一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法技术

本发明专利技术公开了一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法，该打印设备包括龙门式结构机架、高架承墙，机架的龙门平台安装在两侧高架承墙的上端，还包括打印机头、打印成型平台、X轴运动组件、Y轴运动组件、Z轴运动组件、送粉机构、摆动器、打印机头旋转机构、送丝装置、堆焊电源、电气柜。其打印方法包括以下步骤，三维建模，分层切片，工艺准备，实时打印。本发明专利技术利用10千瓦以上等离子弧，熔化送进金属粉或丝，在预先设计控制程序下完成大型产品的3D打印，极大地提高了3D打印的效率，整个系统采用全数字化控制并配备自检和报警系统，主要工艺参数由人机界面设定，极大地方便了操作人员的使用与维护。

【技术实现步骤摘要】
一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法
本专利技术涉及增材制造
，尤其涉及一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法。
技术介绍
由于制造业全球化及市场的激烈竞争，产品的快速开发已成为竞争的重要手段之一，为满足制造业日益变化的客户需求，制造技术必须具有高柔性，能够以小批量甚至单件生产迎合市场。传统金属零件去材或受迫成型制造方法往往工序多、工模具成本高、从设计到零件制造周期长，且对具有复杂内腔结构的零件往往无能为力，难以满足新产品的快速响应的制造需求。20世纪90年代以来，随着等离子技术、信息技术、CAD/CAM技术以及精密机械制造技术的发展，大功率等离子弧3D打印技术在等离子堆焊技术和快速成形技术的基础上应运而生，作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。目前3D打印市场主要分为两种，一种金属3D打印，另一种是非金属多为塑料的3D打印。金属3D打印市场主要被激光所垄断，主要是金属粉层用激光熔化层层堆积成产品；非金属多为塑料的3D打印主要是热融方式，热融的塑料层层堆积成产品。不管是金属3D打印，还是非金属3D打印，打印的产品都是很小的；而且功率都比较小，椐文献记载功率没有超过10千瓦，体积长宽高没有超过1米立方的。大功率金属3D打印市场主要被激光所垄断，但由于激光3D打印设备造价昂贵，且维护保养复杂，对操作者自身素质要求很高，大功率设备由于激光器的限制，至今仍停留在试验阶段。现有的微弧等离子3D打印技术，由于使用的是小功率低密度的微束等离子弧作热源，存在打印效率低、成品性能差等缺点，导致目前国内金属3D打印市场尤其是大型3D打印设备发展相对缓慢，无法与国际接轨，不利于3D打印技术在国内各领域的普遍推广。
技术实现思路
本专利技术的目是提供一种克服目前激光打印和微束等离子打印存在的种种弊端，利用10千瓦以上等离子弧，熔化送进金属粉或丝，在预先设计控制程序下完成大型产品的3D打印。为实现上述目的，采用如下技术方案：一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备，包括机架、高架承墙，所述机架为龙门式结构，所述机架的龙门平台安装在所述两侧高架承墙的上端，还包括打印机头、打印成型平台、X轴运动组件、Y轴运动组件、Z轴运动组件、送粉机构、摆动器、打印机头旋转机构、送丝装置、堆焊电源、电气柜，所述打印成型平台架设在所述机架的平台轨道上，所述Y轴运动组件安装在所述机架的两侧，所述X轴运动组件固定连接在所述Y轴运动组件的前端，所述堆焊电源和电气柜放置在所述龙门平台位于所述Y轴运动组件的后端，所述Z轴运动组件固定在所述X轴运动组件上，所述Z轴运动组件上方分别安装有所述送粉机构和所述送丝装置，所述Z轴运动组件下方连接所述打印机头旋转机构，所述打印机头旋转机构下方连接所述摆动器，所述打印机头固定在所述摆动器上；所述送粉机构通过送粉管与所述打印机头连接，所述送丝装置通过导丝管与所述打印机头连接。优选的，所述打印机头包括焊枪、焊枪夹头、连接管线，所述焊枪通过所述焊枪夹头固定在所述摆动器上，所述焊枪上端分别有水电缆、送粉管、保护气管、离子气管接口。优选的，所述打印成型平台包括导轮、平台电机、蜗杆减速机、平台托架和平台板，所述平台电机与所述蜗杆减速机同轴连接，所述蜗杆减速机末端的齿轮与安装在所述平台轨道上的齿条相啮合，所述平台板安装在所述平台托架上，所述平台托架的四个角分别安装有导轮，所述导轮卡在所述平台轨道上。优选的，所述X轴运动部件包括X轴横板、横移丝杠、螺母、螺母座、直线滑轨、直线滑块、横移电机、横移减速机、竖柱托板，所述横移电机与所述横移减速机同轴连接，所述横移减速机通过联轴器与所述横移丝杠连接，所述直线滑轨与所述横移丝杠固定在所述X轴横板上，所述螺母旋入所述横移丝杠内，所述螺母通过所述螺母座与所述竖柱托板连接，所述竖柱托板两侧连接有所述直线滑块，所述直线滑块嵌入所述直线滑轨内。优选的，所述Y轴运动组件包括直线轨道、导轮、纵移丝杠、螺母、螺母座、纵移电机、纵移减速机，所述直线轨道安装在所述高架承墙上，所述龙门平台两侧安装所述导轮，所述导轮卡入所述直线轨道内，所述高架承墙两侧固定有所述纵移丝杠，所述纵移丝杠内旋入所述螺母，所述螺母通过所述螺母座与所述龙门平台连接，所述纵移电机与所述纵移减速机同轴连接，所述纵移减速机通过联轴器与所述纵移丝杠连接。优选的，所述Z轴运动组件包括升降线性模组、升降电机、行星减速机，所述升降线性模组由丝杠、螺母、螺母座、托板、底板、侧板组成，所述升降电机与所述行星减速机同轴连接，所述行星减速机通过联轴器与所述丝杠连接，所述托板连接所述X轴运动部件。进一步优选的，所述堆焊电源包括等离子电源、熔化极焊电源、氩弧焊电源。权利要求1至7中任一项所述龙门式大功率等离子弧3D打印设备的打印方法，其特征在于包括以下步骤：(1)三维建模：通过扫描或利用CAM软件建立待打印产品的三维数据模型；(2)分层切片：根据待打印产品的制造要求，选定3D打印模式，以及对应工艺参数，将待打印产品的三维数据模型和选定的工艺参数导入3D分成切片软件中，通过软件运算处理得到待打印产品的加工数据代码，据此规划加工路径；(3)工艺准备：根据选定的工艺参数选择合适的焊枪和打印耗材，通过触摸屏HMI输入相应的工艺数据，将加工数据代码导入数控CNC系统中，准备堆焊所需的气体和纯净水，工作平台就位；(4)实时打印：准备好所有材料并配置完所需打印参数后，通过指令开关开启自动打印，工控机和可编程控制器PLC按照预先设定的程序控制各个组件完成3D打印。优选的，所述步骤(4)自动打印包括如下步骤：(1)控制系统收到启动指令后，开始打印前的准备：冷却水泵自动开启，制冷空调设置为自动温控模式，氩气瓶电磁阀开启，待系统检测到循环水，氩气，熔覆电源，打印耗材均正常后进入下一步，如有异常输出相关错误报警，提醒操作人员注意；(2)运动控制系统指挥打印机头XY轴方向，自动定位到打印起点，并下降至起弧高度，等待起弧；(3)离子气打开，经过2-3S打开非弧电源并开启高频引弧，待非弧正常点燃后，高频停止，同时，送粉气和保护气自动打开，延时数秒后送粉气或送丝机开始供应打印物料，同时转弧电源开启；(4)当系统检测到打印机头有电流输入时，表示转弧成功起弧，待电流稳定后启动数控系统，打印机头按照预先输入的加工轨迹数据逐层完成打印，控制系统根据设定的工艺参数实时控制整个打印过程；(5)打印完成后输出停止信号，系统运行停止程序：转弧电流衰减直至完全熄灭，电流下降到一定值时关闭送粉，转弧熄灭后，依次关闭送粉气，保护气，摆动器，打印机头自动回到系统原点，待打印机头冷却到常温后，关闭冷却水泵。本专利技术提供的龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法的有益效果是：采用龙门结构适宜打印大型构件，填补了目前激光3D打印和微束等离子3D打印的技术空白，运用大功率等离子弧作热源，可打印大型工件，极大地提高了3D打印的效率，整个系统采用全数字化控制并配备自检和报警系统，主要工艺参数由人机界面设定，极大地方便了操作人员的使用与维护，是一种高效廉价具有广阔市场前景的3D打印设备。本专利技术的控制系统：1、采用特殊功能型PLC数字化堆焊工艺控制系统，设计了一整套专用软件，来满足3D打印工艺控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备，包括机架、高架承墙、所述机架为龙门式结构，所述机架的龙门平台安装在所述两侧高架承墙的上端，其特征在于：还包括打印机头、打印成型平台、X轴运动组件、Y轴运动组件、Z轴运动组件、送粉机构、摆动器、打印机头旋转机构、送丝装置、堆焊电源、电气柜，所述打印成型平台架设在所述机架的平台轨道上，所述Y轴运动组件安装在所述机架的两侧，所述X轴运动组件固定连接在所述Y轴运动组件的前端，所述堆焊电源和电气柜放置在所述龙门平台位于所述Y轴运动组件的后端，所述Z轴运动组件固定在所述X轴运动组件上，所述Z轴运动组件上方分别安装有所述送粉机构和所述送丝装置，所述Z轴运动组件下方连接所述打印机头旋转机构，所述打印机头旋转机构下方连接所述摆动器，所述打印机头固定在所述摆动器上；所述送粉机构通过送粉管与所述打印机头连接，所述送丝装置通过导丝管与所述打印机头连接。

【技术特征摘要】
1.一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备，包括机架、高架承墙、所述机架为龙门式结构，所述机架的龙门平台安装在两侧所述高架承墙的上端，其特征在于：还包括打印机头、打印成型平台、X轴运动组件、Y轴运动组件、Z轴运动组件、送粉机构、摆动器、打印机头旋转机构、送丝装置、堆焊电源、电气柜，所述打印成型平台架设在所述机架的平台轨道上，所述Y轴运动组件安装在所述机架的两侧，所述X轴运动组件固定连接在所述Y轴运动组件的前端，所述堆焊电源和电气柜放置在所述龙门平台位于所述Y轴运动组件的后端，所述Z轴运动组件固定在所述X轴运动组件上，所述Z轴运动组件上方分别安装有所述送粉机构和所述送丝装置，所述Z轴运动组件下方连接所述打印机头旋转机构，所述打印机头旋转机构下方连接所述摆动器，所述打印机头固定在所述摆动器上；所述送粉机构通过送粉管与所述打印机头连接，所述送丝装置通过导丝管与所述打印机头连接；所述打印机头包括焊枪、焊枪夹头、连接管线，所述焊枪通过所述焊枪夹头固定在所述摆动器上，所述焊枪上端分别有水电缆、送粉管、保护气管、离子气管接口；所述打印成型平台包括导轮、平台电机、蜗杆减速机、平台托架和平台板，所述平台电机与所述蜗杆减速机同轴连接，所述蜗杆减速机末端的齿轮与安装在所述平台轨道上的齿条相啮合，所述平台板安装在所述平台托架上，所述平台托架的四个角分别安装有导轮，所述导轮卡在所述平台轨道上。2.根据权利要求1所述的龙门式大功率等离子弧3D打印设备，其特征在于：所述X轴运动部件包括X轴横板、横移丝杠、螺母、螺母座、直线滑轨、直线滑块、横移电机、横移减速机、竖柱托板，所述横移电机与所述横移减速机同轴连接，所述横移减速机通过联轴器与所述横移丝杠连接，所述直线滑轨与所述横移丝杠固定在所述X轴横板上，所述螺母旋入所述横移丝杠内，所述螺母通过所述螺母座与所述竖柱托板连接，所述竖柱托板两侧连接有所述直线滑块，所述直线滑块嵌入所述直线滑轨内。3.根据权利要求1所述的龙门式大功率等离子弧3D打印设备，其特征在于：所述Y轴运动组件包括直线轨道、导轮、纵移丝杠、螺母、螺母座、纵移电机、纵移减速机，所述直线轨道安装在所述高架承墙上，所述龙门平台两侧安装所述导轮，所述导轮卡入所述直线轨道内，所述高架承墙两侧固定有所述纵移丝杠，所述纵移丝杠内旋入所述螺母，所述螺母通过所述螺母座与所述龙门平台连接，所述纵移电机与所述纵移减速机同轴连接，所述纵移减速机通过联轴器与所述纵移丝杠连接。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：高捷，胡思文，高荣发，
申请(专利权)人：武汉高力热喷涂工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42