絲速度控制器連接。
[0022]上述一種等離子3D快速成型設備，其特征是:所述等離子體發(fā)生器產生的等離子束的中心軸線與豎直面之間的夾角不大于45° ;所述打印距離調節(jié)裝置為沿所述等離子束的中心軸線對所述噴頭進行上下調整的上下調整裝置，所述距離檢測單元為對沿所述等離子束的中心軸線從所述噴頭的出口到水平打印臺之間的距離進行實時檢測的距離檢測裝置；
[0023]所述水平打印臺為安裝在打印臺位置調整裝置上且能上下移動的移動平臺；
[0024]所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述打印臺位置調整裝置進行控制的位置調整控制器，所述位置調整控制器與所述打印臺位置調整裝置連接。
[0025]同時，本發(fā)明還公開一種方法步驟簡單、設計合理且實現(xiàn)方便、使用效果好的等離子3D快速成型方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
[0026]步驟一、待成型工件三維立體模型獲取及分層切片處理:采用數(shù)據(jù)處理設備且調用圖像處理模塊獲取待成型工件的三維立體模型，再調用分層切片模塊對待成型工件的三維立體模型進行分層切片，并獲得多個分層截面圖像；
[0027]多個所述分層截面圖像為對待成型工件的三維立體模型進行分層切片后獲得多個分層截面的圖像，多個所述分層截面由下至上均勻布設；
[0028]步驟二、掃描路徑填充:采用數(shù)據(jù)處理設備且調用所述圖像處理模塊，對步驟一中多個所述分層截面圖像分別進行處理，并完成多個所述分層截面的掃描路徑填充過程，獲得多個所述分層截面的掃描路徑；
[0029]步驟三、打印路徑獲取:所述數(shù)據(jù)處理設備根據(jù)步驟二中獲得的多個所述分層截面的掃描路徑，獲得多個所述分層截面的打印路徑；每個所述分層截面的打印路徑均與該分層截面的掃描路徑相同；
[0030]步驟四、由下至上逐層打印:根據(jù)步驟三中獲得的多個所述分層截面的打印路徑，由下至上逐層對待成型工件進行打印，獲得由多個成型層由下至上堆疊而成的工件成品；所述成型層的數(shù)量與步驟一中所述分層截面的數(shù)量相同，多個所述成型層的布設位置分別與多個所述分層截面的布設位置一一對應且其層厚均相同，所述成型層的層厚與相鄰兩個所述分層截面之間的距離相同，步驟三中多個所述分層截面的打印路徑分別為多個所述成型層的打印路徑；對待成型工件進行打印時，過程如下:
[0031]步驟401、底層打印:所述水平移動控制器根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動；所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至水平打印臺上；待熔融液流均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程；
[0032]本步驟中，當前所打印成型層為多個所述成型層中位于最底部的成型層；
[0033]步驟402、上一層打印，包括以下步驟:
[0034]步驟4021、水平打印臺下移:將水平打印臺在豎直方向上進行一次向下移動且向下移動高度與所述成型層的層厚相同；
[0035]步驟4022、打印及同步溫控:所述水平移動控制器根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動；所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上；待熔融液流均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程；
[0036]本步驟中，所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，通過溫度檢測單元對當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度進行實時檢測并將所檢測溫度信息同步傳送至打印距離調節(jié)控制器，同時通過距離檢測單元對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行實時檢測并將所檢測的距離信息同步傳送至打印距離調節(jié)控制器；所述打印距離調節(jié)控制器根據(jù)溫度檢測單元所檢測的溫度信息且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行調節(jié)，使當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度不高于待成型工件的材質熔點的0.6倍；
[0037]步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述送絲裝置將被加工絲材連續(xù)送出，同時通過所述等離子束流加工系統(tǒng)產生的等離子束對被加工絲材的熔化端進行熔化，并使得所述熔化端熔化形成的熔融液滴連續(xù)并形成液流；所述液流分布于所述等離子束內，形成內帶熔融液流的等離子束流；
[0038]步驟403、多次重復步驟402，直至完成待成型工件所有成型層的打印過程。
[0039]上述方法，其特征是:步驟四中由下至上逐層打印之前，步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設備先根據(jù)預先建立的材質熔點及打印距離數(shù)據(jù)庫，并結合通過參數(shù)輸入單元預先輸入的待成型工件的材質名稱，對待成型工件的基礎打印距離進行確定；所述參數(shù)輸入單元與所述數(shù)據(jù)處理設備相接；
[0040]所述材質熔點及打印距離數(shù)據(jù)庫中存儲有多種材質的材質熔點及打印距離信息，每種所述材質的材質熔點及打印距離信息均包括該種材質的名稱、熔點和基礎打印距離；所述基礎打印距離為5mm?1000mm，且材質熔點越高，基礎打印距離越近；
[0041]步驟401中進行底層打印之前，所述打印距離調節(jié)控制器根據(jù)距離檢測單元所檢測的距離信息且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置將所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離調節(jié)為所述基礎打印距離；步驟401中底層打印過程中，所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離為所述基礎打印距離；
[0042]步驟4022中進行打印及同步溫控之前，所述打印距離調節(jié)控制器根據(jù)距離檢測單元所檢測的距離信息并結合水平打印臺的向下移動次數(shù)與每次向下移動高度，且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置將所述噴頭的出口與當前已打印好的下一個所述成型層的上表面之間的距離調節(jié)為所述基礎打印距離；步驟4022中對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行調節(jié)時，所述打印距離調節(jié)控制器根據(jù)溫度檢測單元所檢測的溫度信息并結合距離檢測單元所檢測的距離信息對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行調節(jié)，使當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度控制在待成型工件的材質熔點的0.1倍?0.6倍之間；并且，對所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行調節(jié)時，調節(jié)幅度為5mm?60mm，且材質恪點越高，調節(jié)幅度越小。
[0043]上述方法，其特征是:所述送絲裝置包括上部纏繞有被加工絲材的絲盤、對被加工絲材進行輸送的送絲機構和對所述送絲機構進行驅動的送絲驅動機構，所述送絲機構位于絲盤內側且與所述送絲機構連接；所述絲盤同軸安裝在轉軸上且能繞所述轉軸進行轉動；
[0044]所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述等離子體發(fā)生器進行控制的等離子發(fā)生控制器、對供氣管的氣體流量進行實時檢測的氣體流量檢測單元、對供氣管上安裝的流量調節(jié)閥進行控制的氣體流量控制器、對被加工絲材的送絲速度進行實時檢測的速度檢測單元和對送絲驅動機構進行控制的送絲速度控制器，所述速度檢測單元與送絲速度控制器連接，所述等離子發(fā)生控制器與所述等離子體發(fā)生器連接，所述氣體流量檢測單元與氣體流量控制器連接，所述距離檢測單元與氣體流量控制器連接；
[0045]步驟四中由下至上逐層打印之前，步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設備先根據(jù)預先建立的氣體流量及送絲速度數(shù)據(jù)庫，并結合預先設定的所述成型層的層厚，對供氣管的基礎氣體流量和所述送絲裝置的送絲速度進行確定；
[0046]所述氣體流量及送絲速度數(shù)據(jù)庫內存儲有多種不同層厚的成型層所需的送絲速度和基礎氣體流量；所述基礎氣體流量為5ml/min?500ml/min，且所述送絲裝置的送絲速度越大，所述基礎氣體流量越大；
[0047]步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述速度檢測單元對所述送絲裝置的送絲速度進行實時檢測并將所檢測信息同步傳送至送絲速度控制器，所述送絲速度控制器根據(jù)預先確定的所述送絲裝置的送絲速度并結合速度檢測單元所檢測信息對送絲驅動機構進行控制，使所述送絲裝置的送絲速度均與預先確定的送絲速度相同；
[0048]步驟401中進行底層打印之前，所述氣體流量控制器根據(jù)氣體流量檢測單元所檢測信息且通過控制流量調節(jié)閥將供氣管的氣體流量調整為所述基礎氣體流量；步驟401中底層打印過程中，所述供氣管的氣體流量為所述基礎氣體流量；
[0049]步驟4022中進行打印及同步溫控過程中，所述氣體流量控制器根據(jù)氣體流量檢測單元所檢測信息并結合距離檢測單元所檢測距離信息，且通過控制流量調節(jié)閥對供氣管的氣體流量進行增減調整；并且，所述噴頭的出口與水平打印臺之間的距離越大，所述供氣管的氣體流量越大。
[0050]上述方法，其特征是:步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述被加工絲材的送絲速度為0.lm/min?10m/min，所述被加工絲材的直徑為0.02mm?1mm ;所述被加工絲材的直徑越大，送絲速度越慢；且被加工絲材的材質熔點越高，送絲速度越慢；
[0051]步驟四中由下至上逐層打印之前，將被加工絲材的熔化端與水平打印臺之間的距離調整為預先設定的送絲高度，所述送絲高度為5mm?100mm ;步驟四中由下至上逐層打印過程中，被加工絲材的熔化端高度不變。
[0052]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0053]1、所采用的等離子3D快速成型設備結構簡單、設計合理且投入成本較低、加工制作及安裝布設方便。
[0054]2、所采用的等離子3D快速成型設備無需密閉成型室，并且不需要保護氣氛或真空環(huán)境，工件成型過程直接在大氣環(huán)境下進行。因而，結構非常簡單，并且成型零件尺寸不受限制，設備價格較低。
[0055]3、等離子3D快速成型設備的打印材料(即被加工絲材)供給在能量源等離子束中(材料的液滴等離子束流)，不需要鋪粉的成型缸系統(tǒng)不需要鋪粉系統(tǒng)，僅需一個送絲裝置即可，結構大幅度簡化。
[0056]4、所采用的等離子3D快速成型設備使用操作簡便、智能化程度且成型效率高、使用效果好，所成型工件的質量高。所采用的監(jiān)控系統(tǒng)包括對打印臺位置調整裝置進行控制的位置調整控制器、對待成型工件上表面溫度進行實時檢測的溫度檢測單元、對噴頭的出口與水平打印臺之間的距離進行實時檢測的距離檢測單元和對打印距離調節(jié)裝置進行控制的打印距離調節(jié)控制器，位置調整控制器與打印臺位置調整裝置連接，打印距離調節(jié)控制器與打印距離調節(jié)裝置連接，溫度檢測單元和距離檢測單元均與打印距離調節(jié)控制器連接；溫度檢測單元與打印距離調節(jié)控制器組成溫度調控裝置。實際使用過程中，溫度調控系統(tǒng)中的打印距離調節(jié)控制器根據(jù)溫度檢測單元所檢測信息對打印距離調節(jié)裝置進行控制，使得打印距離能自適應調節(jié)，這樣既能防止因打印距離過近造成已打印完成的成型層再出現(xiàn)熔化的問題，并且也能防止因打印距離過遠造成的成型精度較低、熔融液流在噴至下一個打印層上表面之前發(fā)生凝固等問題，使得成型過程易于控制，且實現(xiàn)方便，同時能有效防止工件表面發(fā)生氧化，因而無需設置密閉的真空環(huán)境。另外，所采用的監(jiān)控系統(tǒng)還包括氣體流量自適應調節(jié)和送絲速度自適應調節(jié)功能，智能化程度高。
[0057]5、等離子3D快速成型設備采用的能量源為等離子束，等離子束功率可達數(shù)十千瓦，能熔化金屬、陶瓷、樹脂以及其它復合材料，實現(xiàn)上述材料零件的3D打印。產生等離子束的等離子發(fā)生器(具體是等離子槍)結構簡單，運行維護成本低，設備成本低。
[0058]6、等離子3D快速成型設備所打印材料的熔融液滴在等離子束流中，等離子束本身具有保護作用，再加上工作氣體的作用，能有效防止打印材料的氧化，該設備不需要保護氣氛或真空環(huán)境，直接在大氣環(huán)境下使用，具有設備結構簡單、運行成本低、成型零件尺寸不受限制等優(yōu)點。
[0059]7、等離子3D快速成型設備采用送絲裝置將被加工絲材連續(xù)送至等離子束中，打印材料成本低。
[0060]8、等離子3D快速成型設備打印時材料狀態(tài)由液態(tài)凝固成固態(tài)，工藝過程簡化，降低了 3D打印的工藝難度和成本。同時，在工作氣體(等離子束內含未電離的工作氣體)的作用下，被加工絲材的熔化端在等離子束內加熱并熔化成熔融狀態(tài)形成微小的液滴，熔化后的熔融液滴連續(xù)并形成液流且隨等離子束一并噴出，形成內帶熔融液流的等離子束流；由于被加工絲材經(jīng)熔化后形成的熔融液流隨等離子束噴出后，形成內帶打印材料熔融液流的微液流，形成澆鑄式成型，避免了熔滴冷卻凝固成型時產生的圓形收縮現(xiàn)象，零件力學性能高，表面光滑，降低了快速成型的工藝難度。
[0061]9、所采用的等離子3D快速成型方法步驟簡單、設計合理且實現(xiàn)方便、使用效果好，等離子束具有保護作用，不需要保護氣氛或真空環(huán)境，直接在大氣環(huán)境下進行打印。并且，打印材料供給在能量源等離子束中(材料的熔融液流等離子束流)，不需要鋪粉的成型缸系統(tǒng)。打印時，材料狀態(tài)由液態(tài)凝固成固態(tài)，工藝過程簡化，降低了 3D打印的工藝難度和成本，并且打印零件不再受尺寸限制。由上述內容可知，本發(fā)明對傳統(tǒng)的等離子堆焊方法進行本質上改進，現(xiàn)有的等離子堆焊方法一般均設置有等離子弧壓調高器，等離子槍與工件表面的距離不大于15mm，適用范圍受限。而本發(fā)明中，打印距離能在大范圍內進行調節(jié)，適應不同材質打印需求，并且能有效保證工件成型質量。
[0062]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
【附圖說明】
[0063]圖1為本發(fā)明等離子3D快速成型設備的結構示意圖。
[0064]圖2為本發(fā)明實施例1中等離子槍的結構示意圖。
[0065]圖3為本發(fā)明監(jiān)控系統(tǒng)的電路原理框圖。
[0066]圖4為本發(fā)明進氣環(huán)的結構示意圖。
[0067]圖5為本發(fā)明進氣環(huán)本體的結構示意圖。
[0068]圖6為本發(fā)明等離子3D快速成型方法的流程框圖。
[0069]圖7為本發(fā)明實施例2中等離子槍的結構示意圖。
[0070]附圖標記說明:
[0071]I 一供氣裝置；2—被加工絲材；3—待成型工件；
[0072]4 一水平打印臺；5—供氣管；6—絲盤；
[0073]7—等離子發(fā)生控制器；8—距離檢測單元； 9一溫度檢測單元；
[0074]10—打印距離調節(jié)控制器；11 一氣體流量檢測單元；
[0075]12—氣體流量控制器；13—等離子槍；13-1—槍體；
[0076]13-2—陽極噴嘴；13-3—陰極；13-4—放電室；
[0077]13~5一嗔口 ；13-6—絕緣層；14一送絲驅動機構；
[0078]15—位置調整控制器；16—三軸數(shù)控機床；17—上下調整裝置；
[0079]18—速度檢測單元；19一送絲滾輪；20—送絲速度控制器；
[0080]21 —進氣環(huán)；21-1—進氣環(huán)本體；21-2—環(huán)形密封蓋；
[0081]21-3—環(huán)形進氣槽；21-4—外側進氣孔；21_5 —內側進氣孔；
[0082]22—三維調節(jié)支架；22-1—X軸移動機構；
[0083]22-2一Y軸移動機構；23—PC機；24—水平移動控制器；
[0084]25一流量調節(jié)閥。
【具體實施方式】
[0085]如圖1所示的一種等離子3D快速成型設備，由監(jiān)控系統(tǒng)、等離子束流加工系統(tǒng)和供待成型工件3放置的水平打印臺4組成。
[0086]所述等離子束流加工系統(tǒng)由安裝有噴頭且用于產生等離子束的等離子體發(fā)生器、為所述等離子體發(fā)生器提供工作氣體的供氣裝置1、用于連續(xù)送出被加工絲材2的送絲裝置和對打印位置進行調整的打印位置調整裝置組成，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均位于水平打印臺4上方，所述送絲裝置位于所述等離子體發(fā)生器一側；所述供氣裝置I通過供氣管5與所述等離子體發(fā)生器上所開的進氣口連接；所述被加工絲材2的外端為熔化端，所述熔化端位于所述噴頭的出口下方且其位于所述等離子束的中心軸線上；所述打印位置調整裝置包括帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動的水平移動裝置和帶動所述等離子體發(fā)生器、所述送絲裝置與所述水平移動裝置同步移動并相應對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行調節(jié)的打印距離調節(jié)裝置，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均安裝在所述水平移動裝置上，且所述水平移動裝置安裝在所述打印距離調節(jié)裝置上。所述被加工絲材2為打印材料。
[0087]如圖3所示，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括對所述水平移動裝置進行控制的水平移動控制器24、對待成型工件3上表面溫度進行實時檢測的溫度檢測單元9、對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行實時檢測的距離檢測單元8和對所述打印距離調節(jié)裝置進行控制的打印距離調節(jié)控制器10，所述水平移動控制器24與所述水平移動裝置連接，所述打印距離調節(jié)控制器10與所述打印距離調節(jié)裝置連接，所述溫度檢測單元9和距離檢測單元8均與打印距離調節(jié)控制器10連接；所述溫度檢測單元9與打印距離調節(jié)控制器10組成溫度調控裝置。所述溫度檢測單元9為對所述等離子束流加工系統(tǒng)在待成型工件3上的打印位置處溫度進行實時檢測的紅外溫度傳感器。所述距離檢測單元8為激光測距傳感器。
[0088]本實施例中，所述水平移動裝置包括帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在X軸方向上進行水平移動的X軸移動機構22-1和帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在Y軸方向上進行水平移動的Y軸移動機構22-2，因而所述水平移動裝置為X-Y軸移動裝置。
[0089]并且，所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置均安裝在Y軸移動機構22-2上，所述Y軸移動機構22-2安裝在X軸移動機構22-1上，所述X軸移動機構22-1安裝在所述打印距離調節(jié)裝置上。實際使用過程中，通過Y軸移動機構22-2帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在Y軸方向上進行水平移動，通過X軸移動機構22-1帶動Y軸移動機構22-2、所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在X軸方向上進行水平移動，并且通過所述打印距離調節(jié)裝置帶動所述水平移動裝置、所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在所述等離子束的中心軸線上進行移動。
[0090]本實施例中，所述Y軸移動機構22-2、X軸移動機構22-1和所述打印距離調節(jié)裝置組成帶動所述等離子體發(fā)生器(具體是等離子槍13)與所述送絲裝置同步進行三維運動的機械手。
[0091 ] 本實施例中，所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述等離子體發(fā)生器進行控制的等離子發(fā)生控制器7、對供氣管5的氣體流量進行實時檢測的氣體流量檢測單元11和對供氣管5上安裝的流量調節(jié)閥25進行控制的氣體流量控制器12，所述等離子發(fā)生控制器7與所述等離子體發(fā)生器連接，所述氣體流量檢測單元11與氣體流量控制器12連接。
[0092]如圖2所示，所述等離子體發(fā)生器包括等離子槍13，所述噴頭為等離子槍13前端的陽極噴嘴13-2。所述等離子槍13包括開有所述進氣口的槍體13-1、位于槍體13-1正前方的陽極噴嘴13-2和插裝于槍體13-1內的陰極13-3，所述陽極噴嘴13_2位于陰極13_3前側，所述放電室13-4位于陰極13-3前側且其位于陽極噴嘴13-2的后部內側，所述陽極噴嘴13-2的前部內側為噴口 13-5 ;所述陽極噴嘴13-2、陰極13_3和放電室13_4均與槍體
13-1呈同軸布設；所述進氣口位于槍體13-1后側，所述噴口 13-5與槍體13-1呈同軸布設或與所述槍體13-1中心軸線之間的夾角為30°?45°。
[0093]實際使用時，所述等離子槍13安裝在Y軸移動機構22-2上。
[0094]實際使用時，所述等離子槍13也可以采用常規(guī)的其它等離子槍。
[0095]本實施例中，所述陽極噴嘴13-2和槍體13-1之間設置有絕緣層13_6。
[0096]本實施例中，如圖2所示，所述噴口 13-5與槍體13-1呈同軸布設。
[0097]本實施例中，所述供氣管5通過進氣環(huán)21與所述等離子體發(fā)生器上所開的進氣口連接。并且，通過進氣環(huán)21向所述等離子體發(fā)生器內均勻供氣。
[0098]如圖4、圖5所示，所述進氣環(huán)21為圓環(huán)形且其包括進氣環(huán)本體21-1和蓋裝在進氣環(huán)本體21-1上的環(huán)形密封蓋21-2，所述進氣環(huán)本體21-1為圓環(huán)形且其內側壁上開有一個環(huán)形進氣槽21-3，所述進氣環(huán)本體21-1上開有一個與供氣管5相接的外側進氣孔21-4且其內側開有多個內側進氣孔21-5，多個所述內側進氣孔21-5沿圓周方向均勻布設且其均位于環(huán)形進氣槽21-3內側，所述外側進氣孔21-4位于環(huán)形進氣槽21-3外側，所述外側進氣孔21-4和多個所述內側進氣孔21-5均與環(huán)形進氣槽21-3內部相通。
[0099]并且，所述槍體13-1上沿圓周方向開有多個分別與多個所述內側進氣孔21-5相通的槍體進氣孔。
[0100]如圖2所示的等離子槍13使用過程中，所述放電室13-4內產生等離子體，所產生的等離子體形成等離子束并經(jīng)噴口 13-5噴出。
[0101 ] 本實施例中，所述工作氣體為惰性氣體或比氣。
[0102]其中，惰性氣體為Ar氣、He氣和隊氣。
[0103]本實施例中，所述水平打印臺4為安裝在打印臺位置調整裝置上且能上下移動的移動平臺。
[0104]所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述打印臺位置調整裝置進行控制的位置調整控制器15，所述位置調整控制器15與所述打印臺位置調整裝置連接。
[0105]本實施例中，所述打印臺位置調整裝置為三軸數(shù)控機床16。
[0106]并且，所述位置調整控制器15為三軸數(shù)控機床16的控制器。
[0107]實際使用時，所述打印臺位置調整裝置也可以采用其它能完成X、Y和Z軸三個方向運動的裝置或能在豎直方向上進行上下移動的豎向移動裝置。
[0108]實際使用過程中，所述水平打印臺4也可以采用位置固定不動的固定平臺。
[0109]實際使用過程中，所述等離子體發(fā)生器產生的等離子束的中心軸線與豎直面之間的夾角不大于45° ;所述打印距離調節(jié)裝置為沿所述等離子束的中心軸線對所述噴頭進行上下調整的上下調整裝置17，所述距離檢測單元8為對沿所述等離子束的中心軸線從所述噴頭的出口到水平打印臺4之間的距離進行實時檢測的距離檢測裝置。
[0110]本實施例中，所述上下調整裝置17為Z軸方向調整裝置。
[0111]并且，所述上下調整裝置17為伸縮液壓缸。
[0112]本實施例中，所述等離子體發(fā)生器產生的等離子束的中心軸線呈豎直向布設。實際使用時，可根據(jù)具體需要，對所述等離子體發(fā)生器產生的等離子束的中心軸線與豎直面之間的夾角進行相應調整。
[0113]本實施例中，所述送絲裝置包括上部纏繞有被加工絲材2的絲盤6、對被加工絲材2進行輸送的送絲機構和對所述送絲機構進行驅動的送絲驅動機構14，所述送絲機構位于絲盤6內側且與所述送絲機構連接；所述絲盤6同軸安裝在轉軸上且能繞所述轉軸進行轉動。
[0114]本實施例中，所述Y軸移動機構22-2、X軸移動機構22-1和所述打印距離調節(jié)裝置組成三維調節(jié)支架22。實際使用時，通過三維調節(jié)支架22分別在X軸、Y軸和Z軸方向上對被加工絲材2的送絲方向和等離子槍13的位置進行調節(jié)。
[0115]本實施例中，所述送絲機構為送絲滾輪19，所述送絲滾輪19包括主動滾輪組和從動滾輪組，所述主動滾輪組包括兩個均由送絲驅動機構14進行驅動且轉動方向相反的主動滾輪，所述從動滾輪組包括兩個轉動方向相反且分別位于被加工絲材2兩側的從動滾輪，所述主動滾輪組位于所述從動滾輪組一側，兩個所述主動滾輪分別位于被加工絲材2兩側。
[0116]本實施例中，所述送絲驅動機構14為步進電機。實際使用過程中，通過改變所述步進電機的轉速，對所述送絲裝置的送絲速度進行簡便、快速調整。
[0117]并且，所述送絲裝置的送絲速度為勻速。
[0118]實際安裝時，所述絲盤6、所述送絲機構和送絲驅動機構14均安裝在Y軸移動機構22-2 上。
[0119]本實施例中，所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對被加工絲材2的送絲速度進行實時檢測的速度檢測單元18和對送絲驅動機構14進行控制的送絲速度控制器20，所述速度檢測單元18與送絲速度控制器20連接。
[0120]實際使用時，所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括分別對水平打印臺4在X軸、Y軸和Z軸方向上的位移進行實時檢測的第一位移檢測單元、第二位移檢測單元和第三位移檢測單元，所述第一位移檢測單元、第二位移檢測單元和第三位移檢測單元均與位置調整控制器15連接。
[0121]本實施例中，所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括分別對Y軸移動機構22-2在Y軸方向上的水平位移、對X軸移動機構22-1在X軸方向上的水平位移和對上下調整裝置17在Z軸方向上的水平位移進行實時檢測的第四位移檢測單元、第五位移檢測單元和第六位移檢測單元，所述第四位移檢測單元、第五位移檢測單元和第六位移檢測單元均與水平移動控制器24連接。
[0122]本實施例中，所述等離子發(fā)生控制器7、氣體流量控制器12、位置調整控制器15、打印距離調節(jié)控制器10和送絲速度控制器20均與所述數(shù)據(jù)處理設備相接，所述數(shù)據(jù)處理設備為PC機23。所述供氣裝置I由PC機23進行啟停控制。
[0123]如圖6所示的一種等離子3D快速成型方法，包括以下步驟:
[0124]步驟一、待成型工件三維立體模型獲取及分層切片處理:采用數(shù)據(jù)處理設備且調用圖像處理模塊獲取待成型工件3的三維立體模型，再調用分層切片模塊對待成型工件3的三維立體模型進行分層切片，并獲得多個分層截面圖像；
[0125]多個所述分層截面圖像為對待成型工件3的三維立體模型進行分層切片后獲得多個分層截面的圖像，多個所述分層截面由下至上均勻布設；
[0126]步驟二、掃描路徑填充:采用數(shù)據(jù)處理設備且調用所述圖像處理模塊，對步驟一中多個所述分層截面圖像分別進行處理，并完成多個所述分層截面的掃描路徑填充過程，獲得多個所述分層截面的掃描路徑；
[0127]步驟三、打印路徑獲取:所述數(shù)據(jù)處理設備根據(jù)步驟二中獲得的多個所述分層截面的掃描路徑，獲得多個所述分層截面的打印路徑；每個所述分層截面的打印路徑均與該分層截面的掃描路徑相同；
[0128]步驟四、由下至上逐層打印:根據(jù)步驟三中獲得的多個所述分層截面的打印路徑，由下至上逐層對待成型工件3進行打印，獲得由多個成型層由下至上堆疊而成的工件成品；所述成型層的數(shù)量與步驟一中所述分層截面的數(shù)量相同，多個所述成型層的布設位置分別與多個所述分層截面的布設位置一一對應且其層厚均相同，所述成型層的層厚與相鄰兩個所述分層截面之間的距離相同，步驟三中多個所述分層截面的打印路徑分別為多個所述成型層的打印路徑；多個所述成型層的打印方法均相同；對待成型工件3進行打印時，過程如下:
[0129]步驟401、底層打印:所述水平移動控制器24根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動；所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至水平打印臺4上；待熔融液流(具體是流至水平打印臺4上的熔融液流)均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程；
[0130]本步驟中，當前所打印成型層為多個所述成型層中位于最底部的成型層；
[0131]步驟402、上一層打印，包括以下步驟:
[0132]步驟4021、水平打印臺下移:將水平打印臺4在豎直方向上進行一次向下移動且向下移動高度與所述成型層的層厚相同；
[0133]步驟4022、打印及同步溫控:所述水平移動控制器24根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動；所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上；待熔融液流(具體是流至當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上的熔融液流)均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程；
[0134]本步驟中，所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，通過溫度檢測單元9對當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度進行實時檢測并將所檢測溫度信息同步傳送至打印距離調節(jié)控制器10，同時通過距離檢測單元8對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行實時檢測并將所檢測的距離信息同步傳送至打印距離調節(jié)控制器10 ;所述打印距離調節(jié)控制器10根據(jù)溫度檢測單元9所檢測的溫度信息且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行調節(jié)，使當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度不高于待成型工件3的材質熔點的
0.6 倍;
[0135]步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述送絲裝置將被加工絲材2連續(xù)送出，同時通過所述等離子束流加工系統(tǒng)產生的等離子束對被加工絲材2的熔化端進行熔化，并使得所述熔化端熔化形成的熔融液滴連續(xù)并形成液流；所述液流分布于所述等離子束內，形成內帶熔融液流的等離子束流；
[0136]步驟403、多次重復步驟402，直至完成待成型工件3所有成型層的打印過程。
[0137]實際使用過程中，所述送絲裝置為同步送絲裝置。并且，所述熔融液流在所述工作氣體(等離子束內含未電離的工作氣體)的作用下沿所述等離子束的中心軸線移動。
[0138]步驟401中所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至水平打印臺4上時，內帶的熔融液流同步流至水平打印臺4上。步驟4022中所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上時，內帶的熔融液流同步流至當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上。
[0139]本實施例中，步驟四中由下至上逐層打印之前，步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設備先根據(jù)預先建立的材質熔點及打印距離數(shù)據(jù)庫，并結合通過參數(shù)輸入單元預先輸入的待成型工件3的材質名稱，對待成型工件3的基礎打印距離進行確定；所述參數(shù)輸入單元與所述數(shù)據(jù)處理設備相接；
[0140]所述材質熔點及打印距離數(shù)據(jù)庫中存儲有多種材質的材質熔點及打印距離信息，每種所述材質的材質熔點及打印距離信息均包括該種材質的名稱、熔點和基礎打印距離；所述基礎打印距離為5mm?1000mm，且材質熔點越高，基礎打印距離越近；
[0141]步驟401中進行底層打印之前，所述打印距離調節(jié)控制器10根據(jù)距離檢測單元8所檢測的距離信息且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置將所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離調節(jié)為所述基礎打印距離；步驟401中底層打印過程中，所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離為所述基礎打印距離；
[0142]步驟4022中進行打印及同步溫控之前，所述打印距離調節(jié)控制器10根據(jù)距離檢測單元8所檢測的距離信息并結合水平打印臺4的向下移動次數(shù)與每次向下移動高度，且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置將所述噴頭的出口與當前已打印好的下一個所述成型層的上表面之間的距離調節(jié)為所述基礎打印距離；步驟4022中對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行調節(jié)時，所述打印距離調節(jié)控制器10根據(jù)溫度檢測單元9所檢測的溫度信息并結合距離檢測單元8所檢測的距離信息對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行調節(jié)，使當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度控制在待成型工件3的材質熔點的0.1倍?0.6倍之間；并且，對所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離進行調節(jié)時，調節(jié)幅度為5mm?60mm，且材質恪點越高，調節(jié)幅度越小。
[0143]本實施例中，步驟四中由下至上逐層打印之前，步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設備先根據(jù)預先建立的氣體流量及送絲速度數(shù)據(jù)庫，并結合預先設定的所述成型層的層厚，對供氣管5的基礎氣體流量和所述送絲裝置的送絲速度進行確定；
[0144]所述氣體流量及送絲速度數(shù)據(jù)庫內存儲有多種不同層厚的成型層所需的送絲速度和基礎氣體流量；所述基礎氣體流量為5ml/min?500ml/min，且所述送絲裝置的送絲速度越大，所述基礎氣體流量越大；
[0145]步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述速度檢測單元18對所述送絲裝置的送絲速度進行實時檢測并將所檢測信息同步傳送至送絲速度控制器20，所述送絲速度控制器20根據(jù)預先確定的所述送絲裝置的送絲速度并結合速度檢測單元18所檢測信息對送絲驅動機構14進行控制，使所述送絲裝置的送絲速度均與預先確定的送絲速度相同；
[0146]步驟401中進行底層打印之前，所述氣體流量控制器12根據(jù)氣體流量檢測單元11所檢測信息且通過控制流量調節(jié)閥25將供氣管5的氣體流量調整為所述基礎氣體流量；步驟401中底層打印過程中，所述供氣管5的氣體流量為所述基礎氣體流量；
[0147]步驟4022中進行打印及同步溫控過程中，所述氣體流量控制器12根據(jù)氣體流量檢測單元11所檢測信息并結合距離檢測單元8所檢測距離信息，且通過控制流量調節(jié)閥25對供氣管5的氣體流量進行增減調整；并且，所述噴頭的出口與水平打印臺4之間的距離越大，所述供氣管5的氣體流量越大。
[0148]本實施例中，獲取所述待成型工件3的三維立體模型時，利用pro/e、UG、CATIA等三維制圖軟件設計出待成型工件3的三維立體模型(即三維實體模型)，再通過所述分層切片模塊對該三維立體模型進行分層切片，并得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，相應獲得所述等離子束流加工系統(tǒng)的打印路徑(即各分層截面的打印路徑)。因而，步驟一和步驟二中所采用的方法，與常規(guī)激光選區(qū)熔化成型或電子束選區(qū)熔化成型采用的方法相同。之后，所述三軸數(shù)控機床16根據(jù)所獲得的打印路徑在水平面上進行X和Y軸方向運動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至水平打印臺4上或當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上；待熔融液流均凝固后，完成一個成型層的打印過程；然后，所述三軸數(shù)控機床16在Z軸方向上下降，逐層打印，從而完成三維零件的打印過程。
[0149]本實施例中，步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述被加工絲材2的直徑為0.02mm?10mm，所述被加工絲材2的送絲速度為0.1m?10m/min。其中，被加工絲材2的直徑越大，送絲速度越慢；且被加工絲材2的材質熔點越高，送絲速度越慢。
[0150]所述被加工絲材2的熔化端與打印工作面之間的距離為5mm?1000mm。其中，打印工作面為當前所打印成型層所處的平面，被加工絲材2的熔化端與所述打印工作面之間的距離為送絲高度。
[0151]步驟四中由下至上逐層打印之前，將被加工絲材2的熔化端與水平打印臺4之間的距離調整為預先設定的送絲高度，所述送絲高度為5mm?100mm ;步驟四中由下至上逐層打印過程中，被加工絲材2的熔化端高度不變。步驟401中被加工絲材2的熔化端與水平打印臺4之間的距離為送絲高度，步驟4022中被加工絲材2的熔化端與當前已打印好的下一個所述成型層上表面之間的距離為送絲高度。
[0152]由于水平打印臺4為安裝在打印臺位置調整裝置上的移動平臺，因而步驟三中所獲取的每個所述分層截面的打印路徑也可以均為三軸數(shù)控機床16的加工路徑，此時所述等離子束流加工系統(tǒng)在水平面上不發(fā)生移動，而是由水平打印臺4在水平方面上發(fā)生移動，從而完成各成型層的打印過程。
[0153]實施例2
[0154]本實施例中，如圖7所示，所采用的等離子熔鑄快速成型設備與實施例1不同的是:所述噴口 13-5與槍體13-1中心軸線之間的夾角為30°?45°。
[0155]這樣，通過噴口 13-5對所述等離子束的方向進行改變后，能有效減少等離子射流對陽極噴嘴13-2產生的熱負荷沖擊，改善了陽極燒蝕狀況。
[0156]本實施例中，所采用等離子熔鑄快速成型設備的其余部分結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。
[0157]本實施例中，所采用的等離子熔鑄快速成型方法與實施例1相同。
[0158]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內。
【主權項】
1.一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:由監(jiān)控系統(tǒng)、等離子束流加工系統(tǒng)和供待成型工件(3)放置的水平打印臺(4)組成； 所述等離子束流加工系統(tǒng)由安裝有噴頭且用于產生等離子束的等離子體發(fā)生器、為所述等離子體發(fā)生器提供工作氣體的供氣裝置(I)、用于連續(xù)送出被加工絲材(2)的送絲裝置和對打印位置進行調整的打印位置調整裝置組成，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均位于水平打印臺(4)上方，所述送絲裝置位于所述等離子體發(fā)生器一側；所述供氣裝置(I)通過供氣管(5)與所述等離子體發(fā)生器上所開的進氣口連接；所述被加工絲材(2)的外端為熔化端，所述熔化端位于所述噴頭的出口下方且其位于所述等離子束的中心軸線上；所述打印位置調整裝置包括帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動的水平移動裝置和帶動所述等離子體發(fā)生器、所述送絲裝置與所述水平移動裝置同步移動并相應對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行調節(jié)的打印距離調節(jié)裝置，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均安裝在所述水平移動裝置上，且所述水平移動裝置安裝在所述打印距離調節(jié)裝置上； 所述監(jiān)控系統(tǒng)包括對所述水平移動裝置進行控制的水平移動控制器(24)、對待成型工件(3)上表面溫度進行實時檢測的溫度檢測單元(9)、對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行實時檢測的距離檢測單元(8)和對所述打印距離調節(jié)裝置進行控制的打印距離調節(jié)控制器(10)，所述水平移動控制器(24)與所述水平移動裝置連接，所述打印距離調節(jié)控制器(10)與所述打印距離調節(jié)裝置連接，所述溫度檢測單元(9)和距離檢測單元(8)均與打印距離調節(jié)控制器(10)連接；所述溫度檢測單元(9)與打印距離調節(jié)控制器(10)組成溫度調控裝置。2.按照權利要求1所述的一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述等離子體發(fā)生器進行控制的等離子發(fā)生控制器(7)、對供氣管(5)的氣體流量進行實時檢測的氣體流量檢測單元(11)和對供氣管(5)上安裝的流量調節(jié)閥(25)進行控制的氣體流量控制器(12)，所述等離子發(fā)生控制器(7)與所述等離子體發(fā)生器連接，所述氣體流量檢測單元(11)與氣體流量控制器(12)連接。3.按照權利要求1或2所述的一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:所述等離子體發(fā)生器包括等離子槍(13)，所述噴頭為等離子槍(13)前端的陽極噴嘴(13-2);所述等離子槍(13)包括開有所述進氣口的槍體(13-1)、位于槍體(13-1)正前方的陽極噴嘴(13-2)和插裝于槍體(13-1)內的陰極(13-3)，所述陽極噴嘴(13-2)位于陰極(13_3)前側，所述放電室(13-4)位于陰極(13-3)前側且其位于陽極噴嘴(13-2)的后部內側，所述陽極噴嘴(13-2)的前部內側為噴口(13-5);所述陽極噴嘴(13-2)、陰極(13_3)和放電室(13_4)均與槍體(13-1)呈同軸布設；所述進氣口位于槍體(13-1)后側，所述噴口(13-5)與槍體(13-1)呈同軸布設或與槍體(13-1)中心軸線之間的夾角為30°?45°。4.按照權利要求1或2所述的一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:所述送絲裝置包括上部纏繞有被加工絲材(2)的絲盤(6)、對被加工絲材(2)進行輸送的送絲機構和對所述送絲機構進行驅動的送絲驅動機構(14)，所述送絲機構位于絲盤￠)內側且與所述送絲機構連接；所述絲盤(6)同軸安裝在轉軸上且能繞所述轉軸進行轉動。5.按照權利要求4所述的一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:所述送絲機構為送絲滾輪(19)，所述送絲滾輪(19)包括主動滾輪組和從動滾輪組，所述主動滾輪組包括兩個均由送絲驅動機構(14)進行驅動且轉動方向相反的主動滾輪，所述從動滾輪組包括兩個轉動方向相反且分別位于被加工絲材(2)兩側的從動滾輪，所述主動滾輪組位于所述從動滾輪組一側，兩個所述主動滾輪分別位于被加工絲材(2)兩側； 所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對被加工絲材(2)的送絲速度進行實時檢測的速度檢測單元(18)和對送絲驅動機構(14)進行控制的送絲速度控制器(20)，所述速度檢測單元(18)與送絲速度控制器(20)連接。6.按照權利要求1或2所述的一種等離子3D快速成型設備，其特征在于:所述等離子體發(fā)生器產生的等離子束的中心軸線與豎直面之間的夾角不大于45° ;所述打印距離調節(jié)裝置為沿所述等離子束的中心軸線對所述噴頭進行上下調整的上下調整裝置(17)，所述距離檢測單元(8)為對沿所述等離子束的中心軸線從所述噴頭的出口到水平打印臺(4)之間的距離進行實時檢測的距離檢測裝置； 所述水平打印臺(4)為安裝在打印臺位置調整裝置上且能上下移動的移動平臺；所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述打印臺位置調整裝置進行控制的位置調整控制器(15)，所述位置調整控制器(15)與所述打印臺位置調整裝置連接。7.一種利用如權利要求1所述快速成型設備對待成型工件進行成型的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟一、待成型工件三維立體模型獲取及分層切片處理:采用數(shù)據(jù)處理設備且調用圖像處理模塊獲取待成型工件(3)的三維立體模型，再調用分層切片模塊對待成型工件(3)的三維立體模型進行分層切片，并獲得多個分層截面圖像； 多個所述分層截面圖像為對待成型工件(3)的三維立體模型進行分層切片后獲得多個分層截面的圖像，多個所述分層截面由下至上均勻布設； 步驟二、掃描路徑填充:采用數(shù)據(jù)處理設備且調用所述圖像處理模塊，對步驟一中多個所述分層截面圖像分別進行處理，并完成多個所述分層截面的掃描路徑填充過程，獲得多個所述分層截面的掃描路徑； 步驟三、打印路徑獲取:所述數(shù)據(jù)處理設備根據(jù)步驟二中獲得的多個所述分層截面的掃描路徑，獲得多個所述分層截面的打印路徑；每個所述分層截面的打印路徑均與該分層截面的掃描路徑相同； 步驟四、由下至上逐層打印:根據(jù)步驟三中獲得的多個所述分層截面的打印路徑，由下至上逐層對待成型工件(3)進行打印，獲得由多個成型層由下至上堆疊而成的工件成品；所述成型層的數(shù)量與步驟一中所述分層截面的數(shù)量相同，多個所述成型層的布設位置分別與多個所述分層截面的布設位置一一對應且其層厚均相同，所述成型層的層厚與相鄰兩個所述分層截面之間的距離相同，步驟三中多個所述分層截面的打印路徑分別為多個所述成型層的打印路徑；對待成型工件(3)進行打印時，過程如下: 步驟401、底層打印:所述水平移動控制器(24)根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動；所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至水平打印臺(4)上；待熔融液流均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程； 本步驟中，當前所打印成型層為多個所述成型層中位于最底部的成型層； 步驟402、上一層打印，包括以下步驟: 步驟4021、水平打印臺下移:將水平打印臺(4)在豎直方向上進行一次向下移動且向下移動高度與所述成型層的層厚相同； 步驟4022、打印及同步溫控:所述水平移動控制器(24)根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動；所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至當前已打印好的下一個所述成型層的上表面上；待熔融液流均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程； 本步驟中，所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，通過溫度檢測單元(9)對當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度進行實時檢測并將所檢測溫度信息同步傳送至打印距離調節(jié)控制器(10)，同時通過距離檢測單元(8)對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行實時檢測并將所檢測的距離信息同步傳送至打印距離調節(jié)控制器(10);所述打印距離調節(jié)控制器(10)根據(jù)溫度檢測單元(9)所檢測的溫度信息且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行調節(jié)，使當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度不高于待成型工件(3)的材質熔點的0.6倍； 步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述送絲裝置將被加工絲材(2)連續(xù)送出，同時通過所述等離子束流加工系統(tǒng)產生的等離子束對被加工絲材(2)的熔化端進行熔化，并使得所述熔化端熔化形成的熔融液滴連續(xù)并形成液流；所述液流分布于所述等離子束內，形成內帶熔融液流的等離子束流； 步驟403、多次重復步驟402，直至完成待成型工件(3)所有成型層的打印過程。8.按照權利要求7所述的對待成型工件進行成型的方法，其特征在于:步驟四中由下至上逐層打印之前，步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設備先根據(jù)預先建立的材質熔點及打印距離數(shù)據(jù)庫，并結合通過參數(shù)輸入單元預先輸入的待成型工件(3)的材質名稱，對待成型工件(3)的基礎打印距離進行確定；所述參數(shù)輸入單元與所述數(shù)據(jù)處理設備相接； 所述材質熔點及打印距離數(shù)據(jù)庫中存儲有多種材質的材質熔點及打印距離信息，每種所述材質的材質熔點及打印距離信息均包括該種材質的名稱、熔點和基礎打印距離；所述基礎打印距離為5mm?1000mm，且材質熔點越高，基礎打印距離越近； 步驟401中進行底層打印之前，所述打印距離調節(jié)控制器(10)根據(jù)距離檢測單元(8)所檢測的距離信息且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置將所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離調節(jié)為所述基礎打印距離；步驟401中底層打印過程中，所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離為所述基礎打印距離； 步驟4022中進行打印及同步溫控之前，所述打印距離調節(jié)控制器(10)根據(jù)距離檢測單元(8)所檢測的距離信息并結合水平打印臺(4)的向下移動次數(shù)與每次向下移動高度，且通過控制所述打印距離調節(jié)裝置將所述噴頭的出口與當前已打印好的下一個所述成型層的上表面之間的距離調節(jié)為所述基礎打印距離；步驟4022中對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行調節(jié)時，所述打印距離調節(jié)控制器(10)根據(jù)溫度檢測單元(9)所檢測的溫度信息并結合距離檢測單元(8)所檢測的距離信息對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行調節(jié)，使當前已打印好的下一個所述成型層的上表面溫度控制在待成型工件(3)的材質熔點的0.1倍?0.6倍之間；并且，對所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離進行調節(jié)時，調節(jié)幅度為5mm?60mm，且材質恪點越高，調節(jié)幅度越小。9.按照權利要求7或8所述的對待成型工件進行成型的方法，其特征在于:所述送絲裝置包括上部纏繞有被加工絲材(2)的絲盤(6)、對被加工絲材(2)進行輸送的送絲機構和對所述送絲機構進行驅動的送絲驅動機構(14)，所述送絲機構位于絲盤￠)內側且與所述送絲機構連接；所述絲盤￠)同軸安裝在轉軸上且能繞所述轉軸進行轉動； 所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述等離子體發(fā)生器進行控制的等離子發(fā)生控制器(7)、對供氣管(5)的氣體流量進行實時檢測的氣體流量檢測單元(11)、對供氣管(5)上安裝的流量調節(jié)閥(25)進行控制的氣體流量控制器(12)、對被加工絲材(2)的送絲速度進行實時檢測的速度檢測單元(18)和對送絲驅動機構(14)進行控制的送絲速度控制器(20)，所述速度檢測單元(18)與送絲速度控制器(20)連接，所述等離子發(fā)生控制器(7)與所述等離子體發(fā)生器連接，所述氣體流量檢測單元(11)與氣體流量控制器(12)連接，所述距離檢測單元(8)與氣體流量控制器(12)連接； 步驟四中由下至上逐層打印之前，步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設備先根據(jù)預先建立的氣體流量及送絲速度數(shù)據(jù)庫，并結合預先設定的所述成型層的層厚，對供氣管(5)的基礎氣體流量和所述送絲裝置的送絲速度進行確定； 所述氣體流量及送絲速度數(shù)據(jù)庫內存儲有多種不同層厚的成型層所需的送絲速度和基礎氣體流量；所述基礎氣體流量為5ml/min?500ml/min，且所述送絲裝置的送絲速度越大，所述基礎氣體流量越大； 步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述速度檢測單元(18)對所述送絲裝置的送絲速度進行實時檢測并將所檢測信息同步傳送至送絲速度控制器(20)，所述送絲速度控制器(20)根據(jù)預先確定的所述送絲裝置的送絲速度并結合速度檢測單元(18)所檢測信息對送絲驅動機構(14)進行控制，使所述送絲裝置的送絲速度均與預先確定的送絲速度相同； 步驟401中進行底層打印之前，所述氣體流量控制器(12)根據(jù)氣體流量檢測單元(11)所檢測信息且通過控制流量調節(jié)閥(25)將供氣管(5)的氣體流量調整為所述基礎氣體流量；步驟401中底層打印過程中，所述供氣管(5)的氣體流量為所述基礎氣體流量； 步驟4022中進行打印及同步溫控過程中，所述氣體流量控制器(12)根據(jù)氣體流量檢測單元(11)所檢測信息并結合距離檢測單元(8)所檢測距離信息，且通過控制流量調節(jié)閥(25)對供氣管(5)的氣體流量進行增減調整；并且，所述噴頭的出口與水平打印臺(4)之間的距離越大，所述供氣管(5)的氣體流量越大。10.按照權利要求7或8所述的對待成型工件進行成型的方法，其特征在于:步驟401和步驟4022中所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述被加工絲材⑵的送絲速度為0.lm/min?10m/min，所述被加工絲材⑵的直徑為0.02mm?1mm;所述被加工絲材(2)的直徑越大，送絲速度越慢；且被加工絲材(2)的材質熔點越高，送絲速度越慢； 步驟四中由下至上逐層打印之前，將被加工絲材(4)的熔化端與水平打印臺(4)之間的距離調整為預先設定的送絲高度，所述送絲高度為5mm?100mm ;步驟四中由下至上逐層打印過程中，被加工絲材(2)的熔化端高度不變。
【文檔編號】B28B1/00GK105922571SQ201510788819
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年11月17日
【發(fā)明人】華云峰
【申請人】中研智能裝備有限公司