一种选区等离子熔铸快速成型设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种选区等离子熔铸快速成型设备及方法，该设备由监控系统、等离子束流加工系统和水平打印台组成；等离子束流加工系统包括多个等离子束流加工装置；每个等离子束流加工装置均由等离子体发生器、打印位置调整装置、供气装置和送丝装置组成；监控系统包括多个等离子束流加工监控装置；每个等离子束流加工监控装置均包括温度检测单元、水平移动控制器、距离检测单元和打印距离调节控制器；该方法包括步骤：一、待成型工件三维立体模型获取及分层切片处理；二、扫描路径填充；三、打印路径获取；四、由下至上逐层打印。本发明专利技术设计合理、操作简便且成型效率高、使用效果好，无需密闭成型室，且不需要保护气氛或真空环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于快速成型
，尤其是涉及一种选区等离子熔铸快速成型设备及方法。
技术介绍
目前，国内外金属零件快速成型技术主要是选区激光熔化快速成型技术(Selective laser melting，SLM)。如专利号为US7047098的美国专利“PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODY BY SELECTIVE LASER MELTING”详细描述了一种利用三维数字模型制造致密零件的选区激光熔化成形方法及其设备。公开号为CN1603031A的中国专利技术专利“一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置”公开了一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置。该装置包括半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器、光束聚焦系统、成型件缸和粉末缸，半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器与光束聚焦系统相连接，并聚焦扫描于成型件缸，成型件缸通过铺粉滚筒与粉末缸相连接，铺粉滚筒连接有驱动电机，驱动电机与计算机相连接。金属零件快速成型技术中还有电子束快速成型技术。如公开号为CN103273065A的中国专利技术专利“一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法”公开了一种无焊缝金属蜂窝构件电子束选区熔化成型方法。该方法包括以下步骤:一、建立无焊缝金属蜂窝构件的三维实体模型；二、进行切层处理，得到各层切片的截面信息，各层切片分别为1#切片、2#切片…、n#切片；三、将基板和金属粉末均放入电子束快速成型机中；四、预热基板；五、制备1#实体片层；六、制备i#实体片层，i为2、3…、n；七、判断i＝n时扫描过程结束；八、除去未成型粉末，得到无焊缝金属蜂窝构件。为了制备更大尺寸或同时制备多个零件，采取了激光器阵列与光学系统阵列方案或移动振镜方案。公开号为CN 102266942A的中国专利技术专利“直接制造大型零件的选区激光熔化快速成型设备”公开了一种直接制造大型致密零件的选区激光熔化快速成型设备。该设备主要包括激光器阵列、光学系统阵列、成型缸、成型缸立体式分段加热保温结构、成型缸重量平衡系统、基板调平装置、双回收缸、双贮粉箱、双定量送粉和落粉装置、铺粉装置、保护气氛罩、气体净化系统、控制系统。所采取的光学系统由多个光学系统单元、机械移动平台构建，可以任意扩展或缩减光学系统的覆盖范围。公开号为CN103071795A的中国专利技术专利“移动振镜选择性激光熔化SLM成形设备”公开了一种移动振镜选择性激光熔化SLM成形设备。该设备包括通过通信线路同带有横向导轨组的X轴直线电机和纵向导轨组的Y轴直线电机相连接的数控系统，X轴直线电机和Y轴直线电机构成了扫描驱动结构，该扫描驱动结构同激光扩束准直镜组驱动连接,激光扩束准直镜组底部卡入振镜单元，在振镜单元下方设置有成形工作组件，在成形工作组件和振镜单元之间设置有惰性气体气帘。选区激光熔化快速成型设备的基本工作原理是：先在计算机上利用Pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型(即三维立体模型)，然后通过切片软件对该三维模型进行分层切片，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，激光束通过振镜扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层；随后，工作缸下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件下一层的制造；如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。现如今，选区激光熔化快速成型技术主要存在以下三方面问题：第一、选区激光熔化快速成型技术需要保护气氛或真空环境，以避免成型过程中金属零件的氧化。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，能量源激光器系统价格高，成型设备价格昂贵。第二、选区激光熔化快速成型技术需要铺粉的成型缸系统。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低。第三、为了保障零件力学性能，选区激光熔化快速成型技术需要流动性好的球形金属粉末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。另外，公开号为CN101885063A的中国专利技术专利“激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法”公开了一种激光熔覆丝材的快速成型方法及其设备，该设备主要包括三维运动的工作台、激光器装置、送丝装置和控制系统。其中，送丝装置包括夹送辊轮对，夹送辊轮对的主动轮与步进电机连接，通过一个三维调节器控制送丝方向。控制系统包括多轴运动控制卡，多轴运动控制卡分别与步进电机、工作台驱动电机和激光装置连接。成型方法包括建模、指令转换、薄片成型和沉积成型等步骤，通过激光熔融金属丝，形成熔滴，熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件。但是，上述激光熔覆成型设备及方法主要存在以下三方面问题：第一、激光不能保护熔滴，需要在送丝嘴处通保护气体，保护气体容易冷却熔滴，对熔滴凝固及分层成型产生不利影响，导致三维金属零件力学性能较低。第二、激光功率低且金属丝的直径大，难以实现陶瓷及其复合材料零件的快速成型。第三、由于表面张力原因，熔滴冷却凝固成型时产生圆形收缩，导致零件表面不光滑。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种选区等离子熔铸快速成型设备，其结构简单、设计合理且使用操作简便、成型效率高、使用效果好，无需密闭成型室，并且不需要保护气氛或真空环境，工件成型过程直接在大气环境下进行。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统和供待成型工件放置的水平打印台组成；所述等离子束流加工系统包括多个等离子束流加工装置，多个所述等离子束流加工装置的结构均相同；每个所述等离子束流加工装置均由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置、用于连续送出被加工丝材的送丝装置和对打印位置进行调整的打印位置调整装置组成，所述等离子体发生器和所述送丝装置均位于水平打印台上方，所述送丝装置位于所述等离子体发生器一侧；所述供气装置通过供气管与所述等离子体发生器上所开的进气口连接；所述被加工丝材的外端为熔化端，所述熔化端位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中心轴线上；所述打印位置调整装置包括带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等离子体发生器、所述送丝装置与所述水平移动装置同步移动并相应对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节的打印距离调节装置，所述等离子体发生器和所述送丝装置均安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打印距离调节装置上；所述监控系统包括多个分别对所述等离子束流加工装置进行监控的等离子束流加工监控装置，所述等离子束流加工监控装置的数量与所述等离子束流加工系统中所包括等离子束流加工装置的数量相同，多个所述等离子束流加工监控装置分别与多个所述等离子束流加工装置连接；所述等离子束流加工监控装置的结构均相同；每个所述等离子束流加工监控装置均包括对所监控等离子束流加工装置在待成型工件上的打印位置处温度进行实时检测的温度检测单元、对所述水平移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统和供待成型工件(3)放置的水平打印台(4)组成；所述等离子束流加工系统包括多个等离子束流加工装置，多个所述等离子束流加工装置的结构均相同；每个所述等离子束流加工装置均由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置(1)、用于连续送出被加工丝材(2)的送丝装置和对打印位置进行调整的打印位置调整装置组成，所述等离子体发生器和所述送丝装置均位于水平打印台(4)上方，所述送丝装置位于所述等离子体发生器一侧；所述供气装置(1)通过供气管(5)与所述等离子体发生器上所开的进气口连接；所述被加工丝材(2)的外端为熔化端，所述熔化端位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中心轴线上；所述打印位置调整装置包括带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等离子体发生器、所述送丝装置与所述水平移动装置同步移动并相应对所述喷头的出口与水平打印台(4)之间的距离进行调节的打印距离调节装置，所述等离子体发生器和所述送丝装置均安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打印距离调节装置上；所述监控系统包括多个分别对所述等离子束流加工装置进行监控的等离子束流加工监控装置(30)，所述等离子束流加工监控装置(30)的数量与所述等离子束流加工系统中所包括等离子束流加工装置的数量相同，多个所述等离子束流加工监控装置(30)分别与多个所述等离子束流加工装置连接；所述等离子束流加工监控装置(30)的结构均相同；每个所述等离子束流加工监控装置(30)均包括对所监控等离子束流加工装置在待成型工件(3)上的打印位置处温度进行实时检测的温度检测单元(9)、对所述水平移动装置进行控制的水平移动控制器(24)、对所述喷头的出口与水平打印台(4)之间的距离进行实时检测的距离检测单元(8)和对所述打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器(10)，所述距离检测单元(8)与打印距离调节控制器(10)连接，所述水平移动控制器(24)与所述水平移动装置连接，所述打印距离调节控制器(10)与所述打印距离调节装置连接；所述温度检测单元(9)与打印距离调节控制器(10)连接且二者组成所监控等离子束流加工装置的温度调控装置。...

【技术特征摘要】
1.一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统和供待成型工件(3)放置的水平打印台(4)组成；所述等离子束流加工系统包括多个等离子束流加工装置，多个所述等离子束流加工装置的结构均相同；每个所述等离子束流加工装置均由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置(1)、用于连续送出被加工丝材(2)的送丝装置和对打印位置进行调整的打印位置调整装置组成，所述等离子体发生器和所述送丝装置均位于水平打印台(4)上方，所述送丝装置位于所述等离子体发生器一侧；所述供气装置(1)通过供气管(5)与所述等离子体发生器上所开的进气口连接；所述被加工丝材(2)的外端为熔化端，所述熔化端位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中心轴线上；所述打印位置调整装置包括带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等离子体发生器、所述送丝装置与所述水平移动装置同步移动并相应对所述喷头的出口与水平打印台(4)之间的距离进行调节的打印距离调节装置，所述等离子体发生器和所述送丝装置均安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打印距离调节装置上；所述监控系统包括多个分别对所述等离子束流加工装置进行监控的等离子束流加工监控装置(30)，所述等离子束流加工监控装置(30)的数量与所述等离子束流加工系统中所包括等离子束流加工装置的数量相同，多个所述等离子束流加工监控装置(30)分别与多个所述等离子束流加工装置连接；所述等离子束流加工监控装置(30)的结构均相同；每个所述等离子束流加工监控装置(30)均包括对所监控等离子束流加工装置在待成型工件(3)上的打印位置处温度进行实时检测的温度检测单元(9)、对所述水平移动装置进行控制的水平移动控制器(24)、对所述喷头的出口与水平打印台(4)之间的距离进行实时检测的距离检测单元(8)和对所述打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器(10)，所述距离检测单元(8)与打印距离调节控制器(10)连接，所述水平移动控制器(24)与所述水平移动装置连接，所述打印距离调节控制器(10)与所述打印距离调节装置连接；所述温度检测单元(9)与打印距离调节控制器(10)连接且二者组成所监控等离子束流加工装置的温度调控装置。2.按照权利要求1所述的一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线与竖直面之间的夹角不大于45°；所述打印距离调节装置为沿所述等离子束的中心轴线对所述喷头进行上下调整的上下调整装置(17)，所述距离检测单元(8)为对沿所述等离子束的中心轴线从所述喷头的出口到水平打印台(4)之间的距离进行实时检测的距离检测装置；所述水平打印台(4)为安装在打印台位置调整装置上且能上下移动的移动平台；所述监控系统还包括对所述打印台位置调整装置进行控制的位置调整控制器(15)，所述位置调整控制器(15)与所述打印台位置调整装置连接。3.按照权利要求1或2所述的一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：所述等离子体发生器包括等离子枪(13)，所述喷头为等离子枪(13)前端的阳极喷嘴(13-2)；所述等离子枪(13)包括开有所述进气口的枪体(13-1)、位于枪体(13-1)正前方的阳极喷嘴(13-2)和插装于枪体(13-1)内的阴极(13-3)，所述阳极喷嘴(13-2)位于阴极(13-3)前侧，所述放电室(13-4)位于阴极(13-3)前侧且其位于阳极喷嘴(13-2)的后部内侧，所述阳极喷嘴(13-2)的前部内侧为喷口(13-5)；所述阳极喷嘴(13-2)、阴极(13-3)和放电室(13-4)均与枪体(13-1)呈同轴布设；所述进气口位于枪体(13-1)后侧，所述喷口(13-5)与枪体(13-1)呈同轴布设或与枪体(13-1)中心轴线之间的夹角为30°～45°。4.按照权利要求1或2所述的一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：所述送丝装置包括上部缠绕有被加工丝材(2)的丝盘(6)、对被加工丝材(2)进行输送的送丝机构和对所述送丝机构进行驱动的送丝驱动机构(14)，所述送丝机构位于丝盘(6)内侧且与所述送丝机构连接；所述丝盘(6)同轴安装在转轴上且能绕所述转轴进行转动；每个所述等离子束流加工监控装置(30)均还包括对所述等离子体发生器进行控制的等离子发生控制器(7)、对供气管(5)的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元(11)、对供气管(5)上安装的流量调节阀(29)进行控制的气体流量控制器(12)、对被加工丝材(2)的送丝速度进行实时检测的速度检测单元(18)和对送丝驱动机构(14)进行控制的送丝速度控制器(20)，所述速度检测单元(18)与送丝速度控制器(20)连接；所述等离子发生控制器(7)与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元(11)与气体流量控制器(12)连接。5.按照权利要求1或2所述的一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：所述水平打印台(4)的数量为多个，多个所述水平打印台(4)分别为供多个待成型工件(3)打印的打印平台且其均位于同一水平面上；每个所述水平打印台(4)底部均安装有电动行走机构(25)，多个所述打印平台均位于所述等离子束流加工系统下方，且多个所述打印平台中位于所述等离子束流加工系统正下方的打印平台为待控制平台；所述监控系统还包括对多个所述打印平台的电动行走机构(25)分别进行控制的行走控制器(26)和多个分别对多个所述打印平台的行走位置进行实时检测的行走位置检测单元(27)，所述位置调整控制器(15)对多个所述打印平台的所述打印台位置调整装置分别进行控制；多个所述打印平台的电动行走机构(25)和多个所述行走位置检测单元(27)均与行走控制器(26)连接，多个所述打印平台的所述打印台位置调整装置均与位置调整控制器(15)连接。6.按照权利要求5所述的一种选区等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：还包括一个供多个所述打印平台的电动行走机构(25)行走的行走轨道，多个所述打印平台的电动行走机构(25)均位于所述行走轨道上，所述电动行走机构(25)为带动所述打印平台沿所述行走轨道进行前后移动的行走机构；多个所述打印平台的水平打印台(4)沿所述行走轨道的长度方向由前至后进行布设。7.一种利用如权利要求1所述快速成型设备对待成型工件进行成型的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、待成型工件三维立体模型获取及分层切片处理：采用数据处理设备且调用图像处理模块获取待成型工件(3)的三维立体模型，再调用分层切片模块对待成型工件(3)的三维立体模型进行分层切片，并获得多个分层截面图像；多个所述分层截面图像为对待成型工件(3)的三维立体模型进行分层切片后获得多个分层截面的图像，多个所述分层截面由下至上均匀布设；所述待成型工件(3)的每个所述分层截面均划分为多个分别由多个所述等离子束流加工装置进行打印的打印区；步骤二、扫描路径填充：采用数据处理设备且调用所述图像处理模块，对步骤一中多个所述分层截面图像分别进行处理，并完成多个所述分层截面的扫描路径填充过程，获得多个所述分层截面的扫描路径；每个所述分层截面的扫描路径均包括该分层截面上的多个所述打印区的扫描路径；步骤三、打印路径获取：所述数据处理设备根据步骤二中获得的多个所述分层截面的扫描路径，获得多个所述分层截面的打印路径；每个所述分层截面的打印路径均与该分层截面的扫描路径相同，且每个所述分层截面的打印路径均包括该分层截面上的多个所述打印区的打印路径；步骤四、由下至上逐层打印：根据步骤三中获得的多个所述分层截面的打印路径，由下至上逐层对待成型工件(3)进行打印，获得由多个成型层由下至上堆叠而成的工件成品；所述成型层的数量与步骤一中所述分层截面的数量相同，多个所述成型层的布设位置分别与多个所述分层截面的布设位置一一对应且其层厚均相同，所述成型层的层厚与相邻两个所述分层截面之间的距离相同，步骤三中多个所述分层截面的打印路径分别为多个所述成型层的打印路径；对待成型工件(3)进行打印时，过程如下：步骤401、底层打印：根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，采用所述等离子束流加工系统对待成型工件(3)的当前所打印成型层进行打印；采用所述等离子束流加工系统对当前所打印成型层进行打印时，采用多个所述等离子束流加工装置同步对当前所打印成型层的多个所述打印区分别进行打印；多个所述等离子束流加工装置的打印方法均相同；采用任一个所述等离子束流加工装置对当前所打印成型层的一个所述打印区进行打印时，该等离子束流加工装置的水平移动控制器(24)根据步骤三中所获取的当前所打印成型层中该打印区的打印路径，对所述水平移动装置进行控制并带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动；所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上移动过程中，该等离子束流加工装置将内带熔融液流的等离子束流连续喷至水平打印台(4)上；待熔融液流均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；本步骤中，当前所打印成型层为多个所述成型层中位于最底部的成型层；步骤402、上一层打印，包括以下步骤：步骤4021、水平打印台下移：将水平打印台(4)在竖直方向上进行一次向下移动且向下移动高度与所述成型层的层厚相同；步骤4022、打印及同步温控：根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，采用所述等离子束流加工系统对待成型工件(3)的当前所打印成型层进行打印；采用所述等离子束流加工系统对当前所打印成型层进行打印时，采用多个所述等离子束流加工装置同步对当前所打印成型层的多个所述打印区分别进行打印；多个所述等离子束流加工装置的打印方法均相同；采用任一个所述等离子束流加工装置对当前所打印成型层的一个所述打印区进行打印时，该等离子束流加工装置的水平移动控制器(24)根据步骤三中所获取的当前所打印成型层中该打印区的打印路径，对所述水平移动装置进行控制并带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动；所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上移动过程中，该等离子束流加工装置将内带熔融液流的等离子束流连续喷至当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上；待熔融液流均凝固后，完...

【专利技术属性】
技术研发人员：华云峰，
申请(专利权)人：中研智能装备有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13