一種等離子熔覆直接制造快速成型設備及方法技術

本發明專利技術公開了一種等離子熔覆直接制造快速成型設備及方法，該設備由監控系統、等離子束流加工系統和多個打印平臺組成；打印平臺包括水平打印臺、打印臺位置調整裝置和電動行走機構；等離子束流加工系統由等離子體發生器、打印距離調節裝置、供氣裝置和送粉裝置組成；監控系統包括行走控制器、多個行走位置檢測單元、溫度檢測單元、距離檢測單元和打印距離調節控制器；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、打印路徑獲取；四、由下至上逐層打印。本發明專利技術設計合理、操作簡便且成型效率高、使用效果好，無需密閉成型室，并且不需要保護氣氛或真空環境，工件成型過程直接在大氣環境下進行。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于快速成型
，尤其是涉及一種等離子熔覆直接制造快速成型設備及方法。
技術介紹
3D打印，學界稱為增材制造(Additive Manufacturing，AM)，是利用計算機設計數據采用材料逐層堆積的方法制造實體物品的技術。該技術始于20世紀80年代的快速成型技術，具有三個方面的特征：一是制造技術的重大飛躍。3D打印是數字化技術與制造技術融合催生的一項新興數字化制造技術；二是制造工藝的深刻變革。3D打印改變了傳統切削加工模式，大大減少了加工工序，可以明顯縮短新產品的開發成本與周期；三是制造模式的重要突破。3D打印技術對結構復雜、難加工的產品可以實現個性化、定制生產，從而可能改變傳統的大規模批量生產方式，帶來制造模式的重要突破。目前，國內外金屬零件快速成型技術主要是選區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 AND DEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODY BY SELECTIVE LASER MELTING”詳細描述了一種利用三維數字模型制造致密零件的選區激光熔化成形方法及其設備。公開號為CN1603031A的中國專利技術專利“一種金屬零件選區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激光熔化快速成型方法及其裝置，該裝置包括半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器、光束聚焦系統、成型件缸和粉末缸，半導體泵浦YAG激光器或光纖激光器與光束聚焦系統相連接，并聚焦掃描于成型件缸，成型件缸通過鋪粉滾筒與粉末缸相連接，鋪粉滾筒連接有驅動電機，驅動電機與計算機相連接。為了制備更大尺寸或同時制備多個零件，采取了激光器陣列與光學系統陣列方案或移動振鏡方案。公開號為CN 102266942A的中國專利技術專利“直
接制造大型零件的選區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、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、控制系統。所采取的光學系統由多個光學系統單元、機械移動平臺構建，可以任意擴展或縮減光學系統的覆蓋范圍。公開號為CN103071795A的中國專利技術專利“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控系統，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。選區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據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，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，從而實現三維零部件的制造。但目前，選區激光熔化快速成型技術還主要存在以下四方面問題：第一、選區激光熔化快速成型技術需要保護氣氛或真空環境，以避免成型過程中金屬零件的氧化，這使激光快速成型設備結構復雜，成型零件尺寸受到限制。另外，選區激光熔化快速成型技術一般都需要鋪粉的成型缸系統，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。第二、為了保障零件力學性能，選區激光熔化快速成型技術需要流動性好的球形金屬粉末。這使選區激光熔化快速成型設備運行成本很高。第三、激光器是選區激光快速成型設備的核心元件，而激光器價格高
且維護成本高。這使激光快速成型技術的設備成本很高。第四、激光功率低，零件成型效率低。現如今，選區激光快速成型技術中還有基于同步送粉或送絲過程的激光熔覆直接制造技術，它是利用激光束將同步送入的金屬粉末或金屬絲熔化，通過控制工作臺在XY平面依規劃軌跡的移動實現零部件的單層制造，在完成一個層面的制造后，Z向升高或降低一定距離，然后重復前一過程，層層疊加直到實現零部件的三維成型。公開號為CN101885063A的中國專利技術專利“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、送粉裝置和控制系統，送粉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，通過一三維調節器控制送絲方向。控制系統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。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：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；第二、激光功率低且金屬絲的直徑大，難以實現陶瓷及其復合材料零件的快速成型；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。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，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，能同步完成多個工件打印過程，無需密閉成型室，并且不需要保護氣氛或真空環境，工件成型過程直接在大氣環境下進行。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是：一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：由監控系統、等離子束流加工系統和多
個分別供多個待成型工件打印的打印平臺組成，多個所述打印平臺的結構均相同；每個所述打印平臺均包括供待成型工件放置的水平打印臺、對水平打印臺的位置進行調整的打印臺位置調整裝置和安裝在所述打印臺位置調整裝置底部的電動行走機構，所述水平打印臺安裝于所述打印臺位置調整裝置上；多個所述打印平臺的水平打印臺均位于同一水平面上；多個所述打印平臺均位于所述等離子束流加工系統下方，且多個所述打印平臺中位于所述等離子束流加工系統正下方的打印平臺為待控制平臺；所述等離子束流加工系統由安裝有噴頭且用于產生等離子束的等離子體發生器、對所述噴頭的出口與所述待控制平臺的水平打印臺之間的距離進行調節的打印距離調節裝置、為所述等離子體發生器提供工作氣體的供氣裝置和用于連續向所述等離子體發生器產生的所述等離子束內送入打印材料的送粉裝置組成；所述等離子體發生器位于水平打印臺上方且其安裝在所述打印距離調節裝置上，所述送粉裝置位于水平打印臺上方且其位于所述等離子體發生器一側；所述供氣裝置通過供氣管與所述等離子體發生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：由監控系統、等離子束流加工系統和多個分別供多個待成型工件(3)打印的打印平臺組成，多個所述打印平臺的結構均相同；每個所述打印平臺均包括供待成型工件(3)放置的水平打印臺(4)、對水平打印臺(4)的位置進行調整的打印臺位置調整裝置和安裝在所述打印臺位置調整裝置底部的電動行走機構(25)，所述水平打印臺(4)安裝于所述打印臺位置調整裝置上；多個所述打印平臺的水平打印臺(4)均位于同一水平面上；多個所述打印平臺均位于所述等離子束流加工系統下方，且多個所述打印平臺中位于所述等離子束流加工系統正下方的打印平臺為待控制平臺；所述等離子束流加工系統由安裝有噴頭且用于產生等離子束的等離子體發生器、對所述噴頭的出口與所述待控制平臺的水平打印臺(4)之間的距離進行調節的打印距離調節裝置、為所述等離子體發生器提供工作氣體的供氣裝置(1)和用于連續向所述等離子體發生器產生的所述等離子束內送入打印材料的送粉裝置組成；所述等離子體發生器位于水平打印臺(4)上方且其安裝在所述打印距離調節裝置上，所述送粉裝置位于水平打印臺(4)上方且其位于所述等離子體發生器一側；所述供氣裝置(1)通過供氣管(5)與所述等離子體發生器上所開的進氣口連接；所述送粉裝置的送粉口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；所述監控系統包括對多個所述打印平臺的電動行走機構(25)分別進行控制的行走控制器(26)、多個分別對多個所述打印平臺的行走位置進行實時檢測的行走位置檢測單元(27)、對多個所述打印平臺的所述打印臺位置調整裝置分別進行控制的位置調整控制器(15)、對所述待控制平臺上的待成型工件(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所述待控制平臺的水平打印臺(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裝置進行控制的打印距離調節控制器(10)，多個所述打印平臺的電動行走機構(25)和多個所述行走位置檢測單元(27)均與行走控制器(26)連接，多個所述打印平臺的所述打印臺位置調整裝置均與位置調整控制器(15)連接，所述打印距離調節控制器(10)與所述打印距離調節裝置連接，所述溫度檢測單元(9)和距離檢測單元(8)均與打印距離調節控制器(10)連接；所述溫度檢測單元(9)與打印距離調節控制器(10)組成溫度調控裝置。...

【技術特征摘要】
1.一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：由監控系統、等離子束流加工系統和多個分別供多個待成型工件(3)打印的打印平臺組成，多個所述打印平臺的結構均相同；每個所述打印平臺均包括供待成型工件(3)放置的水平打印臺(4)、對水平打印臺(4)的位置進行調整的打印臺位置調整裝置和安裝在所述打印臺位置調整裝置底部的電動行走機構(25)，所述水平打印臺(4)安裝于所述打印臺位置調整裝置上；多個所述打印平臺的水平打印臺(4)均位于同一水平面上；多個所述打印平臺均位于所述等離子束流加工系統下方，且多個所述打印平臺中位于所述等離子束流加工系統正下方的打印平臺為待控制平臺；所述等離子束流加工系統由安裝有噴頭且用于產生等離子束的等離子體發生器、對所述噴頭的出口與所述待控制平臺的水平打印臺(4)之間的距離進行調節的打印距離調節裝置、為所述等離子體發生器提供工作氣體的供氣裝置(1)和用于連續向所述等離子體發生器產生的所述等離子束內送入打印材料的送粉裝置組成；所述等離子體發生器位于水平打印臺(4)上方且其安裝在所述打印距離調節裝置上，所述送粉裝置位于水平打印臺(4)上方且其位于所述等離子體發生器一側；所述供氣裝置(1)通過供氣管(5)與所述等離子體發生器上所開的進氣口連接；所述送粉裝置的送粉口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；所述監控系統包括對多個所述打印平臺的電動行走機構(25)分別進行控制的行走控制器(26)、多個分別對多個所述打印平臺的行走位置進行實時檢測的行走位置檢測單元(27)、對多個所述打印平臺的所述打印臺位置調整裝置分別進行控制的位置調整控制器(15)、對所述待控制平臺上的待成型工件(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所述待控制平臺的水平打印臺(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裝置進行控制的打
\t印距離調節控制器(10)，多個所述打印平臺的電動行走機構(25)和多個所述行走位置檢測單元(27)均與行走控制器(26)連接，多個所述打印平臺的所述打印臺位置調整裝置均與位置調整控制器(15)連接，所述打印距離調節控制器(10)與所述打印距離調節裝置連接，所述溫度檢測單元(9)和距離檢測單元(8)均與打印距離調節控制器(10)連接；所述溫度檢測單元(9)與打印距離調節控制器(10)組成溫度調控裝置。2.按照權利要求1所述的一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：所述監控系統還包括對所述等離子體發生器進行控制的等離子發生控制器(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)上安裝的流量調節閥(24)進行控制的氣體流量控制器(12)，所述等離子發生控制器(7)與所述等離子體發生器連接，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所述的一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：所述等離子體發生器包括等離子槍(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所述的一種等離子熔覆直接制造快速成型設
\t備，其特征在于：還包括一個供多個所述打印平臺的電動行走機構(25)行走的行走軌道，多個所述打印平臺的電動行走機構(25)均位于所述行走軌道上，所述電動行走機構(25)為帶動所述打印平臺沿所述行走軌道進行前后移動的行走機構；多個所述打印平臺的水平打印臺(4)沿所述行走軌道的長度方向由前至后進行布設。5.按照權利要求1或2所述的一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：所述送粉裝置包括送粉器(2)和送粉嘴(6)，所述送粉裝置的送粉口為送粉嘴(6)的出粉口；所述送粉器(2)包括開有進料口與送粉出口的外殼和安裝在所述外殼內的送粉輪，所述送粉輪由驅動電機(14)進行驅動；所述送粉出口通過送粉管(22)與送粉嘴(6)的進粉口連接；所述監控系統還包括對送粉管(22)的送粉流量進行實時檢測的粉末流量檢測單元(18)和對驅動電機(14)進行控制的送粉流量控制器(20)，所述粉末流量檢測單元(18)與送粉流量控制器(20)連接。6.按照權利要求1或2所述的一種等離子熔覆直接制造快速成型設備，其特征在于：多個所述打印平臺的所述打印臺位置調整裝置為三軸數控機床(16)；所述等離子體發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。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：對多個所述待成型工件(3)分別進行三維立體模型獲取及分層切片處理；其中，對任一個所述待成型工件(3)進行三維立體模型獲取及分層切片處理時，均采用數據處理設備且調用圖像處理模塊獲取該待成型工件(3)的三維立體模型，再調用分層切片模塊對該待成型工件(3)的三維立體模型進行分層切片，并獲得該待成型工件(3)的多個分層截面圖像；多個所述分層截面圖像為對該待成型工件(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；多個待成型工件(3)的高度均相同；對多個所述待成型工件(3)的三維立體模型進行分層切片時，分層厚度均相同且所獲得分層截面圖像的數量均相同；步驟二、掃描路徑填充：對步驟一中多個所述待成型工件(3)分別進行掃描路徑填充處理；其中，對任一個所述待成型工件(3)進行掃描路徑填充處理時，均采用所述數據處理設備且調用所述圖像處理模塊，對步驟一中獲得的該待成型工件(3)的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、打印路徑獲取及下傳：采用所述數據處理設備分別獲取步驟一中多個所述待成型工件(3)的打印路徑；其中，獲取任一個所述待成型工件(3)的打印路徑時，所述數據處理設備均根據步驟二中獲得的該待成型工件(3)的多個所述分層截面的掃描路徑，獲得該待成型工件(3)的多個所述分層截面的打印路徑，且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：對多個所述待成型工件(3)同步進行由下至上逐層打印；其中，對任一個所述待成型工件(3)進行由下至上逐層打印時，均根據步驟三中獲得的該待成型工件(3)的多個所述分層截面的打印路徑
\t由下至上逐層進行打印，獲得由多個成型層由下至上堆疊而成的工件成品；多個所述成型層中位于最底部的成型層為底層；所述成型層的數量與步驟一中該待成型工件(3)的所述分層截面的數量相同，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，步驟三中該待成型工件(3)的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；對多個所述待成型工件(3)同步進行由下至上逐層打印時，過程如下：步驟401、底層打印：對多個所述待成型工件(3)的底層分別進行打印，且多個所述待成型工件(3)的底層打印方法均相同；待多個所述待成型工件(3)的底層均打印完成后，進入步驟402；其中，對任一個所述待成型工件(3)的底層進行打印時，均包括以下步驟：步驟4011、行走移位：通過行走控制器(26)對多個所述打印平臺的電動行走機構(25)分別進行控制，將供該待成型工件(3)打印的所述打印平臺移...

【專利技術屬性】
技術研發人員：華云峰，
申請(專利權)人：中研智能裝備有限公司，
類型：發明
國別省市：河北;13