CN108480628B - 一种基于层流等离子体射流的金属3d打印成型方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型方法与装置，包括机架、控制器、升降式工作箱和x、y轴联动导轨，机架侧部固设有控制器，机架底部和顶部分别设有升降式工作箱和x、y轴联动导轨，其还包括层流等离子体发生装置、铺粉装置和送粉装置，等离子体发生装置设在x、y轴联动导轨上，金属粉末回收系统设在机架底部，送粉装置固设在机架上，铺粉装置设在送粉装置的下方，且可在工作箱上水平或纵向移动，该方法包括步骤：待成型零件排版与切片；切片文件导入打印装置；设置打印参数；打印装置初始化；根据零件轮廓扫描烧结金属粉末形成零件轮廓；重复上步至打印完成；回收残余粉末；本发明具有高精度、高效率、节省打印材料等优点。

Description

一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型方法与装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型方法与装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，越来越多的行业对金属零件的成型工艺提出了更高的要求，采用传统的铸锻造工艺已难以满足应用需求。特别是某些要求相对较高，而型腔又复杂的单件小批量金属零件，采用传统的铸锻造工艺制模成本高昂，对复杂型腔的内表面加工处理困难。为了解决上述问题，金属零件3D打印工艺应运而生。科研工作者利用激光的高能量密度，采用增材制造的方法逐层烧结成型金属零件，且成型精度高，可直接使用，从而大大降低了零件成型成本。然而，采用激光金属3D打印成型技术，一方面激光器价格昂贵，对工作环境要求高，设备使用维护成本高，工作效率低下；另一方面，由于激光器功率有限，每次输出能量有限，难以完成较大尺寸或多件金属零件一次成型。基于上述分析，激光金属3D打印技术只适合于单件小批量小尺寸零件的成型，且其成本仍相对较高，不适合大规模工业化应用。

现有技术中，如公开号为CN104815985A，名称为“一种微束等离子3D打印设备与方法”的发明专利，介绍了一种等离子3D打印设备和方法。虽然等离子体金属3D打印成型技术的出现从一定程度上弥补了激光金属3D打印技术的缺陷，其具有设备与使用成本低廉、对工作环境要求低、功率可调范围大等优异特性。但是，传统等离子体金属3D打印成型技术采用湍流等离子体射流作为热源，射流稳定性、可控性较差，且其大气流量容易造成对金属粉末的冲击，从而引起金属粉末的飞溅，最终导致打印成型的金属零件尺寸精度和表面粗糙度较差，难以满足高精密应用场合对零件的要求，公开号为CN106180715A，名称为“一种层流等离子3D打印的控制系统及方法”中也有相关记载。

综合上述分析，虽然激光金属3D打印技术成型金属零件精度较好，但其设备成本高昂，且打印成型能力较小，不适合大尺寸金属零件的3D打印成型；而传统等离子体金属3D打印成型技术虽然成本较低，且功率范围较大，但其成型精度相对较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型方法与装置，其具有工作效率高、打印精度高、能够打印高熔点金属零件等特点。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，包括机架、控制器、升降式工作箱和x、y轴联动导轨，所述机架的侧部固设有控制器，机架的底部和顶部分别设有升降式工作箱和x、y轴联动导轨，还包括层流等离子体发生装置、金属粉末回收系统、铺粉装置和送粉装置，所述层流等离子体发生装置设在x、y轴联动导轨上，所述金属粉末回收系统设在机架的底部，且位于升降式工作箱的两侧，所述送粉装置固设在机架顶部，所述铺粉装置位于送粉装置的下方，且铺粉装置可在升降式工作箱上部纵向移动。

优选地，所述的x、y轴联动导轨包括x轴导轨和y轴导轨，所述y轴导轨设置在机架顶部的两侧，所述x轴导轨垂直于y轴导轨设置，且两端与y轴导轨滑动配合。

优选地，所述的层流等离子体发生装置包括层流等离子体发生器和辅助装置，所述层流等离子体发生器套装x轴导轨上，可沿着x轴导轨滑动，所述辅助装置与层流等离子体发生器连接，辅助装置包括供气装置、冷却系统和电源装置。

优选地，所述的机架的底部设有齿条式导轨，所述齿条式导轨延伸至机架的外部，升降式工作箱可沿齿条式导轨滑动，所述齿条式导轨的两端固设有行程限位块。

优选地，所述的升降工作箱包括工作台、升降机构和工作箱体所述工作台设在工作箱体上部，所述升降机构安装在工作台与工作箱体之间。

优选地，所述的金属粉末回收系统包括储粉罐、粉末回收槽和真空泵，所述粉末回收槽设置在机架底部，且位于升降工作箱的两侧，真空泵的吸风口与粉末回收槽连接，真空泵的出风口与储粉罐连接。

优选地，所述的铺粉装置包括纵向导轨、料斗、螺旋送料器和刮粉板，所述纵向导轨与y轴导轨平行，且纵向导轨设于y轴导轨的下方，所述螺旋送料器可沿纵向导轨滑动，所述螺旋送料器的上部设有料斗，其下部设有刮粉板，所述刮粉板的底部为锥面结构，所述螺旋送料器的两侧均设有卸料口，所述卸料口与工作台在水平方向上尺寸相同。

优选地，所述的送粉装置包括振动电机、储料仓、真空泵和重量检测装置，所述振动电机安装在储料仓的出口处，所述储料仓的入口与真空泵连接，所述重量检测装置监控并控制储料仓开启与关闭。

优选地，所述的控制器包括中央处理单元和显示控制仪，所述中央处理单元与显示控制仪电连接，所述中央处理单元处理来自显示控制仪发出的指令。

一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置的打印方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

S1、待打印金属零件模型的预处理，所述预处理包括排版布局和模型切片处理；

S2、将预处理后的模型信息导入打印设备的控制器；

S3、根据金属零件的尺寸精度和强度要求，在控制器中设置打印参数；

S4、打印设备初始化，升降式工作箱复位到初始位置，开启送粉装置，储料仓不断储存金属粉，达到重量检测装置设定的阀值时，储料仓停止储粉，所述储料仓将储存的金属粉末输送给铺粉装置，所述铺粉装置在升降式工作箱上预铺5~10层金属粉末作为预铺金属粉末层；

S5、层流等离子体发生装置在控制器的控制下，通过X、Y轴联动导轨的联动配合，移动至金属模型第一层打印的初始位置后，开始产生层流等离子体射流，并沿着金属零件模型切片文件第一层轮廓路径加热，使升降式工作箱上预铺金属粉末烧结，形成金属零件第一层轮廓；

S6、铺粉装置在步骤S5中的第一层轮廓的基础上铺设一层金属粉末，层流等离子体发生装置按照第二层轮廓路径加热，使当前层金属粉末烧结，形成金属零件第二层轮廓；

S7、重复步骤S6直至最后一层轮廓的烧结，层流等离子体发生装置逐层将金属粉末加热，烧结成型，直至金属零件打印完成；

S8、关闭3D打印成型，静置至升降式工作箱温度接近室温；

S9、取出金属零件，开启金属粉末回收系统回收工作箱和粉末回收槽内残余的金属粉末，完成打印工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用层流等离子体射流的加工方式工作效率高；尤其是可直接成型较大尺寸的金属零件，且可自动调整层流等离子体射流的输出功率以满足金属零件成型要求，也可适用尺寸较小的金属零件打印；由控制器自动控制整个打印成型过程，自动化程度高，更适合工业化应用。

附图说明

图1为本发明层流等离子体射流的金属3D打印成型设备的俯视图。

图2为本发明层流等离子体射流的金属3D打印成型设备的主视图。

图3为本发明层流等离子体射流的金属3D打印成型方法的流程框图。

图4为铺粉装置的结构示意图。

图中标记：1-机架，2-控制器，3-升降式工作箱，301-工作台，302-升降机构，303-工作箱体，4-x、y轴联动导轨，401-x轴导轨，402-y轴导轨，5-层流等离子体发生装置，501-层流等离子体发生器，502-辅助装置，6-金属粉末回收系统，601-储粉罐，602-粉末回收槽，7-铺粉装置，701-纵向导轨，702-料斗，703-螺旋送料器，704-刮粉板，705-卸料口，8-送粉装置，801-振动电机，802-储料仓，9-齿条式导轨，10-行程限位块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，包括机架1、控制器2、升降式工作箱3，x、y轴联动导轨4、层流等离子体发生装置5、金属粉末回收系统6、铺粉装置7和送粉装置8，所述x、y轴联动导轨4包括x轴导轨401和y轴导轨402，所述两根y轴导轨402纵向平行设置在机架1的两侧，所述x轴导轨401垂直于y轴导轨402设置，其两端与y轴导轨402配合，x轴导轨401可沿着y轴导轨402纵向滑动（如图1所示x轴方向为水平方向，y轴方向为纵向方向），所述x轴导轨401上安装有层流等离子体发生装置5，所述层流等离子体发生装置5包括层流等离子体发生器501和辅助装置502，所述层流等离子体发生器501能够产生层流等离子体射流，层流等离子体发生器501上连接有辅助装置502，所述辅助装置502包括供气装置和冷却系统，其中供气装置为（层流等离子体射流是在直流电能的作用下将工作气体电离形成的高温束流）层流等离子体发生器501提供惰性气体保护，冷却系统能够为层流等离子体发生器501降温，防止其喷头或其他零部件温度过高。

升降式工作箱3与安装在机架1底部的齿条式导轨9配合，升降式工作箱3可在自身电机的带动下沿着齿条式导轨9往复运动，所述齿条式导轨9的一端伸出机架1的机体，伸出长度不小于升降式工作箱3的宽度，即所述升降式工作箱3可以沿着齿条式导轨9运动到机架1的外侧部，便于打印完成后成品的取出或搬运，所述齿条式导轨9的两端固设有行程限位块10，所述行程限位块10能够防止升降式工作箱3往复移动时超出行程。

升降式工作箱3包括工作台301、升降机构302和工作箱体303，所述工作箱体303的下部与齿条式导轨9配合连接，工作箱体303的上部设有工作台301，所述工作台301为打印金属粉末的放置平台，工作台301与工作箱体303之间安装有升降机构302，所述升降机构302能够按照控制器2设定的参数带动工作台301上、下运动，实现工作台301相对于层流等离子体发生器501的高度位置的变化，保证层流等离子体发生器501在打印过程中处于水平平面移动，通过工作台301的升降完成金属零件的逐层打印的高度变化。

机架1底部设有金属粉末回收系统6，所述回收系统能够将散落在工作台301上金属粉末收集、回收再利用，所述金属粉末回收系统6包括储粉罐601和粉末回收槽602，粉末回收槽602设置在机座的底部，位于工作箱体303的两侧，所述粉末回收槽602与储粉罐601连接，储粉罐601与粉末回收槽602之间设有真空泵或其他吸取散落粉末的装置，将粉末回收槽602内的待回收金属粉末吸入储粉罐601内。

如图4所示，铺粉装置7包括纵向导轨701、料斗702、螺旋送料器703、刮料板704和卸料口705，所述两条纵向导轨701分别设置在机架1的两侧与y轴导轨402平行，且纵向导轨701位于y轴导轨402的下方，即与y轴导轨402不在一个水平面上，防止铺粉装置7与层流等离子体发生装置5发生运动干涉，所述螺旋送料器703的两端与纵向导轨701配合连接，螺旋送料器703可沿着纵向导轨701纵向往复运动，与x轴导轨401的运动方式相同，螺旋送料器703的两侧均设有卸料口705，所述卸料口705通过控制器2实现其开启与关闭，从而保证在铺粉过程中实现双向铺粉，即在铺粉装置7运动方向上处于刮粉板704前方的卸料口705开启，处于刮粉板704后方的卸料口705关闭，所述卸料口705的水平（x方向）尺寸与工作台301的水平（x方向）尺寸相同，保证螺旋送料器703行走一次，便可在工作台301上铺设一层金属粉末。螺旋送料器703的上部设有料斗702，料斗702的下部与螺旋送料器703连接，料斗702内的金属粉末材料落入螺旋送料器703内，再由螺旋送料器703的内部螺旋绞龙将金属粉末输送至水平方向的任意位置，通过螺旋送料器703与纵向导轨701配合运动能够实现将金属粉末输送至工作台301平面上的横向或纵向的任意位置，实现待打印零件的金属粉末的铺设环节，螺旋送料器703的下部安装有刮料板704，刮料板704的刮料端为双锥面结构，即刮料板704在往复运动过程中均可利用锥面与金属粉末层接触，将金属粉末层刮平，防止金属粉末层堆积，所述刮料板704随着螺旋送料器703移动时，刮料板704将超出控制器设定的待加工层厚度的金属粉末刮落至粉末回收槽602内，再由真空泵吸走回收再利用。

在机架1的一个顶角部位固设有送粉装置8，所述送粉装置8包括振动电机801、储料仓802和真空泵，所述真空泵能够将金属粉原材料吸入储料仓802内，所述储料仓802的出料口处安装有振动电机801，当料斗702运动到送粉装置8的下方进行补料时，控制器2控制储料仓802的出料口打开，储料仓802内的金属粉末落入料斗702内，在储料仓802的出料口处设有振动电机801，通过振动电机加快金属粉末的下落速度，提高了工作效率，同时能够将金属粉末打散防止金属粉末板结，当料斗702内的金属粉末堆放至指定高度时，料斗702内的传感器将信号传递给储料仓802，储料仓802的出料口关闭。

如图 3 所示，一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置的方法，包括以下步骤 ：

步骤1、根据工作台301的尺寸以及待打印金属零件模型尺寸排版布局，将导入到处理器中的金属零件模型进行合理分层切片处理，设置切片层数及各层切片的厚度。

步骤2、将步骤1所做的预处理的模型信息导入打印设备的控制器2中。

步骤3、根据待打印金属零件的尺寸精度和强度要求，在控制器2中设置打印参数。

步骤4、打印设备初始化，升降式工作箱3复位到初始位置，即工作台301下降至最低点，铺粉装置7移动至送粉装置8的下方，送粉装置8在控制器2的控制下向料斗702内注入一定量的金属粉末，螺旋送料器703将料斗702内金属粉末均匀铺设在工作台301上5~10层，同时刮料板704刮平铺设不均匀的金属粉末层，随后铺粉装置7移动至初始位置。

步骤5、层流等离子体发生器501按照控制器2预设的加工轨迹，通过x轴导轨401和y轴导轨402的联动配合，从原点移动至金属模型第一层打印的初始位置后，开始工作产生层流等离子体射流，并匀速沿着金属零件模型切片文件第一层轮廓路径加热工作台301上预铺的金属粉末，形成金属零件第一层轮廓。

步骤6、铺粉装置7在步骤S5中的第一层轮廓的基础上铺设第二层金属粉末，层流等离子体发生装置5根据第二层轮廓路径加热当前层金属粉末，形成金属零件第二层轮廓；

步骤7、重复步骤S6，层流等离子体发生装置5逐层金属粉末加热成型，直至金属零件模型打印完成，打印过程中辅助装置502为层流等离子体发生器501提供惰性气体保护以及冷却装置为层流等离子体发生器501的喷枪降温，防止温度过高，减少安全隐患。

步骤8.金属零件模型打印完成后，静置至工作台301的表面温度接近室温。

步骤9.升降式工作箱3沿着齿条式导轨9横移至机架1的外部，从工作台301上取下金属零件，升降式工作箱3退回至机架1内部的初始位置，开启金属粉末回收系统6，真空泵将粉末回收槽602内残余的金属粉末回收至储粉罐601内，完成金属零件的打印工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，包括机架（1）、控制器（2）、升降式工作箱（3）和x、y轴联动导轨（4），所述机架（1）的侧部固设有控制器（2），机架（1）的底部设有升降式工作箱（3），机架（1）的顶部设有x、y轴联动导轨（4），其特征在于：还包括层流等离子体发生装置（5）、金属粉末回收系统（6）、铺粉装置（7）和送粉装置（8），所述层流等离子体发生装置（5）设在x、y轴联动导轨（4）上，所述金属粉末回收系统（6）设在机架（1）的底部，且位于升降式工作箱（3）的两侧，所述送粉装置（8）固设在机架（1）顶部，所述铺粉装置（7）位于送粉装置（8）的下方，且铺粉装置（7）可在升降式工作箱（3）上部纵向移动；所述的升降式工作箱（3）包括工作台（301）、升降机构（302）和工作箱体（303）所述工作台（301）设在工作箱体（303）上部，所述升降机构（302）安装在工作台（301）与工作箱体（303）之间；所述的铺粉装置（7）包括纵向导轨（701）、料斗（702）、螺旋送料器（703）和刮粉板（704），所述纵向导轨（701）与y轴导轨（402）平行，且纵向导轨（701）设于y轴导轨（402）的下方，所述螺旋送料器（703）可沿纵向导轨（701）滑动，所述螺旋送料器（703）的上部设有料斗（702），螺旋送料器（703）的下部设有刮粉板（704），所述刮粉板（704）的底部为锥面结构，所述螺旋送料器（703）的两侧均设有可打开或关闭的卸料口（705），所述卸料口（705）与工作台（301）在水平方向上尺寸相同；所述的机架（1）的底部设有齿条式导轨（9），所述齿条式导轨（9）延伸至机架（1）的外部，升降式工作箱（3）可沿齿条式导轨（9）滑动，所述齿条式导轨（9）的两端固设有行程限位块（10）。

2.根据权利要求1所述的一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，其特征在于：所述的x、y轴联动导轨（4）包括x轴导轨（401）和y轴导轨（402），所述y轴导轨（402）设置在机架（1）顶部的两侧，所述x轴导轨（401）垂直于y轴导轨（402）设置，且两端与y轴导轨（402）滑动配合。

3.根据权利要求2所述的一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，其特征在于：所述的层流等离子体发生装置（5）包括层流等离子体发生器（501）和辅助装置（502），所述层流等离子体发生器（501）套装x轴导轨（401）上，可沿着x轴导轨（401）滑动，所述辅助装置（502）与层流等离子体发生器（501）连接，辅助装置（502）包括供气装置、冷却系统和电源装置。

4.根据权利要求1所述的一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，其特征在于：所述的金属粉末回收系统（6）包括储粉罐（601）、粉末回收槽（602）和真空泵，所述粉末回收槽（602）设置在机架（1）底部，且位于升降式工作箱（3）的两侧，真空泵的吸风口与粉末回收槽（602）连接，真空泵的出风口与储粉罐（601）连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置，其特征在于：所述的控制器（2）包括中央处理单元和显示控制仪，所述中央处理单元与显示控制仪电连接，所述中央处理单元处理来自显示控制仪发出的指令。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种基于层流等离子体射流的金属3D打印成型装置的打印方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

S1、待打印金属零件模型的预处理，所述预处理包括排版布局和模型切片处理；

S2、将预处理后的模型信息导入打印设备的控制器（2）；

S3、根据金属零件的尺寸精度和强度要求，在控制器（2）中设置打印参数；

S4、打印设备初始化，升降式工作箱（3）复位到初始位置，开启送粉装置（8），储料仓（802）不断储存金属粉，达到重量检测装置设定的阀值时，储料仓（802）停止储粉，所述储料仓（802）将储存的金属粉末输送给铺粉装置（7），所述铺粉装置（7）在升降式工作箱（3）上预铺5~10层金属粉末作为预铺金属粉末层；所述的升降式工作箱（3）包括工作台（301）、升降机构（302）和工作箱体（303），所述工作台（301）设在工作箱体（303）上部，所述升降机构（302）安装在工作台（301）与工作箱体（303）之间；所述的铺粉装置（7）包括纵向导轨（701）、料斗（702）、螺旋送料器（703）和刮粉板（704），所述纵向导轨（701）与y轴导轨（402）平行，且纵向导轨（701）设于y轴导轨（402）的下方，所述螺旋送料器（703）可沿纵向导轨（701）滑动，所述螺旋送料器（703）的上部设有料斗（702），其下部设有刮粉板（704），所述刮粉板（704）的底部为锥面结构，所述螺旋送料器（703）的两侧均设有可打开或关闭的卸料口（705），所述卸料口（705）与工作台（301）在水平方向上尺寸相同；

S5、层流等离子体发生装置（5）在控制器（2）的控制下，通过x、y轴联动导轨（4）的联动配合，移动至金属模型第一层打印的初始位置后，开始产生层流等离子体射流，并沿着金属零件模型切片文件第一层轮廓路径加热，使升降式工作箱（3）上预铺金属粉末烧结，形成金属零件第一层轮廓；

S6、铺粉装置（7）在步骤S5中的第一层轮廓的基础上铺设一层金属粉末，层流等离子体发生装置（5）按照第二层轮廓路径加热，使当前层金属粉末烧结，形成金属零件第二层轮廓；

S7、重复步骤S6直至最后一层轮廓的烧结，层流等离子体发生装置（5）逐层将金属粉末加热，烧结成型，直至金属零件打印完成；

S8、关闭3D打印成型，静置至升降式工作箱（3）温度接近室温；

S9、取出金属零件，开启金属粉末回收系统（6）回收工作箱和粉末回收槽（602）内残余的金属粉末，完成打印工作。

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