一种等离子熔覆直接制造快速成型设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种等离子熔覆直接制造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多个打印平台组成；打印平台包括水平打印台、打印台位置调整装置和电动行走机构；等离子束流加工系统由等离子体发生器、打印距离调节装置、供气装置和送粉装置组成；监控系统包括行走控制器、多个行走位置检测单元、温度检测单元、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，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于快速成型
，尤其是涉及一种等离子熔覆直接制造快速成型设备及方法。
技术介绍
3D打印，学界称为增材制造(Additive Manufacturing，AM)，是利用计算机设计数据采用材料逐层堆积的方法制造实体物品的技术。该技术始于20世纪80年代的快速成型技术，具有三个方面的特征：一是制造技术的重大飞跃。3D打印是数字化技术与制造技术融合催生的一项新兴数字化制造技术；二是制造工艺的深刻变革。3D打印改变了传统切削加工模式，大大减少了加工工序，可以明显缩短新产品的开发成本与周期；三是制造模式的重要突破。3D打印技术对结构复杂、难加工的产品可以实现个性化、定制生产，从而可能改变传统的大规模批量生产方式，带来制造模式的重要突破。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。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。但目前，选区激光熔化快速成型技术还主要存在以下四方面问题：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，这使激光快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制。另外，选区激光熔化快速成型技术一般都需要铺粉的成型缸系统，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。第二、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。第三、激光器是选区激光快速成型设备的核心元件，而激光器价格高
且维护成本高。这使激光快速成型技术的设备成本很高。第四、激光功率低，零件成型效率低。现如今，选区激光快速成型技术中还有基于同步送粉或送丝过程的激光熔覆直接制造技术，它是利用激光束将同步送入的金属粉末或金属丝熔化，通过控制工作台在XY平面依规划轨迹的移动实现零部件的单层制造，在完成一个层面的制造后，Z向升高或降低一定距离，然后重复前一过程，层层叠加直到实现零部件的三维成型。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、送粉装置和控制系统，送粉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，提供一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，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，能同步完成多个工件打印过程，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：一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统和多
个分别供多个待成型工件打印的打印平台组成，多个所述打印平台的结构均相同；每个所述打印平台均包括供待成型工件放置的水平打印台、对水平打印台的位置进行调整的打印台位置调整装置和安装在所述打印台位置调整装置底部的电动行走机构，所述水平打印台安装于所述打印台位置调整装置上；多个所述打印平台的水平打印台均位于同一水平面上；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；所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、对所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台之间的距离进行调节的打印距离调节装置、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置和用于连续向所述等离子体发生器产生的所述等离子束内送入打印材料的送粉装置组成；所述等离子体发生器位于水平打印台上方且其安装在所述打印距离调节装置上，所述送粉装置位于水平打印台上方且其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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统和多个分别供多个待成型工件(3)打印的打印平台组成，多个所述打印平台的结构均相同；每个所述打印平台均包括供待成型工件(3)放置的水平打印台(4)、对水平打印台(4)的位置进行调整的打印台位置调整装置和安装在所述打印台位置调整装置底部的电动行走机构(25)，所述水平打印台(4)安装于所述打印台位置调整装置上；多个所述打印平台的水平打印台(4)均位于同一水平面上；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；所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、对所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(4)之间的距离进行调节的打印距离调节装置、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置(1)和用于连续向所述等离子体发生器产生的所述等离子束内送入打印材料的送粉装置组成；所述等离子体发生器位于水平打印台(4)上方且其安装在所述打印距离调节装置上，所述送粉装置位于水平打印台(4)上方且其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；所述送粉装置的送粉口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；所述监控系统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)、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)、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的位置调整控制器(15)、对所述待控制平台上的待成型工件(3)上表面温度进行实时检测的温度检测单元(9)、对所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(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)，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，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)和距离检测单元(8)均与打印距离调节控制器(10)连接；所述温度检测单元(9)与打印距离调节控制器(10)组成温度调控装置。...

【技术特征摘要】
1.一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统和多个分别供多个待成型工件(3)打印的打印平台组成，多个所述打印平台的结构均相同；每个所述打印平台均包括供待成型工件(3)放置的水平打印台(4)、对水平打印台(4)的位置进行调整的打印台位置调整装置和安装在所述打印台位置调整装置底部的电动行走机构(25)，所述水平打印台(4)安装于所述打印台位置调整装置上；多个所述打印平台的水平打印台(4)均位于同一水平面上；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；所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、对所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(4)之间的距离进行调节的打印距离调节装置、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置(1)和用于连续向所述等离子体发生器产生的所述等离子束内送入打印材料的送粉装置组成；所述等离子体发生器位于水平打印台(4)上方且其安装在所述打印距离调节装置上，所述送粉装置位于水平打印台(4)上方且其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；所述送粉装置的送粉口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；所述监控系统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)、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)、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的位置调整控制器(15)、对所述待控制平台上的待成型工件(3)上表面温度进行实时检测的温度检测单元(9)、对所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(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
\t印距离调节控制器(10)，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，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)和距离检测单元(8)均与打印距离调节控制器(10)连接；所述温度检测单元(9)与打印距离调节控制器(10)组成温度调控装置。2.按照权利要求1所述的一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，其特征在于：所述监控系统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)和对供气管(5)上安装的流量调节阀(24)进行控制的气体流量控制器(12)，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。3.按照权利要求1或2所述的一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，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所述的一种等离子熔覆直接制造快速成型设
\t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。5.按照权利要求1或2所述的一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，其特征在于：所述送粉装置包括送粉器(2)和送粉嘴(6)，所述送粉装置的送粉口为送粉嘴(6)的出粉口；所述送粉器(2)包括开有进料口与送粉出口的外壳和安装在所述外壳内的送粉轮，所述送粉轮由驱动电机(14)进行驱动；所述送粉出口通过送粉管(22)与送粉嘴(6)的进粉口连接；所述监控系统还包括对送粉管(22)的送粉流量进行实时检测的粉末流量检测单元(18)和对驱动电机(14)进行控制的送粉流量控制器(20)，所述粉末流量检测单元(18)与送粉流量控制器(20)连接。6.按照权利要求1或2所述的一种等离子熔覆直接制造快速成型设备，其特征在于：多个所述打印平台的所述打印台位置调整装置为三轴数控机床(16)；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。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：对多个所述待成型工件(3)分别进行三维立体模型获取及分层切片处理；其中，对任一个所述待成型工件(3)进行三维立体模型获取及分层切片处理时，均采用数据处理设备且调用图像处理模块获取该待成型工件(3)的三维立体模型，再调用分层切片模块对该待成型工件(3)的三维立体模型进行分层切片，并获得该待成型工件(3)的多个分层截面图像；多个所述分层截面图像为对该待成型工件(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；多个待成型工件(3)的高度均相同；对多个所述待成型工件(3)的三维立体模型进行分层切片时，分层厚度均相同且所获得分层截面图像的数量均相同；步骤二、扫描路径填充：对步骤一中多个所述待成型工件(3)分别进行扫描路径填充处理；其中，对任一个所述待成型工件(3)进行扫描路径填充处理时，均采用所述数据处理设备且调用所述图像处理模块，对步骤一中获得的该待成型工件(3)的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；步骤三、打印路径获取及下传：采用所述数据处理设备分别获取步骤一中多个所述待成型工件(3)的打印路径；其中，获取任一个所述待成型工件(3)的打印路径时，所述数据处理设备均根据步骤二中获得的该待成型工件(3)的多个所述分层截面的扫描路径，获得该待成型工件(3)的多个所述分层截面的打印路径，且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；步骤四、由下至上逐层打印：对多个所述待成型工件(3)同步进行由下至上逐层打印；其中，对任一个所述待成型工件(3)进行由下至上逐层打印时，均根据步骤三中获得的该待成型工件(3)的多个所述分层截面的打印路径
\t由下至上逐层进行打印，获得由多个成型层由下至上堆叠而成的工件成品；多个所述成型层中位于最底部的成型层为底层；所述成型层的数量与步骤一中该待成型工件(3)的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，步骤三中该待成型工件(3)的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；对多个所述待成型工件(3)同步进行由下至上逐层打印时，过程如下：步骤401、底层打印：对多个所述待成型工件(3)的底层分别进行打印，且多个所述待成型工件(3)的底层打印方法均相同；待多个所述待成型工件(3)的底层均打印完成后，进入步骤402；其中，对任一个所述待成型工件(3)的底层进行打印时，均包括以下步骤：步骤4011、行走移位：通过行走控制器(26)对多个所述打印平台的电动行走机构(25)分别进行控制，将供该待成型工件(3)打印的所述打印平台移...

【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