CN107598168A - 等离子增材与机械切削的3d打印设备 - Google Patents

Abstract

一种等离子增材与机械切削的3D打印设备，包括气保护成形室，所述气保护成形室内设有成形工作台和设置在所述成形工作台上方的三轴运动机构，还包括等离子成形装置、机械切削装置，以及控制模块。控制模块用于控制所述等离子成形装置产生等离子微弧成形出所述工件，以及控制所述三轴运动机构带动所述机械切削装置对所述工件的扫描轮廓进行切削。本发明提供的3D打印设备通过等离子成形装置采用等离子弧作为3D成形打印的热源，极大的改善了目前3D打印存在的成形效率低的问题，同时辅之机械切削装置通过激光对工件的轮廓精密切削，可以将打印工件的尺寸扩展到1200mm，由此可以高效地打印制造大型精密零部件。

Description

等离子增材与机械切削的3D打印设备

技术领域

本发明属于3D打印领域，具体涉及一种3D打印设备。

背景技术

增材制造是21世纪具有代表性的先进制造技术，尤其适合传统制造技术难以低成本、高效率、低损耗完成的复杂结构制造。增材制造依据CAD数据逐层累加材料的方法制造实体零件，采取材料逐点累积形成面，逐面累积成为体的增量堆积打印零件，具有无模具、短周期、高性能、个性化和快速反应等特点，在健康医疗、航空航天、模具制造等行业具有极大的应有价值。目前，发展较为成熟的金属增材制造技术主要有选区激光熔化(SLM)、激光净近成形(LENS)，电子束熔融沉积等。

现有的金属直接成形工艺是利用激光束或电子束等高能密度束斑将金属粉末按分层切片数据逐层熔融堆积，最终形成实体零件。由于激光束(50μm～70μm)或电子束(120μm～200μm)束斑尺寸小，逐层熔融厚度20～50μm，因此粉末沉积速率低，通常为100～200mm³/h，打印一个小型精度零件需耗时近10小时，通常应用于小尺寸的零部件加工领域。

发明内容

鉴于以上内容，有必要发展一种等离子增材与机械切削的3D打印设备，旨在提供一种3D打印加工装备以扩展3D打印的工件的加工尺寸。

为此，本发明提供了一种等离子增材与机械切削的3D打印设备，包括气保护成形室，所述气保护成形室内设有成形工作台和设置在所述成形工作台上方的三轴运动机构，所述成形工作台用于承载逐层堆积成形的工件，还包括：

等离子成形装置，包括等离子成形枪，以及与所述等离子成形枪连接的等离子电源和送粉装置，所述等离子成形枪与所述三轴运动机构连接，设置在所述成形工作台的上方；

机械切削装置，包括切削刀具和主轴，所述切削刀具安装于所述主轴的底端，所述主轴的顶端连接于所述三轴运动机构；

控制模块，分别与所述三轴运动机构、机械切削装置和等离子成形装置连接，用于控制所述等离子成形装置产生等离子微弧，所述等离子微弧聚焦在所述等离子成形枪输出的粉末上在所述成形工作台上成形出所述工件；以及，用于控制所述三轴运动机构带动所述机械切削装置对所述工件的扫描轮廓进行切削。

进一步的，所述等离子成形枪内设有电极和粉末输送腔，所述电极与一等离子电源连接，所述粉末输送腔与一送粉器连接，所述等离子电源和送粉器设置于所述气保护成形室外部。

进一步的，所述等离子成形枪内还设有保护气送气腔和冷却水腔至少之一，所述保护气送气腔或所述冷却水腔设于所述等离子成形枪的内部。

进一步的，所述等离子成形枪提供成形过程的等离子微弧，所述等离子微弧的直径为0.8mm～1.2mm，沉积速率500～1500mm³/h，沉积厚度为50μm～500μm。

进一步的，所述三轴运动机构能带动所述主轴或等离子成形枪沿XYZ三个方向移动，其中，X轴的运动距离为0～1200mm，Y轴的运动距离0～800mm，Z轴的运动距离0～600mm。

进一步的，所述切削刀具包括铣头和磨头。

进一步的，所述3D打印设备还设有分别与所述气保护成形室连接的真空抽气装置、气体循环净化装置和氧浓度探测仪，其中，

所述真空抽气装置用于抽取所述气保护成形室内的气体；气体循环净化装置用于循环净化所述气保护成形室内的气体；氧浓度探测仪用于探测所述气保护成形室内的氧气浓度。

进一步的，所述气保护成形室内还设有成形缸，所述成形工作台设于所述成形缸内。

进一步的，所述气保护成形室内的氧气浓度小于100ppm。

进一步的，所述3D打印设备的成形工件尺寸为1200mm*800mm*600mm。

相较于现有技术，本发明提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备通过等离子成形装置释放等离子体，使等离子体经过喷嘴时产生机械压缩、热压缩和电磁压缩形成高能量密度的等离子弧，采用等离子弧作为3D成形打印的热源，可以使粉末熔化的效率提高10～30倍以上，极大的改善了目前3D打印存在的成形效率低的问题，同时辅之机械切削装置通过切削头对工件的轮廓精密切削，可以将打印工件的尺寸扩大到1200mm，由此可以高效率、高精密度地打印制造大型精密零部件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备的等离子成形枪的结构示意图。

主要元件符号说明：

气保护成形室 10

三轴运动机构 20

等离子成形装置 30

送粉器 31

保护气源 32

水冷循环装置 33

等离子电源 34

电极 35

保护气送气腔 36

粉末输送腔 37

冷却水腔 38

机械切削装置 40

主轴 41

切削刀具 42

气体循环净化装置 50

真空抽气装置 60

成形工作台 70

成形缸 71

工件 72

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

图1是本发明实施例提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备的结构示意图。如图1所示，一种等离子增材与机械切削的3D打印设备包括气保护成形室10、三轴运动机构20、控制模块，机械切削装置40和等离子成形装置。

气保护成形室10内设有成形工作台70，所述成形工作台70用于承载逐层堆积成形的工件72。其中，所述气保护成形室10优选为密闭封腔，其内为真空或充盈预定浓度的惰性气体。本实施方式中，所述气保护成形室10内的氧气浓度小于100ppm，以避免对金属粉末或成形件的氧化损害。所述气保护成形室10大致呈方形，成形尺寸为1200mm*800mm*600mm。可以理解的是，所述气保护成形室10的形状也可以是其他任意适宜的形状，例如圆形等。本实施方式中，所述3D打印设备还可以设有分别与所述气保护成形室10连接的真空抽气装置60、气体循环净化装置50和氧浓度探测仪。真空抽气装置60用于抽取所述气保护成形室10内的气体，对所述气保护成形室10进行抽真空处理。气体循环净化装置50用于循环净化所述气保护成形室10内的气体。氧浓度探测仪用于探测所述气保护成形室10内的氧气浓度。本实施方式提供的3D打印装置可在封闭的氩气保护气氛中进行，通过所述气体循环净化装置50，可使所述气保护成形室10内的氧浓度控制在100ppm以下。

此外，所述气保护成形室10内还可以设有成形缸71，所述成形工作台70设于所述成形缸71内。所述成形工作台70大致水平设置，工件72放置在所述成形工作台70上，所述等离子成形装置和机械切削装置40对成形工作台70上的工件72进行成形加工。

所述三轴运动机构20设置于所述成形工作台70的上方，三轴运动机构20可以带动等离子成形装置30或者机械切削装置40沿XYZ三个方向移动。其中，上述的XYZ方向为笛卡尔坐标系中的三个相互垂直的坐标轴方向。本领域技术人员可以采用多种方式实现上述的三轴运动机构20，例如该三轴运动机构20可以包括沿XY方向垂直设置的两个导轨，以及可沿Z轴上下移动的主轴，实现带动等离子成形装置30或者机械切削装置40沿XYZ三个方向移动的功能。本实施方式中，三轴运动机构20的X轴的运动距离为0～1200mm，Y轴的运动距离0～800mm，Z轴的运动距离0～600mm，以实现对大型工件72的打印加工。

等离子成形装置30包括等离子成形枪，以及与所述等离子成形枪连接的等离子电源34和送粉器31。其中，所述等离子电源34、送粉器31设置于气保护成形室10的外部。本实施方式中，所述等离子成形装置30的等离子成形枪设置在三轴运动机构20上，在控制模块的控制下，被三轴运动机构20带动沿X、Y、Z轴运动，其中，X轴运动距离0～1200mm，Y轴运动距离0～800mm，Z轴运动距离0～600mm。工作时，等离子成形枪在控制模块控制下可按照设定的三维数据在工作台上成形一薄层，逐层堆积在成形工作台70上形成实体工件72。

机械切削装置40包括切削刀具42和主轴41，所述切削刀具42安装于所述主轴41的底端，所述主轴41的顶端连接于所述三轴运动机构20。所述机械切削装置40连接于所述三轴运动机构20，在控制模块的控制下，机械切削装置40的主轴41可沿X、Y、Z轴运动，X轴运动距离0～1200mm，Y轴运动距离0～800mm，Z轴运动距离0～600mm。其中，所述机械切削装置40的主轴可以是高速主轴，所述的切削刀具42可以是铣头或磨头，按照控制模块的指令对成型的工件72的扫描轮廓进行切削加工。

控制模块分别与所述机械切削装置40和等离子成形装置30连接，用于控制所述机械切削装置40对所述工件72的扫描轮廓进行切削，以及控制所述等离子成形装置30产生等离子微弧，所述等离子微弧聚焦在输出的粉末上在所述成形工作台70上成形出所述工件72。

图2是本发明实施例提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备的等离子成形枪的结构示意图。如图2所示，所述等离子成形枪内设有电极35和粉末输送腔37。

其中，所述电极35和所述粉末输送腔37分别设于所述等离子成形枪的中部和边缘。所述电极35与一等离子电源34连接，用于产生成形过程的等离子微弧。在本实施方式中，所述等离子微弧的直径优选为0.8mm～1.2mm，沉积速率优选为500～1500mm³/h，沉积厚度50μm～500μm。

所述粉末输送腔37与一送粉器31连接。送粉器31通过送粉管连接等离子成形枪内的粉末输送腔37。在成形过程中，送粉器31将存储的粉料送入粉末输送腔37内，在输出粉末的过程中利用等离子微弧聚焦在粉末上在成形工作台70上成形出工件72。此外，本实施方式中，所述等离子成形枪内还设有保护气送气腔36和冷却水腔38，所述保护气送气腔36和所述冷却水腔38设于所述等离子成形枪的内部。保护气送气腔36与一保护气源32连通，可在成形过程维持电弧。冷却水腔38与一水冷循环装置33连通，可在成形过程中通过冷却水腔38对等离子成形枪进行冷却。

利用本实施方式提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备进行3D打印的方法步骤如下：

首先，建立待生成实体工件72的3D模型，将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照已生成的片层数据规划成形的等离子微弧的扫描路径，所述等离子微弧的扫描路径包括层数、每层的厚度、每层的横截面层状数据及各层扫描路径。

然后，将所述气保护成形室10通过所述真空抽气装置60抽真空处理，然后向气保护成形室10内充入充入预定浓度的惰性气体，以使得所述气保护成形室10内的氧气浓度小于100ppm。

接着，等离子成形枪采取电弧压缩的办法，使等离子弧经过喷嘴时产生机械压缩、热压缩和电磁压缩，形成高能量的等离子微弧作为3D成形打印的热源，对输出的粉末聚焦，在成形工作台70上成形工件72，使粉末熔化的效率提高10～30倍以上，极大的改善了目前3D打印存在的成形效率低的问题。

最后，在等离子成形枪完成一层或者多层3D打印后，通过机械切削装置40对3D打印后的扫描轮廓进行精密切削，从而可以将打印的工件72的尺寸扩大到1200mm，实现高效地打印制造大型精密的工件72。

在一些实施例中，所述3D打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段通过氧浓度探测仪检测所述气保护成形室10内的氧浓度，当氧浓度达到或超过预设值时补充惰性气体以控制氧浓度低于所述预设值(例如100ppm)。

在一些实施例中，所述的3D打印方法还包括：在上述打印过程中，每隔预定时段利用所述气体循环净化装置50对所述气保护成形室10内的气体进行循环净化处理。

本实施方式提供的等离子增材与机械切削的3D打印设备通过等离子成形装置30释放等离子弧，使等离子弧经过喷嘴时产生机械压缩、热压缩和电磁压缩形成高能量密度的等离子弧，采用等离子弧作为3D成形打印的热源，可以使粉末熔化的效率提高10～30倍以上，极大的改善了目前3D打印存在的成形效率低的问题，同时辅之机械切削装置40对工件72的扫描轮廓精密切削，可以将打印工件72的尺寸提高到1200mm，由此可以高效地打印制造大型精密零部件。

在本发明所提供的几个具体实施方式中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施方式仅仅是示意性的。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由同一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种等离子增材与机械切削的3D打印设备，包括气保护成形室，所述气保护成形室内设有成形工作台和设置在所述成形工作台上方的三轴运动机构，所述成形工作台用于承载逐层堆积成形的工件，其特征在于，还包括：

等离子成形装置，包括等离子成形枪，以及与所述等离子成形枪连接的等离子电源和送粉装置，所述等离子成形枪与所述三轴运动机构连接，设置在所述成形工作台的上方；

机械切削装置，包括切削刀具和主轴，所述切削刀具安装于所述主轴的底端，所述主轴的顶端连接于所述三轴运动机构；

控制模块，分别与所述三轴运动机构、机械切削装置和等离子成形装置连接，用于控制所述等离子成形装置产生等离子微弧，所述等离子微弧聚焦在所述等离子成形枪输出的粉末上在所述成形工作台上成形出所述工件；以及，用于控制所述三轴运动机构带动所述机械切削装置对所述工件的扫描轮廓进行切削。

2.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述等离子成形枪内设有电极和粉末输送腔，所述电极与一等离子电源连接，所述粉末输送腔与一送粉器连接，所述等离子电源和送粉器设置于所述气保护成形室外部。

3.如权利要求2所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述等离子成形枪内还设有保护气送气腔和冷却水腔至少之一，所述保护气送气腔或所述冷却水腔设于所述等离子成形枪的内部。

4.如权利要求3所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述等离子成形枪提供成形过程的等离子微弧，所述等离子微弧的直径为0.8mm～1.2mm，沉积速率500～1500mm³/h，沉积厚度为50μm～500μm。

5.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述三轴运动机构能带动所述主轴或等离子成形枪沿XYZ三个方向移动，其中，X轴的运动距离为0～1200mm，Y轴的运动距离0～800mm，Z轴的运动距离0～600mm。

6.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述切削刀具包括铣头和磨头。

7.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还设有分别与所述气保护成形室连接的真空抽气装置、气体循环净化装置和氧浓度探测仪，其中，

所述真空抽气装置用于抽取所述气保护成形室内的气体；气体循环净化装置用于循环净化所述气保护成形室内的气体；氧浓度探测仪用于探测所述气保护成形室内的氧气浓度。

8.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述气保护成形室内还设有成形缸，所述成形工作台设于所述成形缸内。

9.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述气保护成形室内的氧气浓度小于100ppm。

10.如权利要求1所述的等离子增材与机械切削的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备的成形工件尺寸为1200mm*800mm*600mm。