CN105234538A - 一种龙门式大功率等离子弧3d打印设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备与方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明的控制系统：

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打印工艺控制要求，实现了在多种打印模式下的精细化控制，确保了打印成品的质量。

2、由工业计算机构成产品信息采集处理和打印机头三维运动控制系统，实现了打印机头在三维成形空间中的精准定位，使其能按照CAD/CAM生成的运动轨迹行走，与专用的3D打印系统相比，提高了制造效率，降低了系统成本。

3、通过人机界面HMI的组网技术构成互联网+体系，可实现产品在线加工和远程监控、诊断、操作，提高了设备的柔韧性和稳定性。

本发明的核心技术是一种涵盖多种电弧熔敷先进工艺和全数字化的大型成套设备，用于有特殊表面性能要求的产品制造和再制造，能大幅提高金属零件制造效率，缩短产品设计生产周期，同时能提高零件的耐腐蚀、耐磨损、耐高温的性能，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的龙门式大功率等离子弧3D打印机的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的龙门式大功率等离子弧3D打印设备控制系统的结构图。

其中，1-平台电机，2-平台轨道，3-打印成型平台，4-横移电机，5-横移减速机，6-横移丝杠，7-送粉机构，8-送粉电机，9-粉斗，10-升降线性模组，11-升降电机，12-电源柜，13-电气柜，14-纵移电机，15-纵移减速机，16-纵移丝杠，17-观察窗，18-高架承墙，19-送丝盘，20-送丝电机，21-送丝装置，22-打印机头旋转电机，23-打印机头旋转机构，24-摆动器，25-摆动电机，26-打印机头，27-氩气供气瓶，28-制冷水箱，29-电气操作柜。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

如图1所示，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、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，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。

打印机头包括焊枪、焊枪夹头、连接管线，焊枪通过焊枪夹头固定在摆动器24滑板上，焊枪上端分别有水电缆、送粉管、保护气管、离子气管接口，对应连接制冷水箱28，电源柜12，送粉机构7，供气板。

打印成型平台3架设在平台轨道2上，通过平台电机1传动蜗杆减速机，蜗杆减速机齿轮与平台轨道2下方的齿条相互啮合，通过平台电机1的旋转运动，经蜗杆减速机传动齿条，带动整个打印成型平台3做纵向移动，在轨道两端设置有限位开关，以防止平台冲出轨道。

X轴运动部件包括：X轴横板、横移丝杠6、螺母、螺母座、直线滑轨、直线滑块、横移电机4、横移减速机5、竖柱托板，横移电机4与横移减速机5同轴啮合连接，横移减速机5通过联轴器与横移丝杠6连接，直线滑轨与横移丝杠6固定在X轴横板上，螺母旋入丝杠内，螺母通过螺母座与竖柱托板连接，竖柱托板两侧连接有直线滑块，滑块嵌入滑轨内。横移减速机5采用行星减速机，横移丝杠6选用滚珠丝杠。

横移电机4、横移减速机5与横移丝杠6共同组成打印机的横向X轴移动机构，横移电机4与横移行星减速机5直接同轴联接，横移减速机5与横移滚珠丝杠6通过联轴器相啮合，通过横移电机4的旋转，经过横移行星减速机5带动横移丝杠6转动，通过安装在机架平台上的螺母使整个打印机头做X轴横向移动。

Y轴运动组件包括：直线轨道、导轮、龙门平台、高架承墙18、纵移丝杠16、螺母、螺母座、纵移电机14、纵移减速机15，龙门平台两侧安装导轮，导轮卡入直线轨道内，直线轨道安装在高架承墙18上，同时在高架承墙18两侧还固定有纵移丝杠16，移丝杠16内旋入螺母，螺母通过螺母座与龙门平台连接，纵移电机14与纵移减速机15同轴啮合连接，纵移减速机15通过联轴器与纵移丝杠16连接。纵移减速机15选用行星减速机，纵移丝杠16选用滚珠丝杠。

纵移电机14、纵移减速机15与纵移丝杠16共同组成打印机的纵向Y轴移动机构，纵移电机14采用双电机涉及分别对称安装在两侧，通过程序控制两台纵移电机14分别沿相反方向旋转实现打印机的Y轴同步运转，纵移电机14与纵移减速机15直接同轴连接，纵移减速机15与纵移丝杠16通过联轴器相啮合，纵向Y轴运动机构对称安装在机架的两侧，平均分配打印机架负载，实现了打印机头纵向Y轴的高速平稳运行。

Z轴运动组件主要由升降线性模组10、升降电机11、行星减速机、竖柱托板组成，线性模组是由丝杠、螺母、螺母座、托板、底板、侧板组成，升降电机11与行星减速机同轴啮合连接，行星减速机通过联轴器与升降线性模组10丝杠连接，线性模块的托板连接一块竖柱托板，竖柱托板安装在X轴运动部件上。

Z轴升降线性模组10和升降电机11组成打印机头的竖向Z轴升降移动机构，升降电机11通过联轴器直接连接Z轴升降线性模组，通过控制升降电机11的正反转，实现打印机头在Z轴的上下升降运动。

送粉机构7包括：粉斗9、粉盒、聚粉漏斗、送粉电机8、减速机、送粉皮带轮、皮带、送粉管，粉斗9安装在粉盒上端，粉盒上有聚粉漏斗，聚粉漏斗下方有皮带，皮带紧绷在两个送粉皮带轮上，送粉皮带轮固定在粉盒内，粉盒下端出粉处连接送粉管。送粉电机8通过键槽与减速机连接，减速机通过键槽与皮带轮连接。

粉斗9内通过送粉气体-氩气的压力和粉末自身重力作用，落入送粉机构7内，通过送粉电机8的转动带动送粉机构7内部的皮带轮旋转，将粉末经送粉管送入打印机头26，实现打印机的连续供料。

摆动器24包括：摆动电机25、线性模块、机头连接板，线性模块由丝杠、螺母、螺母座、托板、底板、侧板组成，摆动电机通过联轴器与线性模块的丝杠连接，线性模块的托板作为机头连接板，连接打印机头26。

摆动电机25驱动摆动器24实现打印机头26在摆动轴方向上的往复运动，通过触摸屏设定摆动的频率和幅度，打印机头26的摆动有效的加大了打印轨迹的宽度，提高了打印的效率。

打印机头旋转机构23包括打印机头旋转电机22、减速机、齿轮盘、垂直立柱，连接板，打印机头旋转电机22与减速机通过键槽相啮合，减速机连接齿轮盘，将水平方向的旋转转换为竖直方向的旋转，齿轮盘下方的垂直立柱与齿轮连接，立柱用于收拢进入打印机头26的管线，立柱旁边固定一块连接板，用于连接摆动器24。

由于打印的轨迹为曲线，因此摆动轴要始终与运动轨迹的法线方向一致，为此需要引入运动轨迹法线跟踪系统，将打印机头26安装在打印机头旋转机构23上，通过软件控制打印机头旋转电机22，驱动打印机头旋转机构23实现运动轨迹的实时法线跟踪，保持摆动轴与运动轨迹的法线方向一致。

送丝装置21由送丝电机20、送丝盘19、减速箱、送丝轮、校直轮、送丝嘴和焊丝盘组成，送丝电机与减速箱同轴连接，减速箱通过齿轮与送丝轮和校直轮连接，送丝轮和校直轮均为两两相啮合，焊丝通过齿轮间的送丝槽经送丝嘴送入焊枪，送丝盘19固定在齿轮箱上端。

送丝盘19、送丝电机20与送丝装置21组成打印机的送丝机，所需的打印丝材预先盘在送丝盘上，丝材前端卡进送丝装置21的导轮，经绝缘软管穿入打印机头26，通过送丝电机20的转动，传动送丝装置21的导轮将丝材送入打印机头26。

堆焊电源柜包括等离子电源、熔化极焊电源、氩弧焊电源、连接线缆，这三种电源分别对应三种不同的焊机，焊机固定在电源柜12内，控制电缆与电气柜13连接，各个电源的正负极分别于平台和焊枪连接。

电源柜12内放置的三种类型电源，等离子电源，熔化极焊电源，氩弧焊电源，其中等离子电源的打印方式主要是通过等离子弧熔化金属粉末来逐层熔覆打印，熔化极焊电源和氩弧焊电源的打印方式为通过电弧熔化合金焊丝来实现打印。

制冷水箱28包括：冷凝器、水箱、水泵、压力表、控制电器，冷凝器引出的铜管盘绕在水箱内，水泵进水端通过金属编制软管与水箱连接，出水端连接四通分接头，一路连接水压表，一路连接水泵，一路连接回水控制阀门，一路连接出水端，控制电器连接冷凝器和水泵，分别控制他们的启停。

电气柜13内主要安装了一块电气主控板，其中布置有平台电机1、横移电机4、送粉电机8、升降电机11、纵移电机14、送丝电机20所对应的伺服驱动器、步进驱动器或变频器，还有控制整个工艺的可编程控制器PLC及相关的电源滤波器、断路器、开关电源、接触器、中间继电器、接线端子等低压电器控制元件。

整个打印机的龙门平台安装在两侧的高架承墙18的上端，高架承墙18上配置多个观察窗17，观察窗17主要由黑玻璃和铝框组成，便于操作人员对打印状态的实时观察。

机架外配置了氩气供气瓶27，制冷水箱28，电气操作柜29，其中氩气供气瓶27为打印机头26供应所需的氩气，氩气纯度应为99.99％以上，减压阀低压端压力为0.2-0.4MPa；制冷水箱28为打印机提供冷却水，降低机头前端的温度，并保证等离子弧的稳定，为此水温应控制在20-25℃之间。

如图2所示，PC显示器、人机界面、操作键盘鼠标、指令开关、数字化仪表、流量计和工业计算机共同组成电气操作柜29，它是控制系统的核心，其中，工业计算机PC主要负责3D打印机的建模、切片、运动控制、信号处理等功能，人机界面主要为操作者提供可视化的操作界面，并担负联网功能，实现远程遥控与在线加工。

本实施例结构特点：

(1)采用4000×6000mm大型龙门式导轨，有效行程长3000×宽2000×高1500mm，非常适合大型构件的3D打印制造；

(2)大型成型平台安放在轨道上，便于大型成品的移动吊装和设备的安装维护；

(3)多种堆焊电源共同放置在龙门平台上，通过更换不同的打印机头和耗材，可方便的切换打印模式以适应制造要求。

一种大功率等离子弧3D打印方法是利用10千瓦以上等离子弧，熔化送进金属粉或絲，在预先设计控制程序下一层一层打印成激光3D打印机不能完成的大型产品，具体步骤如下：

三维建模：通过三维扫描仪对要制造的产品实物模型进行扫描，将得到的扫描数据通过相应的软件转换为三维实物数据模型，也可直接利用安装在工控机内的CAM软件预先设计好产品的三维数据模型。

分层切片：根据产品的制造要求，先选定3D打印的模式(熔化极焊、TIG焊和PTA焊)和工艺参数，在将产品的三维数据模型与选定好的工艺参数导入专用的3D分成切片软件中，经过软件的运算处理就能得到加工数据代码。

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。

实时打印：准备好所有材料并配置完所需打印参数后，即可开始实施3D打印，整个过程完全实现自动化操控，无需人为干预，操作者只需监控PC显示屏和HMI屏的数据即可完成这一过程。

一种龙门式大功率等离子弧3D打印设备的控制方法，包括以下步骤：

(1)由操作人员手工绘制所要打印的产品的三维数字模型，也可由3D扫描仪将真实产品的模型扫描形成三维数字模型。

(2)操作人员通过键盘和鼠标开启等离子3D打印专用切片软件，输入产品三维数字模型，通过该软件的自动运算将产品模型分解为一层层的二维数据代码，在此过程中，允许操作人员选择每层的加工路径以获取最优的效果。

(3)操作人员将切片软件生成的运动数据导入数控系统中，通过人机界面选择合适的电弧类型，包括等离子弧、熔化极焊电弧、氩弧焊电弧，并配置相关工艺参数，包括每层打印厚度(mm)、电弧电流(A)、电弧电压(V)、打印速度(mm/min)、离子气流量(L/min)、送粉气流量(L/min)、保护气流量(L/min)、送粉量(g/min)、摆动频率(C/min)、摆动幅度(mm)，再通过指令开关开启自动打印系统，工控机和可编程控制器PLC按照预先设定的程序指挥各个组件完成3D打印。

步骤(3)所述自动打印的具体步骤如下：

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，如不正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，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。

本发明提供的龙门式大功率等离子弧3D打印设备及其控制方法的优点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。

控制系统的创新点是：

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打印工艺控制要求，实现了在多种打印模式下的精细化控制，确保了打印成品的质量。

2、由工业计算机构成产品信息采集处理和打印机头三维运动控制系统，实现了打印机头在三维成形空间中的精准定位，使其能按照CAD/CAM生成的运动轨迹行走，与专用的3D打印系统相比，提高了制造效率，降低了系统成本。

3、通过人机界面HMI的组网技术构成互联网+体系，可实现产品在线加工和远程监控、诊断、操作，提高了设备的柔韧性和稳定性。

Claims (9)

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。

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。

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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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：所述堆焊电源包括等离子电源、熔化极焊电源、氩弧焊电源。

8.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。

9.根据权利要求8所述的打印方法，其特征在于：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。