CN105922573A - 一种等离子3d打印设备及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子3D打印设备及3D打印方法，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、供气装置和送粉器组成；监控系统包括行走控制器、多个行走位置检测单元、位置调整控制器、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、待打印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，工件成型过程直接在大气环境下进行。

Description

一种等离子3D打印设备及3D打印方法

技术领域

本发明属于快速成型技术领域，尤其是涉及一种等离子3D打印设备及3D打印方法。

背景技术

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 LASERMELTING”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的中国发明专利“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的中国发明专利“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的中国发明专利“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，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CN101545121A的中国发明专利“电子束电铸快速成型方法及其设备”公开了一种电子束电铸快速成型方法及其设备，该设备主要包括电子枪、金属电铸材料、XY工作台、Z轴升降台、电铸液、计算机及电源等，利用电子束作为电铸阴极，电铸液的正金属离子通过电子束获得电子进行镀复沉积，先由计算机CAD系统生成零件的三维模型，再用分层切片软件求取零件CAD模型的截面形状，电子束根据截面信息在电铸液上扫描，电铸液在电子束扫描处进行电铸获得零件。公开号为CN103273065A的中国发明专利“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。

但目前，选区电子束快速成型技术主要存在以下三方面问题：

第一、电子束快速成型技术需要真空环境，以形成能量源电子束和避免成型过程中金属零件的氧化。这使电子束快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，成型设备价格昂贵。

第二、电子束快速成型技术需要铺粉系统或成型材料供给系统。这使电子束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，电子束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。

发明内容

本发明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3D打印设备，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，本发明采用的技术方案是：一种等离子3D打印设备，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打印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打印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内送入打印材料的送粉器组成，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；所述等离子体发生器内设置有供所述粉末流通的粉末流通通道，所述粉末流通通道与所述等离子体发生器内的放电室内部相通且其与所述进气口连通，所述粉末流通通道的外端口为进粉口，所述送粉器的送粉口通过送粉管与进粉口连接；

所述监控系统包括对多个所述打印平台的电动行走机构分别进行控制的行走控制器、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、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、对所述待控制平台上的待打印工件上表面温度进行实时检测的温度检测单元、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实时检测的距离检测单元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，多个所述打印平台的电动行走机构和多个所述行走位置检测单元均与行走控制器连接，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连接，所述打印距离调节控制器与所述打印距离调节装置连接，所述温度检测单元和距离检测单元均与打印距离调节控制器连接；所述温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置。

上述一种等离子3D打印设备，其特征是：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、对供气管的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元和对供气管上安装的流量调节阀进行控制的气体流量控制器，所述等离子发生控制器与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元与气体流量控制器连接。

上述一种等离子3D打印设备，其特征是：所述等离子体发生器包括等离子枪，所述喷头为等离子枪前端的阳极喷嘴；所述等离子枪包括开有所述进气口的枪体、位于枪体正前方的阳极喷嘴和插装于枪体内的阴极，所述阳极喷嘴位于阴极前侧，所述放电室位于阴极前侧且其位于阳极喷嘴的后部内侧，所述阳极喷嘴的前部内侧为喷口。

上述一种等离子3D打印设备，其特征是：所述阳极喷嘴、阴极和放电室均与枪体呈同轴布设；所述粉末流通通道与枪体呈倾斜布设且其前端伸入至喷口内，所述粉末流通通道为直线式通道且其包括布设在枪体内的后侧通道和布设在阳极喷嘴内的前侧通道；所述进气口位于枪体后侧，所述喷口与枪体呈同轴布设或与粉末流通通道呈同轴布设。

上述一种等离子3D打印设备，其特征是：还包括一个供多个所述打印平台的电动行走机构行走的行走轨道，多个所述打印平台的电动行走机构均位于所述行走轨道上，所述电动行走机构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沿所述行走轨道的长度方向由前至后进行布设。

上述一种等离子3D打印设备，其特征是：多个所述打印平台的所述打印台位置调整装置均为三轴数控机床；

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，所述距离检测单元为对沿所述等离子束的中心轴线从所述喷头的出口到所述待控制平台的水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测装置。

上述一种等离子3D打印设备，其特征是：所述送粉器包括上部开有进料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进行驱动；所述送粉口位于所述外壳下部；

所述监控系统还包括对送粉管的送粉流量进行实时检测的粉末流量检测单元和对驱动电机进行控制的送粉流量控制器，所述粉末流量检测单元与送粉流量控制器连接。

同时，本发明还公开一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的等离子3D打印方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、待打印工件三维立体模型获取及分层切片处理：对多个所述待打印工件分别进行三维立体模型获取及分层切片处理；

其中，对任一个所述待打印工件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打印工件的三维立体模型，再调用分层切片模块对该待打印工件的三维立体模型进行分层切片，并获得该待打印工件的多个分层截面图像；多个所述分层截面图像为对该待打印工件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；

多个待打印工件的高度均相同；对多个所述待打印工件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打印工件分别进行扫描路径填充处理；

其中，对任一个所述待打印工件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打印工件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打印工件的打印路径；

其中，获取任一个所述待打印工件的打印路径时，所述数据处理设备均根据步骤二中获得的该待打印工件的多个所述分层截面的扫描路径，获得该待打印工件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：对多个所述待打印工件同步进行由下至上逐层打印；

其中，对任一个所述待打印工件进行由下至上逐层打印时，均根据步骤三中获得的该待打印工件的多个所述分层截面的打印路径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打印工件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，步骤三中该待打印工件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；

对多个所述待打印工件同步进行由下至上逐层打印时，过程如下：

步骤401、底层打印：对多个所述待打印工件的底层分别进行打印，且多个所述待打印工件的底层打印方法均相同；待多个所述待打印工件的底层均打印完成后，进入步骤402；

其中，对任一个所述待打印工件的底层进行打印时，均包括以下步骤：

步骤4011、行走移位：通过行走控制器对多个所述打印平台的电动行走机构分别进行控制，将供该待打印工件打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方；此时，位于所述等离子束流加工系统正下方的所述打印平台为待控制平台；

步骤4012、打印：所述位置调整控制器根据步骤三中所获取的该待打印工件的当前所打印成型层的打印路径，对所述待控制平台的打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台在水平面上进行移动；所述水平打印台移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴的等离子束流连续喷至水平打印台上；待所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；

步骤402、上一层打印：对多个所述待打印工件的上一个成型层分别进行打印，且多个所述待打印工件的上一个成型层的打印方法均相同；

其中，对任一个所述待打印工件的上一个成型层进行打印时，均包括以下步骤：

步骤4021、行走移位及水平打印台下移：先通过行走控制器对多个所述打印平台的电动行走机构分别进行控制，将供该待打印工件打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方；此时，位于所述等离子束流加工系统正下方的所述打印平台为待控制平台；之后，所述位置调整控制器通过控制所述待控制平台的打印台位置调整装置，带动水平打印台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：所述位置调整控制器根据步骤三中所获取的该待打印工件的当前所打印成型层的打印路径，对所述待控制平台的打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台在水平面上进行移动；所述水平打印台移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴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；待所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；

本步骤中，所述水平打印台移动过程中，通过温度检测单元对当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至打印距离调节控制器，同时通过距离检测单元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实时检测并将所检测的距离信息同步传送至打印距离调节控制器；所述打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测的温度信息且通过控制所述打印距离调节装置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，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度不高于该待打印工件的材质熔点的0.6倍；

步骤4012和步骤4022中所述水平打印台移动过程中，所述送粉器将所述打印材料连续送至所述等离子体发生器内，且在所述工作气体的作用下送入所述等离子体发生器内的打印材料被送至所述等离子体发生器内产生的等离子束内并熔化为熔融液滴，所述熔融液滴均匀分布于所述等离子束内，并形成内带熔融液滴的等离子束流；

步骤403、多次重复步骤402，直至完成多个所述待打印工件的所有成型层的打印过程，获得打印完成的多个所述待打印工件的工件成品。

上述方法，其特征是：步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的材质熔点及打印距离数据库，并结合通过参数输入单元预先输入的多个所述待打印工件的材质名称，对各待打印工件的基础打印距离分别进行确定；所述参数输入单元与所述数据处理设备相接；

所述材质熔点及打印距离数据库中存储有多种材质的材质熔点及打印距离信息，每种所述材质的材质熔点及打印距离信息均包括该种材质的名称、熔点和基础打印距离；所述基础打印距离为5mm～1000mm，且材质熔点越高，基础打印距离越近；

步骤4012中进行打印之前，所述打印距离调节控制器根据距离检测单元所检测的距离信息且通过控制所述待控制平台的所述打印距离调节装置，将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调节为该待打印工件的所述基础打印距离；步骤4012中打印过程中，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为该待打印工件的所述基础打印距离；

步骤4022中进行打印及同步温控之前，所述打印距离调节控制器根据距离检测单元所检测的距离信息并结合水平打印台的向下移动次数与每次向下移动高度，且通过控制所述待控制平台的所述打印距离调节装置，将所述喷头的出口与当前已打印好的下一个所述成型层的上表面之间的距离调节为该待打印工件的所述基础打印距离；步骤4022中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时，所述打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测的温度信息并结合距离检测单元所检测的距离信息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，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度控制在该待打印工件的材质熔点的0.1倍～0.6倍之间；并且，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时，调节幅度为5mm～60mm，且该待打印工件的材质熔点越高，调节幅度越小；

所述距离检测单元所检测的距离信息为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。

上述方法，其特征是：所述送粉器包括上部开有进料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进行驱动；所述送粉口位于所述外壳下部；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、对供气管的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元、对供气管上安装的流量调节阀进行控制的气体流量控制器、对送粉管的送粉流量进行实时检测的粉末流量检测单元和对驱动电机进行控制的送粉流量控制器，所述等离子发生控制器与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元与气体流量控制器连接；所述粉末流量检测单元与送粉流量控制器连接；所述距离检测单元与气体流量控制器连接；

步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的气体及粉末流量数据库，并结合预先设定的所述成型层的层厚，对供气管的基础气体流量和送粉管的送粉流量进行确定；

所述气体及粉末流量数据库内存储有多种不同层厚的成型层所需的送粉流量和基础气体流量；所述基础气体流量为5ml/min～500ml/min，且送粉管的送粉流量越大，所述基础气体流量越大；

步骤4012和步骤4022中所述水平打印台移动过程中，所述粉末流量检测单元对送粉管的送粉流量进行实时检测并将所检测信息同步传送至送粉流量控制器，所述送粉流量控制器根据预先确定的送粉管的送粉流量并结合粉末流量检测单元所检测信息对驱动电机进行控制，使送粉管的送粉流量均与预先确定的送粉流量相同；

步骤4012中进行打印之前，所述气体流量控制器根据气体流量检测单元所检测信息且通过控制流量调节阀将供气管的气体流量调整为所述基础气体流量；步骤4012中打印过程中，所述供气管的气体流量为所述基础气体流量；

步骤4022中进行打印及同步温控过程中，所述气体流量控制器根据气体流量检测单元所检测信息并结合距离检测单元所检测距离信息，且通过控制流量调节阀对供气管的气体流量进行增减调整；并且，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越大，所述供气管的气体流量越大。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的等离子3D打印设备结构简单、设计合理且投入成本较低、加工制作及安装布设方便。

2、所采用的等离子3D打印设备无需密闭成型室，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。因而，结构非常简单，并且成型零件尺寸不受限制，设备价格较低。

3、等离子3D打印设备的打印材料供给在能量源等离子束中(材料的液滴等离子束流)，不需要铺粉的成型缸系统不需要铺粉系统，仅需一个送粉器即可，结构大幅度简化。

4、所采用的等离子3D打印设备使用操作简便、智能化程度且成型效率高、使用效果好，所成型工件的质量高。所采用的监控系统包括对打印台位置调整装置进行控制的位置调整控制器、对待打印工件上表面温度进行实时检测的温度检测单元、对喷头的出口与水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测单元和对打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器，位置调整控制器与打印台位置调整装置连接，打印距离调节控制器与打印距离调节装置连接，温度检测单元和距离检测单元均与打印距离调节控制器连接；温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置。实际使用过程中，温度调控系统中的打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测信息对打印距离调节装置进行控制，使得打印距离能自适应调节，这样既能防止因打印距离过近造成已打印完成的成型层再出现熔化的问题，并且也能防止因打印距离过远造成的成型精度较低、熔融液滴在喷至下一个打印层上表面之前发生凝固等问题，使得成型过程易于控制，且实现方便，同时能有效防止工件表面发生氧化，因而无需设置密闭的真空环境。另外，所采用的监控系统还包括气体流量自适应调节和粉末流量自适应调节功能，智能化程度高。

5、等离子3D打印设备采用的能量源为等离子束，等离子束功率可达数十千瓦，能熔化陶瓷材料，实现金属、金属陶瓷和陶瓷零件的3D打印。产生等离子束的等离子发生器(具体是等离子枪)结构简单，运行维护成本低，等离子3D打印设备成本低。

6、等离子3D打印设备所打印材料的液滴在等离子束流中，等离子束本身具有保护作用，再加上工作气体的作用，能有效防止打印材料的氧化，该设备不需要保护气氛或真空环境，直接在大气环境下使用，具有设备结构简单、运行成本低、成型零件尺寸不受限制等优点。

7、等离子3D打印设备采用直流电机带动粉轮旋转并通过工作气体辅助将粉末送至等离子束中，可使用一次粉末或造粒粉末，不需要球形粉末。该设备打印材料成本低。

8、等离子3D打印设备打印时材料状态由液态凝固成固态，工艺过程简化，降低了3D打印的工艺难度和成本。同时，在工作气体(等离子束内含未电离的工作气体)的作用下粉末进入等离子束内，并在所述等离子束内加速、加热并熔化成熔融状态形成微小的液滴，该液滴随等离子束一并喷出，形成内带熔融液滴的等离子束流；粉末经熔化后形成的熔融液滴随等离子束喷出后，形成由均匀分布有打印材料的熔融液滴的微液流，形成浇铸式成型，避免了熔滴冷却凝固成型时产生的圆形收缩现象，零件力学性能高，表面光滑，降低了快速成型的工艺难度。

9、所采用的等离子3D打印设备使用操作简便、智能化程度高且使用效果好，能同步完成多个工件的3D打印过程，生产效率大幅提高，并且多个打印平台通过行走控制交替移动至打印区域(即等离子束流加工系统的正下方)，控制过程简单、实现方便，且多个工件的成型质量能得到有效控制。多个待打印工件既可以为结构和尺寸均相同的相同工件，也可以是结构与尺寸均不相同的多个不同工件，使用方式非常灵活，尤其适用于大批量小工件加工。

10、所采用的等离子3D打印方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，通过对等离子枪结构进行改进将粉末直接送入等离子束中使粉末熔化，形成所打印材料的液滴等离子束流。等离子束具有保护作用，不需要保护气氛或真空环境，直接在大气环境下进行打印。并且，打印材料供给在能量源等离子束中(材料的液滴等离子束流)，不需要铺粉的成型缸系统。另外，采用直流电机带动粉轮旋转并通过工作气体辅助将粉末送至等离子束中，可使用一次粉末或造粒粉末，不需要球形粉末。打印时，材料状态由液态凝固成固态，工艺过程简化，降低了3D打印的工艺难度和成本，并且打印零件不再受尺寸限制。由上述内容可知，本发明对传统的等离子堆焊方法进行本质上改进，现有的等离子堆焊方法一般均设置有等离子弧压调高器，等离子枪与工件表面的距离不大于15mm，适用范围受限。而本发明中，打印距离能在大范围内进行调节，适应不同材质打印需求，并且能有效保证工件成型质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明等离子3D打印设备的结构示意图。

图2为本发明实施例1中等离子枪的结构示意图。

图3为本发明监控系统的电路原理框图。

图4为本发明进气环的结构示意图。

图5为本发明进气环本体的结构示意图。

图6为本发明等离子3D打印方法的流程框图。

图7为本发明实施例2中等离子枪的结构示意图。

附图标记说明:

1—供气装置； 2—送粉器； 3—待打印工件；

4—水平打印台； 5—供气管； 6—送粉管；

7—等离子发生控制器； 8—距离检测单元； 9—温度检测单元；

10—打印距离调节控制器； 11—气体流量检测单元；

12—气体流量控制器； 13—等离子枪； 13-1—枪体；

13-2—阳极喷嘴； 13-3—阴极； 13-4—放电室；

13-5—喷口； 13-6—绝缘层； 14—粉末流通通道；

15—位置调整控制器； 16—三轴数控机床； 17—上下调整装置；

18—粉末流量检测单元； 19—驱动电机； 20—送粉流量控制器；

21—进气环； 21-1—进气环本体； 21-2—环形密封盖；

21-3—环形进气槽； 21-4—外侧进气孔； 21-5—内侧进气孔；

22—进粉口； 23—PC机； 24—流量调节阀；

25—电动行走机构； 26—行走控制器；

27—行走位置检测单元； 28—直线导轨。

具体实施方式

如图1所示的一种等离子3D打印设备，由监控系统、等离子束流加工系统和多个分别供多个待打印工件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打印工件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内送入打印材料的送粉器2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。所述等离子体发生器内设置有供所述粉末流通的粉末流通通道14，所述粉末流通通道14与所述等离子体发生器内的放电室13-4内部相通且其与所述进气口连通，所述粉末流通通道的外端口为进粉口22，所述送粉器2的送粉口通过送粉管6与进粉口22连接。所述打印材料为粉末。

如图3所示，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打印工件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。所述温度检测单元9为对所述等离子束流加工系统在待打印工件3上的打印位置处温度进行实时检测的红外温度传感器。所述距离检测单元8为激光测距传感器。

本实施例中，所述等离子束流加工系统的数量为一个。

本实施例中，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。

如图2所示，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。

实际使用时，所述等离子枪13安装在所述打印距离调节装置上。

本实施例中，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；所述粉末流通通道14与枪体13-1呈倾斜布设且其前端伸入至喷口13-5内，所述粉末流通通道14为直线式通道且其包括布设在枪体13-1内的后侧通道和布设在阳极喷嘴13-2内的前侧通道。

并且，所述进气口位于枪体13-1后侧，所述喷口13-5与枪体13-1呈同轴布设或与粉末流通通道14呈同轴布设。

本实施例中，所述阳极喷嘴13-2和枪体13-1之间设置有绝缘层13-6。

本实施例中，如图2所示，所述喷口13-5与枪体13-1呈同轴布设。

本实施例中，所述供气管5通过进气环21与所述等离子体发生器上所开的进气口连接。并且，通过进气环21向所述等离子体发生器内均匀供气。

如图4、图5所示，所述进气环21为圆环形且其包括进气环本体21-1和盖装在进气环本体21-1上的环形密封盖21-2，所述进气环本体21-1为圆环形且其内侧壁上开有一个环形进气槽21-3，所述进气环本体21-1上开有一个与供气管5相接的外侧进气孔21-4且其内侧开有多个内侧进气孔21-5，多个所述内侧进气孔21-5沿圆周方向均匀布设且其均位于环形进气槽21-3内侧，所述外侧进气孔21-4位于环形进气槽21-3外侧，所述外侧进气孔21-4和多个所述内侧进气孔21-5均与环形进气槽21-3内部相通。

并且，所述枪体13-1上沿圆周方向开有多个分别与多个所述内侧进气孔21-5相通的枪体进气孔。

实际使用时，所述粉末流通通道14也可以与所述工作气体的进气通道采用同一通道。

本实施例中，所述粉末流通通道14的出粉口位于放电室13-4前侧且其位于喷口13-5的内部后侧。

如图2所示的等离子枪13使用过程中，所述放电室13-4内产生等离子体，所产生的等离子体形成等离子束并经喷口13-5喷出；与此同时，所述粉末通过粉末流通通道14倾斜向进入喷口13-5，并且在所述工作气体的作用下所述粉末进入所述等离子束内，并在所述等离子束内加速、加热并熔化成熔融状态形成微小的液滴，该液滴随等离子束一并喷出，形成内带熔融液滴的等离子束流；粉末经熔化后形成的熔融液滴随等离子束喷出后，形成由均匀分布有打印材料的熔融液滴的微液流。因而，所述粉末为待打印工件3所用材料(即打印材料)的粉末，对粉末的形状无特殊要求。

本实施例中，所述工作气体为惰性气体或H₂气。

其中，惰性气体为Ar气、He气和N₂气。

如图1所示，本发明所述的等离子3D打印设备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。

本实施例中，所述行走轨道为呈水平布设的直线导轨28。实际使用时，所述行走轨道也可以采用其它类型的轨道或滑槽。并且，多个所述打印平台的水平打印台4均布设在同一直线上。

实际使用时，所述行走轨道也可以采用弧形、圆形、椭圆形、折线形、口字形等轨道。

本实施例中，多个所述打印平台的结构和尺寸均相同。

并且，每个所述打印平台的电动行走机构25均包括多个安装在所述打印台位置调整装置底部且沿所述行走轨道进行前后移动的电动行走轮。

本实施例中，多个所述打印平台的所述打印台位置调整装置均为三轴数控机床16。

因而，所述位置调整控制器15为三轴数控机床16的控制器。

实际使用时，所述打印台位置调整装置也可以采用其它能完成X、Y和Z轴三个方向运动的装置。

本实施例中，所述打印平台的数量为两个。

实际使用时，可根据具体需要，对所述打印平台的数量进行相应调整。

本实施例中，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装置。

本实施例中，所述上下调整装置17为Z轴方向调整装置。

并且，所述上下调整装置17为伸缩液压缸。

本实施例中，所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线呈竖直向布设。实际使用时，可根据具体需要，对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进行相应调整。

本实施例中，所述送粉器2包括上部开有进料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19进行驱动；所述送粉口位于所述外壳下部。

如图3所示，所述监控系统还包括对送粉管6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19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。

本实施例中，所述驱动电机19为直流电机。实际使用过程中，通过改变所述直流电机的转速，对送粉管6的送粉流量进行简便、快速调整。

本实施例中，所述监控系统还包括多个分别对多个所述打印平台的水平打印台4的位移进行监测的打印台位移监测装置，每个所述打印台位置监测装置均包括分别对水平打印台4在X轴、Y轴和Z轴方向上的位移进行实时检测的第一位移检测单元、第二位移检测单元和第三位移检测单元，所述第一位移检测单元、第二位移检测单元和第三位移检测单元均与位置调整控制器15连接。

本实施例中，所述等离子发生控制器7、气体流量控制器12、位置调整控制器15、打印距离调节控制器10和送粉流量控制器20均与所述数据处理设备相接，所述数据处理设备为PC机23。所述供气装置1由PC机23进行启停控制。

如图6所示的一种等离子3D打印方法，包括以下步骤：

步骤一、待打印工件三维立体模型获取及分层切片处理：对多个所述待打印工件3分别进行三维立体模型获取及分层切片处理；

其中，对任一个所述待打印工件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打印工件3的三维立体模型，再调用分层切片模块对该待打印工件3的三维立体模型进行分层切片，并获得该待打印工件3的多个分层截面图像；多个所述分层截面图像为对该待打印工件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；

多个待打印工件3的高度均相同；对多个所述待打印工件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打印工件3分别进行扫描路径填充处理；

其中，对任一个所述待打印工件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打印工件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打印工件3的打印路径；

其中，获取任一个所述待打印工件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打印工件3的多个所述分层截面的扫描路径，获得该待打印工件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：对多个所述待打印工件3同步进行由下至上逐层打印；

其中，对任一个所述待打印工件3进行由下至上逐层打印时，均根据步骤三中获得的该待打印工件3的多个所述分层截面的打印路径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打印工件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，步骤三中该待打印工件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；

对多个所述待打印工件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：对多个所述待打印工件3的底层分别进行打印，且多个所述待打印工件3的底层打印方法均相同；待多个所述待打印工件3的底层均打印完成后，进入步骤402；

其中，对任一个所述待打印工件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，将供该待打印工件3打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方；此时，位于所述等离子束流加工系统正下方的所述打印平台为待控制平台；

步骤4012、打印：所述位置调整控制器15根据步骤三中所获取的该待打印工件3的当前所打印成型层的打印路径，对所述待控制平台的打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台4在水平面上进行移动；所述水平打印台4移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴的等离子束流连续喷至水平打印台4上；待所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；

步骤402、上一层打印：对多个所述待打印工件3的上一个成型层分别进行打印，且多个所述待打印工件3的上一个成型层的打印方法均相同；

其中，对任一个所述待打印工件3的上一个成型层进行打印时，均包括以下步骤：

步骤4021、行走移位及水平打印台下移：先通过行走控制器26对多个所述打印平台的电动行走机构25分别进行控制，将供该待打印工件3打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方；此时，位于所述等离子束流加工系统正下方的所述打印平台为待控制平台；之后，所述位置调整控制器15通过控制所述待控制平台的打印台位置调整装置，带动水平打印台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：所述位置调整控制器15根据步骤三中所获取的该待打印工件3的当前所打印成型层的打印路径，对所述待控制平台的打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台4在水平面上进行移动；所述水平打印台4移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴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；待所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；

本步骤中，所述水平打印台4移动过程中，通过温度检测单元9对当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至打印距离调节控制器10，同时通过距离检测单元8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并将所检测的距离信息同步传送至打印距离调节控制器10；所述打印距离调节控制器10根据温度检测单元9所检测的温度信息且通过控制所述打印距离调节装置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，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度不高于该待打印工件3的材质熔点的0.6倍；

步骤4012和步骤4022中所述水平打印台4移动过程中，所述送粉器2将所述打印材料连续送至所述等离子体发生器内，且在所述工作气体的作用下送入所述等离子体发生器内的打印材料被送至所述等离子体发生器内产生的等离子束内并熔化为熔融液滴，所述熔融液滴均匀分布于所述等离子束内，并形成内带熔融液滴的等离子束流；并且，所述熔融液滴在所述工作气体(等离子束内含未电离的工作气体)的作用下沿所述等离子束的中心轴线移动；所述打印材料为粉末状材料(即粉末)；

步骤403、多次重复步骤402，直至完成多个所述待打印工件3的所有成型层的打印过程，获得打印完成的多个所述待打印工件3的工件成品。

本实施例中，步骤4012和步骤4022中进行打印时，均按照多个所述打印平台的布设位置由前至后或由后至前的顺序，对多个所述待打印工件3的当前所打印成型层分别进行打印。

并且，步骤4011和步骤4021中将供该待打印工件3打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方时，均通过行走控制器26对多个所述打印平台的电动行走机构25分别进行控制，使多个所述打印平台均沿所述行走轨道进行移动。

本实施例中，步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的材质熔点及打印距离数据库，并结合通过参数输入单元预先输入的多个所述待打印工件3的材质名称，对各待打印工件3的基础打印距离分别进行确定；所述参数输入单元与所述数据处理设备相接；

所述材质熔点及打印距离数据库中存储有多种材质的材质熔点及打印距离信息，每种所述材质的材质熔点及打印距离信息均包括该种材质的名称、熔点和基础打印距离；所述基础打印距离为5mm～1000mm，且材质熔点越高，基础打印距离越近；

步骤4012中进行打印之前，所述打印距离调节控制器10根据距离检测单元8所检测的距离信息且通过控制所述待控制平台的所述打印距离调节装置，将所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台4之间的距离调节为该待打印工件3的所述基础打印距离；步骤4012中打印过程中，所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台4之间的距离为该待打印工件3的所述基础打印距离；

步骤4022中进行打印及同步温控之前，所述打印距离调节控制器10根据距离检测单元8所检测的距离信息并结合水平打印台4的向下移动次数与每次向下移动高度，且通过控制所述待控制平台的所述打印距离调节装置，将所述喷头的出口与当前已打印好的下一个所述成型层的上表面之间的距离调节为该待打印工件3的所述基础打印距离；步骤4022中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时，所述打印距离调节控制器10根据温度检测单元9所检测的温度信息并结合距离检测单元8所检测的距离信息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，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度控制在该待打印工件3的材质熔点的0.1倍～0.6倍之间；并且，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时，调节幅度为5mm～60mm，且该待打印工件3的材质熔点越高，调节幅度越小；

所述距离检测单元8所检测的距离信息为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。

本实施例中，步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的气体及粉末流量数据库，并结合预先设定的所述成型层的层厚，对供气管5的基础气体流量和送粉管6的送粉流量进行确定；

所述气体及粉末流量数据库内存储有多种不同层厚的成型层所需的送粉流量和基础气体流量；所述基础气体流量为5ml/min～500ml/min，且送粉管6的送粉流量越大，所述基础气体流量越大；

步骤4012和步骤4022中所述水平打印台4移动过程中，所述粉末流量检测单元18对送粉管6的送粉流量进行实时检测并将所检测信息同步传送至送粉流量控制器20，所述送粉流量控制器20根据预先确定的送粉管6的送粉流量并结合粉末流量检测单元18所检测信息对驱动电机19进行控制，使送粉管6的送粉流量均与预先确定的送粉流量相同；

步骤4012中进行打印之前，所述气体流量控制器12根据气体流量检测单元11所检测信息且通过控制流量调节阀24将供气管5的气体流量调整为所述基础气体流量；步骤4012中打印过程中，所述供气管5的气体流量为所述基础气体流量；

步骤4022中进行打印及同步温控过程中，所述气体流量控制器12根据气体流量检测单元11所检测信息并结合距离检测单元8所检测距离信息，且通过控制流量调节阀24对供气管5的气体流量进行增减调整；并且，所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台4之间的距离越大，所述供气管5的气体流量越大。

本实施例中，获取所述待打印工件3的三维立体模型时，利用pro/e、UG、CATIA等三维制图软件设计出待打印工件3的三维立体模型(即三维实体模型)，再通过所述分层切片模块对该三维立体模型进行分层切片，并得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，相应获得三轴数控机床16的加工路径(即各分层截面的打印路径)。因而，步骤一和步骤二中所采用的方法，与常规激光选区熔化成型或电子束选区熔化成型采用的方法相同。之后，所述三轴数控机床16根据所获得的加工路径在水平面上进行X和Y轴方向运动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴的等离子束流连续喷至所述待控制平台的水平打印台4上或当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上；待所喷熔融液滴均凝固后，完成一个成型层的打印过程；然后，所述三轴数控机床16在Z轴方向上下降，逐层打印，从而完成三维零件的打印过程。

实施例2

本实施例中，如图7所示，所采用的等离子3D打印设备与实施例1不同的是：所述喷口13-5与粉末流通通道14呈同轴布设。

这样，通过喷口13-5对所述等离子束的方向进行改变后，能有效减少等离子射流对阳极喷嘴13-2产生的热负荷冲击，改善了阳极烧蚀状况。同时，由于喷口13-5与粉末流通通道14呈同轴布设，因而不会影响粉末的加速、加热与熔化过程，使用效果非常好。

本实施例中，所采用等离子3D打印设备的其余部分结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

本实施例中，所采用的等离子3D打印方法与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种等离子3D打印设备，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打印工件(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打印工件(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内送入打印材料的送粉器(2)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；所述等离子体发生器内设置有供所述粉末流通的粉末流通通道(14)，所述粉末流通通道(14)与所述等离子体发生器内的放电室(13-4)内部相通且其与所述进气口连通，所述粉末流通通道的外端口为进粉口(22)，所述送粉器(2)的送粉口通过送粉管(6)与进粉口(22)连接；

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打印工件(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。

2.按照权利要求1所述的一种等离子3D打印设备，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3D打印设备，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)。

4.按照权利要求3所述的一种等离子3D打印设备，其特征在于：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；所述粉末流通通道(14)与枪体(13-1)呈倾斜布设且其前端伸入至喷口(13-5)内，所述粉末流通通道(14)为直线式通道且其包括布设在枪体(13-1)内的后侧通道和布设在阳极喷嘴(13-2)内的前侧通道；所述进气口位于枪体(13-1)后侧，所述喷口(13-5)与枪体(13-1)呈同轴布设或与粉末流通通道(14)呈同轴布设。

5.按照权利要求1或2所述的一种等离子3D打印设备，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。

6.按照权利要求1或2所述的一种等离子3D打印设备，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均为三轴数控机床(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装置。

7.按照权利要求1或2所述的一种等离子3D打印设备，其特征在于：所述送粉器(2)包括上部开有进料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(19)进行驱动；所述送粉口位于所述外壳下部；

所述监控系统还包括对送粉管(6)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(19)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。

8.一种利用如权利要求1所述等离子3D打印设备对待打印工件进行3D打印的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、待打印工件三维立体模型获取及分层切片处理：对多个所述待打印工件(3)分别进行三维立体模型获取及分层切片处理；

其中，对任一个所述待打印工件(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打印工件(3)的三维立体模型，再调用分层切片模块对该待打印工件(3)的三维立体模型进行分层切片，并获得该待打印工件(3)的多个分层截面图像；多个所述分层截面图像为对该待打印工件(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；

多个待打印工件(3)的高度均相同；对多个所述待打印工件(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打印工件(3)分别进行扫描路径填充处理；

其中，对任一个所述待打印工件(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打印工件(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打印工件(3)的打印路径；

其中，获取任一个所述待打印工件(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打印工件(3)的多个所述分层截面的扫描路径，获得该待打印工件(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：对多个所述待打印工件(3)同步进行由下至上逐层打印；

其中，对任一个所述待打印工件(3)进行由下至上逐层打印时，均根据步骤三中获得的该待打印工件(3)的多个所述分层截面的打印路径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打印工件(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，步骤三中该待打印工件(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；

对多个所述待打印工件(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：对多个所述待打印工件(3)的底层分别进行打印，且多个所述待打印工件(3)的底层打印方法均相同；待多个所述待打印工件(3)的底层均打印完成后，进入步骤402；

其中，对任一个所述待打印工件(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，将供该待打印工件(3)打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方；此时，位于所述等离子束流加工系统正下方的所述打印平台为待控制平台；

步骤4012、打印：所述位置调整控制器(15)根据步骤三中所获取的该待打印工件(3)的当前所打印成型层的打印路径，对所述待控制平台的打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台(4)在水平面上进行移动；所述水平打印台(4)移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴的等离子束流连续喷至水平打印台(4)上；待所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；

步骤402、上一层打印：对多个所述待打印工件(3)的上一个成型层分别进行打印，且多个所述待打印工件(3)的上一个成型层的打印方法均相同；

其中，对任一个所述待打印工件(3)的上一个成型层进行打印时，均包括以下步骤：

步骤4021、行走移位及水平打印台下移：先通过行走控制器(26)对多个所述打印平台的电动行走机构(25)分别进行控制，将供该待打印工件(3)打印的所述打印平台移至所述等离子束流加工系统的正下方；此时，位于所述等离子束流加工系统正下方的所述打印平台为待控制平台；之后，所述位置调整控制器(15)通过控制所述待控制平台的打印台位置调整装置，带动水平打印台(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：所述位置调整控制器(15)根据步骤三中所获取的该待打印工件(3)的当前所打印成型层的打印路径，对所述待控制平台的打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台(4)在水平面上进行移动；所述水平打印台(4)移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴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；待所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；

本步骤中，所述水平打印台(4)移动过程中，通过温度检测单元(9)对当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至打印距离调节控制器(10)，同时通过距离检测单元(8)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并将所检测的距离信息同步传送至打印距离调节控制器(10)；所述打印距离调节控制器(10)根据温度检测单元(9)所检测的温度信息且通过控制所述打印距离调节装置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，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度不高于该待打印工件(3)的材质熔点的0.6倍；

步骤4012和步骤4022中所述水平打印台(4)移动过程中，所述送粉器(2)将所述打印材料连续送至所述等离子体发生器内，且在所述工作气体的作用下送入所述等离子体发生器内的打印材料被送至所述等离子体发生器内产生的等离子束内并熔化为熔融液滴，所述熔融液滴均匀分布于所述等离子束内，并形成内带熔融液滴的等离子束流；

步骤403、多次重复步骤402，直至完成多个所述待打印工件(3)的所有成型层的打印过程，获得打印完成的多个所述待打印工件(3)的工件成品。

9.按照权利要求8所述的对待打印工件进行3D打印的方法，其特征在于：步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的材质熔点及打印距离数据库，并结合通过参数输入单元预先输入的多个所述待打印工件(3)的材质名称，对各待打印工件(3)的基础打印距离分别进行确定；所述参数输入单元与所述数据处理设备相接；

所述材质熔点及打印距离数据库中存储有多种材质的材质熔点及打印距离信息，每种所述材质的材质熔点及打印距离信息均包括该种材质的名称、熔点和基础打印距离；所述基础打印距离为5mm～1000mm，且材质熔点越高，基础打印距离越近；

步骤4012中进行打印之前，所述打印距离调节控制器(10)根据距离检测单元(8)所检测的距离信息且通过控制所述待控制平台的所述打印距离调节装置，将所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(4)之间的距离调节为该待打印工件(3)的所述基础打印距离；步骤4012中打印过程中，所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(4)之间的距离为该待打印工件(3)的所述基础打印距离；

步骤4022中进行打印及同步温控之前，所述打印距离调节控制器(10)根据距离检测单元(8)所检测的距离信息并结合水平打印台(4)的向下移动次数与每次向下移动高度，且通过控制所述待控制平台的所述打印距离调节装置，将所述喷头的出口与当前已打印好的下一个所述成型层的上表面之间的距离调节为该待打印工件(3)的所述基础打印距离；步骤4022中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时，所述打印距离调节控制器(10)根据温度检测单元(9)所检测的温度信息并结合距离检测单元(8)所检测的距离信息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，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度控制在该待打印工件(3)的材质熔点的0.1倍～0.6倍之间；并且，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时，调节幅度为5mm～60mm，且该待打印工件(3)的材质熔点越高，调节幅度越小；

所述距离检测单元(8)所检测的距离信息为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。

10.按照权利要求8或9所述的对待打印工件进行3D打印的方法，其特征在于：所述送粉器(2)包括上部开有进料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(19)进行驱动；所述送粉口位于所述外壳下部；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)、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)、对送粉管(6)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(19)进行控制的送粉流量控制器(20)，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；所述粉末流量检测单元(18)与送粉流量控制器(20)连接；所述距离检测单元(8)与气体流量控制器(12)连接；

步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的气体及粉末流量数据库，并结合预先设定的所述成型层的层厚，对供气管(5)的基础气体流量和送粉管(6)的送粉流量进行确定；

所述气体及粉末流量数据库内存储有多种不同层厚的成型层所需的送粉流量和基础气体流量；所述基础气体流量为5ml/min～500ml/min，且送粉管(6)的送粉流量越大，所述基础气体流量越大；

步骤4012和步骤4022中所述水平打印台(4)移动过程中，所述粉末流量检测单元(18)对送粉管(6)的送粉流量进行实时检测并将所检测信息同步传送至送粉流量控制器(20)，所述送粉流量控制器(20)根据预先确定的送粉管(6)的送粉流量并结合粉末流量检测单元(18)所检测信息对驱动电机(19)进行控制，使送粉管(6)的送粉流量均与预先确定的送粉流量相同；

步骤4012中进行打印之前，所述气体流量控制器(12)根据气体流量检测单元(11)所检测信息且通过控制流量调节阀(24)将供气管(5)的气体流量调整为所述基础气体流量；步骤4012中打印过程中，所述供气管(5)的气体流量为所述基础气体流量；

步骤4022中进行打印及同步温控过程中，所述气体流量控制器(12)根据气体流量检测单元(11)所检测信息并结合距离检测单元(8)所检测距离信息，且通过控制流量调节阀(24)对供气管(5)的气体流量进行增减调整；并且，所述喷头的出口与所述待控制平台的水平打印台(4)之间的距离越大，所述供气管(5)的气体流量越大。