CN108580900A - 一种3d打印装置和具有该装置的多功能加工平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D打印装置和具有该装置的多功能加工平台，3D打印装置包括打印头和经由送料管路与打印头连接的送料装置，打印头包括：安装在能够自由移动的随动机构上的打印头本体；安装于打印头本体中部的激光器；多个成一组并设有2组以上的喷嘴，各组喷嘴经由管路连接件与输送保护气体、或载有不同种或同种加热熔融粉末耗材的保护气体的送料管路连接，并朝激光器的焦点位置喷射；预先对金属粉末耗材进行加热的预加热机构。本发明通过设置预加热机构，能减少激光器的功率，大大降低成本；通过喷嘴喷射保护气体能防止爆熔或喷溅，无需封闭的箱体环境，进一步降低成本；在打印过程中能连续调整不同粉末耗材的掺杂比例。

Description

一种3D打印装置和具有该装置的多功能加工平台

技术领域

本发明涉及快速成型中的3D打印领域，特别涉及一种3D打印装置和具有该装置的多功能加工平台。

背景技术

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。3D金属打印机具有很高的经济价值，但现有的3D金属打印机普遍存在以下几点问题：

1.打印尺寸和价格成本问题。目前3D金属打印机普遍存在价格成本高的问题，一是激光器功率越大其成本越大，导致了大功率激光器的打印机销售价格居高不下，二是成型尺寸受到3D打印机封闭箱体的限制，由于使用了封闭式的箱体，所以制造成本会加大，所以3D金属打印机的售价一致居高不下。3D打印机的几乎100％均使用了封闭的箱体结构，原因是激光烧结需要在全封闭的环境下对烧结环境进行气体保护以防止爆熔或喷溅，以避免降低打印精度或避免表明不光滑的产生，箱体的大小限制了打印成品的尺寸。

2.小型化和再次加工问题。目前3D打印技术只作为增量制造的一个方式与方法，但由于其熔融碓砌的加工原理，使3D打印产品均存在表面光滑度不够的问题，其加工的表面光滑度无法与切削工艺的减量制造效果相媲美，此时需要将3D打印产品再次进行减量制造。

3.打印工件材料性能单一。传统3D金属打印机只能提前进行金属粉末组成比的掺杂，打印过程中其各种金属比例是不可以调整的。目前几乎100％的3D金属打印机都存在打印的耗材为同一种，在打印过程中不能够切换，而且不能不停机在打印过程中连续调整不同金属材料粉末的掺杂比例，使工件的材料性能比较单一，不能满足打印特殊材料制品的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种3D打印装置及具有该装置的多功能加工平台，该3D打印装置既能通过预加热机构将喷嘴喷出的加热熔融粉末耗材迅速加热至接近熔点的温度，减少3D打印装置使用的激光器的功率，大大降低成本；又能通过喷嘴喷射保护气体来防止爆熔或喷溅，无需封闭的箱体环境，进一步降低成本；还能在打印过程中连续调整不同粉末耗材的掺杂比例。此外，通过所述多功能加工平台，能够集增量制造与减量制造于一体。

为了解决上述技术问题，本发明的3D打印装置包括打印头和经由送料管路与所述打印头连接的送料装置；所述打印头包括打印头本体、激光器、喷嘴和预加热机构；所述打印头本体安装在能够自由移动的随动机构上；所述激光器安装于所述打印头本体中部；所述喷嘴多个成一组并设有2组以上，各组所述喷嘴经由管路连接件与输送保护气体、或载有不同种或同种加热熔融粉末耗材的所述保护气体的所述送料管路连接，并朝所述激光器的焦点位置喷射；所述预加热机构在所述喷嘴喷射载有金属粉末耗材的所述保护气体的情况下，预先对所述金属粉末耗材进行加热。

优选地，所述送料装置具有2个以上能够分别输送不同种或同种粉末耗材的送料总成，所述送料总成包括：多个装有同种粉末耗材的料斗，所述料斗的下端设有下料口；对应设置在各所述料斗下方的多个配料泵，所述配料泵包括泵壳和安装在所述泵壳内的泵芯，所述泵壳上端设有与所述下料口连接的进料孔，下端设有出料孔，所述泵芯的外周面均匀设置有多个容纳所述粉末耗材的集料凹部，并且，各所述泵芯的所述集料凹部之间设定有相位差，以使各所述泵芯能在预定时刻按预定速度轮流输送所述粉末耗材；同轴驱动所述泵芯转动的驱动机构；提供保护气体的供气机构；对应设置在各所述配料泵下方的多个三通连接件，所述三通连接件的第一端与所述配料泵的所述出料孔连接，第二端与所述供气机构连接，第三端与所述送料管路连接。

优选地，所述送料总成还包括与各所述料斗直接或间接接触的振动电机。

优选地，所述供气机构包括：提供保护气体的高压气瓶；从所述高压气瓶分支出并分别与对应的所述三通连接件的所述第二端连接的多个供气管路；分别设于所述供气管路上的控制阀。

优选地，所述送料装置具有三个所述送料总成，且各所述送料总成内的所述料斗、所述配料泵、所述三通连接件分别设有三个；相应地，所述喷嘴三个成一组并设置有三组，各组内的所述喷嘴呈正三角形一体布置在所述打印头本体上；所述喷嘴整体沿所述打印头本体的圆周均匀地布置，并以越靠近所述打印头本体的底端越聚拢的方式、从所述打印头本体的顶端贯通至底端；各组所述喷嘴相互交错布置。

优选地，所述喷嘴与所述打印头本体分体设置，并且，所述喷嘴与所述打印头本体联接并能够同步动作。

优选地，所述送料管路为柔性管路。

优选地，所述预加热机构为电弧预加热机构，设于所述打印头本体上所述激光器外侧。

优选地，所述电弧预加热机构包括钨铼合金的电弧发生针、供电部、电弧控制单元，所述电弧发生针末端指向所述激光器的焦点位置。

本发明的多功能加工平台具有上述任意一个技术方案所述的3D打印装置和对由所述打印头装置制造的产品进行表面处理的减量加工工具。

根据本发明的3D打印装置和具有该装置的多功能加工平台，可获得的有益效果至在于：

该3D打印装置既能通过预加热机构将喷嘴喷出的加热熔融粉末耗材迅速加热至接近熔点的温度，减少3D打印装置使用的激光器的功率，大大降低成本；又能通过喷嘴喷射保护气体来防止爆熔或喷溅，无需封闭的箱体环境，进一步降低成本；还能在打印过程中连续调整不同粉末耗材的掺杂比例。此外，通过所述多功能加工平台，能够集增量制造与减量制造于一体。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1是本发明涉及的3D打印用打印头装置一优选实施方式的结构示意图；

图2是本发明涉及的3D打印用打印头装置一优选实施方式的的另一结构示意图；

图3是本发明涉及的3D打印用送料装置中的送料总成一优选实施方式的结构示意图；

图4是本发明涉及的3D打印用送料装置中的配料泵泵壳的结构示意图；

图5是本发明涉及的3D打印用送料装置中的配料泵泵芯的结构示意图；

图6是示出各个配料泵在其集料凹部相互具有相位差的状态下轮流输送粉末耗材的状态示意图；

图7是本发明涉及的3D打印用送料装置中的供气机构一优选实施方式的结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明要解决的技术问题是提供一种3D打印装置及具有该装置的多功能加工平台，该3D打印装置既能通过预加热机构将喷嘴喷出的加热熔融粉末耗材迅速加热至接近熔点的温度，减少3D打印装置使用的激光器的功率，大大降低成本；又能通过喷嘴喷射保护气体来防止爆熔或喷溅，无需封闭的箱体环境，进一步降低成本；还能在打印过程中连续调整不同粉末耗材的掺杂比例。此外，通过所述多功能加工平台，能够集增量制造与减量制造于一体。

为了便于理解，需要提前说明的是，送料装置可任何粉末耗材，例如可输送金属粉末耗材，也可输送非金属粉末耗材，如陶瓷粉末、热塑性塑料粉末等其他任何粉末，在与具有激光器的打印头装置200配套使用的情况下，送料装置经由送料管路向打印头装置200输送的是可通过激光器加热熔融的粉末耗材(以下，简称粉末耗材)，在使用预加热机构的情况下，是指输送金属粉末耗材。

如图1～7所示，本发明的3D打印装置包括打印头装置200和经由送料管路与所述打印头装置连接的送料装置。

如图1、2所示，打印头装置200可包括打印头本体210、激光器(未图示)、多个喷嘴220、预加热机构230等。打印头本体210可安装于3D打印装置的随动机构300上，从而打印头装置200可自由移动。

具体而言，打印头本体210上端宽下端窄，整体呈多边形倒锥形台结构，打印头本体210的中部设有安装激光器的通孔240。各喷嘴220配置在打印头本体210中，并朝向激光器的焦点位置，具体而言，各喷嘴220沿打印头本体210的圆周均匀地分布，并以越靠近打印头本体210的底端越聚拢的方式从打印头本体210的顶端贯通至底端，进而，各喷嘴220下端的延长线可聚集于激光器的焦点位置。各喷嘴220的上端经由管路连接件(图6中仅示出部分喷嘴220上端的管路连接件)与送料管路连接。从而，3D打印用送料装置(详见图3～图7)可经由送料管路向打印头装置200的各喷嘴220输送保护气体或载有粉末耗材的保护气体，并通过上述结构的各喷嘴220进一步喷射到激光器的焦点位置。由于在打印头本体210的中部安装有激光器，因此，可加热熔化从喷嘴220喷出的粉末耗材，在激光束(热源)移动走的时候，熔化的粉末耗材开始固化。

此外，可根据需要的粉末耗材的种类数量，在打印头装置200上配置相同组数的喷嘴220。为了实现打印中连续切换不同的粉末耗材，喷嘴220组数为2组以上；各组喷嘴220内喷嘴220的数量为2个以上。由此，每组喷嘴220可单独喷射载有不同种类粉末耗材的保护气体，同组喷嘴220可喷射载有同种粉末耗材的保护气体。例如，在由2个喷嘴220构成一组的情况下，喷嘴220设置的数量可以为2的2倍以上的倍数个，如4个、6个，每组喷嘴内的2个喷嘴220均喷射载有同种粉末耗材的保护气体，2组喷嘴可喷射载有2种粉末耗材的保护气体；在由3个喷嘴220构成一组的情况下，喷嘴220设置的数量可以为3的2倍以上的倍数个，如6个、9个，每组喷嘴内的3个喷嘴220均喷射载有同种粉末耗材的保护气体，3组喷嘴可喷射载有3种粉末耗材的保护气体，依次类推。此外，各组喷嘴220优选交错分布，从而可朝激光器焦点位置均匀地喷射载有不同粉末耗材的保护气体。

现有技术中，大多数3D金属打印机普遍存在成本高的问题，很大一部分原因是，为了提高打印工作速度，需使用大功率激光器对粉末耗材进行加热熔化，大功率激光器的使用增加了制造成本，而且不存在线性关系，随着激光器的功率加大，成本将十倍百倍的增加。针对该现状，本发明中，在打印头装置200上设置有预加热机构230，对于高熔点的金属粉末耗材，可先通过预加热机构230进行预加热，将从各喷嘴220喷出的金属粉末耗材迅速加热至接近熔点的温度，再通过激光器使之熔化实现打印。由此，不仅能够有效降低3D打印机的成本，而且也能够避免激光束加热不完全，并提高打印工作质量和速度。此外，使用具有该打印头装置200的3D打印机，更容易市场化，取得更高的经济效益与社会效益。

预加热机构230可设置在激光器侧边，并指向激光器的焦点位置。预加热机构230可采用电弧预加热器，在通过电弧预加热器进行预加热和通过激光器进行激光烧结的同时，还可利用到前述保护气体的保护作用使电弧稳定。由此，能够使喷射到激光器焦点位置的金属粉末耗材在稳定的电弧中迅速加热到接近熔点的温度。也即是说，保护气体在金属粉末的预加热和激光烧结、熔化过程中均可起到保护作用，防止爆熔或喷溅。

下面，继续参照图1、图2对打印头装置200的一优选实施方式进行说明。

如图1、图2所示，打印头装置200具有三组喷嘴；每一组喷嘴配置有三个喷嘴220，分别为第一喷嘴组221、第二喷嘴组222、第三喷嘴组223；一个送料总成100的三个料斗110分别向同一组内的三个喷嘴220提供粉末耗材。因此，同一组喷嘴220喷射载有同种粉末耗材的保护气体，各组喷嘴220可喷射载有不同种类粉末耗材的保护气体。三个喷嘴220可呈正三角形布置，以保证粉末加入量在各方向上是均匀的，三组喷嘴优选交错布置。由此，可保证从3个方向喷出的保护气体、或保护气气体与在保护气体的带动下的粉末耗材更均匀地喷射到激光束的焦点位置，进而，通过激光束进行加热使之熔化。

在该实施方式中，以3个喷嘴220成一组的结构为例进行了说明，但本发明并不限于此，也可以两个或四个以上的喷嘴220为一组进行设置。此外，该实施方式中，喷嘴220敷设于打印头本体210之内，但本发明并不限于此，可以理解的是，喷嘴220也可与打印头本体210分开设置，即打印头本体210上只设有激光器和预加热机构230，但在喷嘴220与打印头本体210分开设置的情况下，喷嘴220应与打印头本体210联接并同步动作，保证各喷嘴组的喷射聚集位置、激光器的激光束焦点位置、预加热机构230的加热范围保持一致。

在该实施方式中，预加热机构230采用电弧预加热器，电弧预加热机器设于激光器一侧，包括电弧发生针、供电部、电弧控制单元等。电弧预加热机构230的电弧发生针首端为连接导线的供电部，末端指向或靠近激光器的焦点位置(喷嘴的聚焦位置)。电弧预加热器基于与氩弧焊相类似的作用原理，对高熔点金属粉末耗材进行电弧预热，在电弧预热中，通过电弧控制单元控制输入的电流大小，从而控制电弧发生针的输出功率(即能量)来进行预加热，预先使金属粉末耗材接近熔点温度，最终在激光的加热作用下使之熔化实现堆砌打印过程。在预加热机构230采用电弧预加热器的情况下，优选的是，电弧发生针为钨铼合金材质。当然，本发明并不限于此，预加热机构230也可采用其他方式进行预加热。

此外，在该实施方式中，激光器采用了光纤激光器。该情况下，激光器的光纤、喷嘴220后面的送料管路和预加热机构230的电缆均为柔性材料，使得打印头装置200能够成为一个后部为柔性连接的总成。由于打印头装置200后部可以柔性连接，使得打印头装置200能够在一定范围内自由的活动，如果需要大范围活动，只需要加长柔性材料的长度就能解决。由此，打印头装置200可不受打印框架的限制，只要接洽适合的机械结构(甚至由机械臂控制)，其打印的尺寸理论上可无限大，而且，目前3D打印机的打印有效尺寸是左右打印机价格的一个重要决定因素，所以本发明涉及的打印头装置200可以在极小的可控成本内，完成极大的价格机器才能完成的打印工作，其社会效益和经济效益十分可观。

此外，目前可使用的金属3D打印机都具有庞大的体积，其原因是在打印的过程中制造一个全封闭的箱体，打印件的尺寸因而受到箱体的尺寸限制，保护箱的作用是充满保护气体，在激光熔融过程中防止爆熔或喷溅的产生，金属在熔融过程中遇到空气中的氧气，由于温度高，会和氧气产生强烈的氧化反应，而氧化反应剧烈将发生爆熔或喷溅，从而影响打印的精度。本打印头装置200中，通过设置喷嘴220，能够直接将保护气体喷出，在激光聚焦位置形成保护气体氛围，使在极小的打印集热处由于本氛围的存在，不可能产生爆熔或喷溅情况，保证打印的精度。因此，使用具有该打印头装置200的3D打印机不需要封闭的箱体。此外，也可将本发明的3D打印装置的打印头装置200装在一个数控机械臂上或装入加工中心里，由于以上结构形式，所以无论怎样使用该打印头装置200，在打印过程中均不需要封闭式箱体的结构作为保护，打印头装置200整体是开放式的使用方式。

由此可知，上述结构的打印头装置200为柔性连接且不需要封闭式的箱体。进而，打印头装置200可安装在可进行减量制造的加工机床上。例如，打印头装置200可以放置在加工中心内，加工中心可以先使用包括该打印头装置200的3D打印装置进行增量制造，再由各种刀具进行抛光作业，使得增量制造和减量制造能够在一个平台内完成，即，形成集增量制造和减量制造于一体的多功能加工平台。该利用价值是无可估量的，比如可将产品直接安装在加工中心中形成一个总体产品，此外，还可将包括该打印头装置200的3D打印装置安装在航母或大驱逐舰上，从理论上来讲，该舰船就可直接加工任何需要的备件，从而可省略设置备件仓库。

下面，结合图3～图7对可与打印头装置200配套使用的送料装置进行说明。

如前所述，送料装置可输送任何粉末耗材，在与具有激光器的打印头装置200配套使用的情况下，送料装置经由送料管路向打印头装置200输送的是可通过激光器加热熔融的粉末耗材(以下，简称粉末耗材)，在使用预加热机构的情况下，是指输送金属粉末耗材。为了实现打印中连续切换不同的粉末耗材，打印头装置200中喷嘴220组数为2组以上，对应地，如图3所示，送料装置具有2个以上的送料总成100，各送料总成100能够输送不同种的粉末耗材。各送料总成100包括料斗110、配料泵120、驱动机构130、供气机构140和三通连接件150等。料斗110主要用于储存打印的粉末耗材；配料泵120用于将从料斗110落下的粉末耗材定量化输送至三通连接件150；驱动机构130用于驱动配料泵120转动以向三通连接件150输送粉末耗材；供气机构140用于提供具有充足压力的保护气体，保护气体首先经由供气管路142进入三通连接件150；三通连接件150主要用于将从配料泵120输送出的粉末耗材与供气机构140提供的保护气体混合。由于保护气体具有充足的压力，因此可带动粉末耗材从三通连接件150经由送料管路一起进入打印头装置200。

优选地，一个送料总成100同一时刻只控制一种粉末耗材的输送，3D打印装置可提供多个送料总成100，多个送料总成100内分别装有不同的粉末耗材，3D打印装置可以为金属3D打印装置。此外，各送料总成100内料斗110及配料泵120、三通连接件150、供气管路142的数量与各组喷嘴220内喷嘴220的数量相同。配置多个送料总成100的3D打印装置可以同时或分时控制输入的粉末耗材的不同或者控制掺杂比例的不同，实现不停机连续切换不同粉末耗材的功能。

具体而言，与各组喷嘴220内的喷嘴数量对应地，各送料总成100具有2个以上的料斗110，同一送料总成100内的料斗110内可装有同种粉末耗材，料斗110的下端设有下料口111。料斗110可呈类似漏斗的结构，便于用于打印的粉末耗材下落。在一优选实施方式中，为便于料斗110内的粉末耗材下落，可在料斗110上装有振动电机，振动电机可与料斗110直接接触，也可与料斗110间接接触。由此，通过振动电机振动，有助于粉末耗材在重力的作用下从料斗110迅速下落至配料泵120。

配料泵120对应设置在料斗110的下方，相应地，配料泵120的数量与料斗110数量相同。如图4和图5所示，配料泵120可包括泵壳121和安装在泵壳121内的泵芯126。泵壳121对泵芯126严密包裹，泵壳121上端设有与料斗110的下料口111连接的进料孔122，下端设有向三通连接件150落料的出料孔123；泵芯126可类似实心轮胎结构，泵芯126的中部设有与后述的驱动机构130(如图3、图6所示)的对应部分啮合的安装孔128，泵芯126的外周面均匀设置有多个容纳粉末的集料凹部127。各泵芯126的集料凹部127之间设定相位差，以能在每个预定时刻都有粉末耗材按预定速度从各泵芯126的集料凹部127输送出。具体而言，同一送料总成100内的多个泵芯126受一个驱动机构130同轴驱动而转动，在泵芯126的转动下，各泵芯126外周面的集料凹部127向出料孔123移动，由于各泵芯126的集料凹部127之间设定有相位差，因此，使得在每个预定时刻，总是有一个泵芯126的某个集料凹部127会在出料孔123位置，其余泵芯126的集料凹部127不在出料孔123位置，换句话说，各泵芯126通过具有相位差的集料凹部127按预定速度轮流向三通连接件150输送粉末耗材。具体实施时，集料凹部127可加工为半球状的凹坑，便于从进料孔122承接粉末耗材和使粉末耗材从出料孔123输出。

驱动机构130用于驱动配料泵120转动以输送粉末耗材，具体可如图6所示，包括电机132和与泵芯126连接的电机输出轴131(以下简称输出轴131)，输出轴131安装在同一送料总成100内的多个泵芯126的安装孔128内。由此，通过输出轴131与同一送料总成100内的各泵芯126中部的安装孔128啮合，可实现一个驱动机构130同轴带动多个泵芯126转动。驱动机构130的输出轴131的速度由电机132的转速控制，电机132经由电脑或处理器控制。由此，能够保证驱动机构130的稳定性和可控性，使得粉末耗材不会被浪费。优选的是，电机132采用步进电机或伺服电机。

各送料总成100的供气机构140主要用于经由三通连接件150向后述的打印头装置200提供惰性的保护气体，同时可带动粉末耗材一起向打印头装置200输送。具体可如图7所示包括：提供具有充足压力的保护气体的高压气瓶141；从高压气瓶141经由多通分支出的2个以上的供气管路142；分别设于各供气管路142上的控制阀143。优选地，一个高压气瓶141为一个送料总成100进行供气，从高压气瓶141分支出的供气管路142的数量与直接连接的三通连接件150的数量相同，相应地，也与料斗110、配料泵120的数量相同。控制阀143优选为恒流量控制阀；更优选为恒压恒流量控制阀。控制阀143具体可以选用电磁阀，便于自动化控制。通过供气机构140提供的保护气体并由保护气体带动粉末耗材一起向打印头装置200输送，不仅可避免粉末耗材在熔化过程中产生爆熔或喷溅，还可起到对于激光加热焦点之外区域的冷却作用。

各送料总成100内的三通连接件150主要用于将粉末耗材与保护气体混合并输送至送料管路。三通连接件150对应设置在各配料泵120的下方，三通连接件150的第一端151与配料泵120的出料孔123连接，第二端152与供气机构140的供气管路142连接，第三端153经由送料管路与打印头装置200连接。如前所述，三通连接件150的数量与料斗110、配料泵120、供气管路142的数量相同，此外，还与直接连接的送料管路的数量相同。

下面，进一步参照图3～图7对送料装置的一优选实施方式进行说明，该实施方式与前述打印头装置200的优选实施方式对应。

具体而言，本发明涉及的送料装置设置有三个送料总成100，各送料总成100向前述的打印头装置200输送不同种类的粉末耗材，从而通过三个送料总成100能够输送3种粉末耗材。当然，不言而喻，各送料总成100也能够实现向打印头装置200输送相同种类的粉末耗材。在每个送料总成100内，设有如下部件：装有同种粉末耗材的三个料斗110；如图6所示在三个料斗110下方同轴设置的三个配料泵120，分别为第一配料泵120a、第二配料泵120b、第三配料泵120c；在三个配料泵120下方分别设置的三个三通连接件150；同轴驱动三个配料泵120转动的驱动机构130；向三个三通连接件150输送保护气体的供气机构140。

在料斗110上，还装有与料斗110直接或间接接触振动电机，在振动电机和粉末耗材自身重力的双重作用下，各料斗110内的粉末耗材迅速从下端的下料口111下落至配料泵120。在配料泵120内，粉末耗材首先从泵壳121上端的进料孔122落入泵芯126外周末的集料凹部127内，在泵芯126的转动下，向泵壳121下端的出料孔123移动。与前述一样，各送料总成100内，驱动机构130同轴驱动三个配料泵120的泵芯126转动，三个泵芯126的集料凹部127之间设定有相位差，以能在每个预定时刻都有粉末耗材按预定速度从某一泵芯126的集料凹部127输送出，即，每一预定时刻都有一个泵芯126的集料凹部127能够在出料孔123的位置，而另外两个泵芯126的集料凹部127不在出料孔123的位置。由此，随着各送料总成100的三个泵芯126同轴转动，三个配料泵120就能够按预定速度轮流向三通连接件150输送同种粉末耗材，从而可源源不断地进行输料。

在配料泵120内的粉末耗材从泵壳121下端的出料孔123经由三通连接件150的第一端151落入三通连接件150的同时，供气机构140提供的保护气体从供气管路142经由三通连接件150的第二端152进入三通连接件150，从而，保护气体可带动粉末耗材一起从三通连接件150的第三端153经由送料管路输送至前述的打印头装置200(参照图1、图2)。

在该实施方式中，泵芯126与输出轴131键连接。具体而言，如图6所示，输出轴131的键位于同一条母线上，但各送料总成100内的三个泵芯126上键槽的位置互不相同，由此，各泵芯126可在彼此之间具有相位差的状态下输送粉末耗材。当然，本发明并不限于此，在其他实施方式中，也可将各泵芯126上键槽的位置设置为相同，即在同一条母线上，而将输出轴131上与各泵芯126连接的键的位置设置为不同。此外，在该实施方式中，所述供气管路142为柔性软管，从而便于与各三通连接件150连接。当然本发明并不限于此，也可采用其他材质的管路，只要能实现与各三通连接件150连接即可，例如采用不锈钢伸缩管等。

上述实施方式中，以各送料总成100内设有三个料斗110和对应的三个配料泵120、三个三通连接件150、三个供气管路142的结构为例进行了说明，但本发明并不限于此，各送料总成100内也可设置两个或四个以上的料斗110及对应数量的配料泵120、三通连接件150、供气管路142，具体数量与前述打印头装置200中各组喷嘴内喷嘴的数量对应即可。

本发明中，通过采用该送料装置，能够在不停机的情况下连续调整不同粉末耗材的掺杂比例，能够不停机对不同耗材粉末进行打印过程中的切换，从而可达到改进打印工件的材料属性的目的。

此外，包括上述送料装置和打印头装置200的3D打印装置是由控制机构控制，该控制机构可采用计算机的自编软件对打印装置的全部功能进行总体控制。

具体而言，计算机配有数控卡，用计算机的自编软件对数控卡进行控制，数控卡的外围接口连接3D打印装置的各种行动部件并控制各种行动部件运动及动作，功率输出部分的控制也由数控卡完成，另外接电源使功率部件得到电力输入。例如电弧预加热器由起弧装置提供电弧，可对起弧装置外接电源提供功率。通过用计算机控制电弧能量，使得控制精度大大提高，可以掌握预加热的能量，使得不同金属粉末或不同残渣比粉末达到理想的预加热温度。

供气机构140的各供气管路142的气压及流速也可通过数控卡信号进行控制，并通过传感器反馈到计算机软件界面方便了解其运行情况等。在设定好气压及流速后，保护气体从高压气瓶141流出，通过由多通实现的多个供气管路142和设置在供气管路142上的控制阀143进入三通连接件150的第二端152。此外，计算机控制振动电机与电机131工作，电机132的转速可根据控制要求拟定，用来控制粉末耗材进入三通连接件150的量。供气管路142中的保护气体进入配料泵120下的三通连接件150后，可带动粉末耗材一起进入送料管路，并均匀地喷射到激光束的聚点位置上。

预加热机构230外接电源提供功率，功率或能量由计算机软件通过数控卡实现控制，所以能够达到理想的预热效果，不至于过高，也不至于过低。激光器可采用一台小功率光纤激光器构成，由外接电源提供必要的功率，其开断由计算机自编软件通过数控卡的输出信号进行控制。将打印头装置200控制完成后，就可以把打印头装置200通过机械臂加入到加工中心或其他数控设备的机械加工设备上，由计算机自编软件通过数控卡来控制以上各种机械结构的运动，从而实现3D粉末打印，也实现了增量制造和减量制造的一体化加工生产。

综上所述，根据本说明书中公开的送料装置和打印头装置等，可获得的有益效果至少在于：

1.采用本发明中的送料装置和打印头装置的3D打印装置，由于连接打印头装置的管路都为柔性材料，该3D打印装置可以不受结构尺寸的限制，使得打印尺寸在理论上可以做到无限大。无需封闭充保护气体的箱式结构。所以不受打印尺寸的限制。

2.本发明中的送料装置设置多个送料总成，也配置配套的打印头装置，因此可以在打印中连续切换不同的粉末耗材，能够使打印的产品产生不同的材料特性，使得加工一个不同材质的零件成为可能。打印过程中可以连续切换不同粉末耗材，能够提高工件的材料性能。而传统3D金属打印装置只能提前进行金属粉末组成比的掺杂，打印过程中其各种金属比例是不可以调整的，本发明彻底解决了在打印过程中不同粉末的连续不同掺杂比例的调整，使打印特殊材料制品成为可能。打印过程中可以连续切换不同粉末耗材，可切换不同种粉末耗材的混合比例进行掺杂。所以在一个打印过程中可以实现不同成分的连续变换打印，也可以打印过程中对粉末耗材成分比例进行掺杂，对材料性能实现改变。

3.传统的金属3D打印装置使用的箱式结构，只能作为一个增量制造的平台，而目前为止，其加工的表面光滑度无法与切削工艺的减量制造效果相媲美，本发明由于引入了打印头装置的概念，抛弃了箱体式结构，引入了喷射式保护气体，使得打印头装置可以利用在任何数控机械中，可以装入加工中心，可以实现增量制造与减量制造的同平台的使用。打印头装置软式连接总成可以小型化，装在加工中心里；实现增材制造和减量制造的一体化，解决单纯金属3D打印装置表明不光滑的问题。

4.打印头装置设有(电弧)预加热机构，能够减少使用的(光纤)激光器的功率，从而大大的降低成本，使本发明更容易市场化，取得更高的经济效益与社会效益。在(电弧)预热中，金属粉末耗材可预加热至其熔点温度，最终在激光的加热作用下使之熔化实现堆砌打印过程。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，当然本发明并不限于此，也可采用其他设置来实现。此外，本发明主要用于快速成型中的3D打印领域，但是对本领域技术人员来说，不难想到本发明也可以用于其他相关领域。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种3D打印装置，其特征在于，

所述3D打印装置包括打印头装置和经由送料管路与所述打印头装置连接的送料装置；

所述打印头装置包括打印头本体、激光器、喷嘴和预加热机构；

所述打印头本体安装在能够自由移动的随动机构上；

所述激光器安装于所述打印头本体中部；

所述喷嘴多个成一组并设有2组以上，各组所述喷嘴经由管路连接件与输送保护气体、或载有不同种或同种加热熔融粉末耗材的所述保护气体的所述送料管路连接，并朝所述激光器的焦点位置喷射；

所述预加热机构在所述喷嘴喷射载有金属粉末耗材的所述保护气体的情况下，预先对所述金属粉末耗材进行加热。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，

所述送料装置具有2个以上能够分别输送不同种或同种粉末耗材的送料总成，所述送料总成包括：

多个装有同种粉末耗材的料斗，所述料斗的下端设有下料口；

对应设置在各所述料斗下方的多个配料泵，所述配料泵包括泵壳和安装在所述泵壳内的泵芯，所述泵壳上端设有与所述下料口连接的进料孔，下端设有出料孔，所述泵芯的外周面均匀设置有多个容纳所述粉末耗材的集料凹部，并且，各所述泵芯的所述集料凹部之间设定有相位差，以使各所述泵芯能在预定时刻按预定速度轮流输送所述粉末耗材；

同轴驱动所述泵芯转动的驱动机构；

提供保护气体的供气机构；

对应设置在各所述配料泵下方的多个三通连接件，所述三通连接件的第一端与所述配料泵的所述出料孔连接，第二端与所述供气机构连接，第三端与所述送料管路连接。

3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，

所述送料总成还包括与各所述料斗直接或间接接触的振动电机。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，

所述供气机构包括：提供保护气体的高压气瓶；从所述高压气瓶分支出并分别与对应的所述三通连接件的所述第二端连接的多个供气管路；分别设于所述供气管路上的控制阀。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的3D打印装置，其特征在于，

所述送料装置具有三个所述送料总成，且各所述送料总成内的所述料斗、所述配料泵、所述三通连接件分别设有三个；

相应地，所述喷嘴三个成一组并设置有三组，各组内的所述喷嘴呈正三角形一体布置在所述打印头本体上；

所述喷嘴整体沿所述打印头本体的圆周均匀地布置，并以越靠近所述打印头本体的底端越聚拢的方式、从所述打印头本体的顶端贯通至底端；

各组所述喷嘴相互交错布置。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的3D打印装置，其特征在于，

所述喷嘴与所述打印头本体分体设置，并且，所述喷嘴与所述打印头本体联接并能够同步动作。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的3D打印装置，其特征在于，

所述送料管路为柔性管路。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的3D打印装置，其特征在于，

所述预加热机构为电弧预加热机构，设于所述打印头本体上所述激光器外侧。

9.根据权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，

所述电弧预加热机构包括钨铼合金的电弧发生针、供电部、电弧控制单元，所述电弧发生针末端指向所述激光器的焦点位置。

10.一种多功能加工平台，其特征在于，

所述多功能加工平台具有权利要求1～9中任意一项所述的3D打印装置和对由所述打印头装置制造的产品进行表面处理的减量加工工具。