CN116851788A - 一种3d打印装置及其在现场构件的在线打印的应用、3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印装置及其在现场构件的在线打印的应用、3D打印方法，3D打印装置包括打印机构、扫描机构、移动机构和储存室，储存室具有型腔，打印机构和扫描机构均位于储存室的型腔内，储存室的底部与移动机构连接，移动机构用于带动储存室移动；扫描机构包括第一移动件和扫描部，第一移动件用于将扫描部从型腔向外伸出至待修复构件处；打印机构包括激光清洗组件、激光冲击强化组件和3D打印激光增材组件，打印机构的顶部设置有第二移动件，第二移动件用于将打印机构从型腔内向外伸出至待修复构件处。本发明的3D打印装置，能够适用于现场离线或在线成型及修复的缺点，综合解决3D打印在构件成型和修复过程中的问题。

Description

一种3D打印装置及其在现场构件的在线打印的应用、3D打印 方法

技术领域

本发明属于3D打印制造技技术领域，具体涉及一种激光复合场下的3D打印装置及其在现场构件的在线打印的应用、3D打印方法。

背景技术

3D打印技术又称增材制造技术，是一种材料熔聚快速成型技术。其通过数字建模，分层加工，迭加成形的方式打印，其融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，由数字模型直接逐层打印出三维零件，制造出实体物品。相较于铸造、锻造以及减材加工的传统材料成型方式，3D打印是一种净成型工艺，不需要采用磨具，制造周期短，节省材料，降低成本；同时，还能实现材料组分连续变化的梯度功能材料制造，并且制造过程不受金属零件复杂结构的限制，这使得过去受到传统制造方式的约束而无法实现的复杂结构件的制造变为可能。

3D打印受构件尺寸的约束小、成型效率高、可实现复合梯度材料的快速成型，在航空航天、军工领域、核工业以及石油化工等具有重要的应用价值及前景。但是，对于一些结构复杂、带有大量加工孔洞以及薄壁构件，特别是对高强、高硬合金材料的成型及修复制造，3D打印受其工艺特性的限制，存在一些问题，包括：1)现有的3D打印装置，一般设计或安装在工业厂房，对于一些难以外送或者需要在现场进行成型或者修复的构件，无法满足现场的需求；2)3D打印在制造过程中存在不断积累的抗拉应力的残余应力，高能激光束作用于金属粉末，金属粉末在“熔化-凝固-冷却”过程存在极大的温度梯度，每一熔化层冷却的程度受到底部凝固材料连续性的限制，一层层的累积下来，就会在成型构件中形成较大的残余拉应力，其结果是会降低其疲劳抗力或造成最终构件的变形，应力高到一定程度时，会在构件内部萌生裂纹，导致构件开裂；3)3D打印在制造构件的过程中，溶液会飞溅到构件表面，形成熔渣，特别是对复杂多孔的构件，内部孔洞熔渣难以清理，无法保证构件内部表面的光洁性；4)没有密闭式的成型制造室，不能形成完整的惰性空间，保护效果较差，导致构件内氧化物含量较高，并且在每层打印层之间形成氧化物夹杂，影响成型或修复构件的整体性能；5)当激光冲击强化时，需要约束层来限制等离子体扩散，提高冲击波峰值压力，延长冲击波作用时间，从而增强激光冲击强化的效果，目前常用的是水层、空气约束层、光学玻璃、树脂或硅胶等，然而水层需要固定水源，不适合现场条件的快速修复，空气约束层直接利用空气，即无约束层，效果较差；光学玻璃、树脂或硅胶适型性较差，不能很好地按照待强化件的形状贴附；6)对于现场无法或者难以拆解的设备构件，无法实现在线的成型或者修复。

针对3D打印过程中存在的上述问题，消除3D打印构件内部的残余拉应力，将有害的残余拉应力转变为有益的压应力，并采用适用于现场、易于制备、可高效增强冲击效果的约束层，可清理冲击强化过程中残留约束层及3D打印过程中构件表面飞溅的熔渣，保证构件表面的光洁性，同时，可移动至现场，满足现场的离线/在线成型及修复需求，亟需开发一种3D打印装置。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种3D打印装置，能够克服目前3D打印手段单一、效果差、不适用于现场离线/在线成型及修复的缺点，综合解决3D打印在构件成型和修复过程中的问题，提高3D打印金属构件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明的一个目的是提供一种3D打印装置，包括打印机构、扫描机构、移动机构和储存室，所述储存室具有型腔，所述打印机构和扫描机构均位于所述储存室的型腔内，所述储存室的底部与所述移动机构连接，所述移动机构用于带动所述储存室移动；所述扫描机构包括第一移动件和扫描部，所述第一移动件用于将所述扫描部从所述储存室的型腔内向外伸出至待修复构件处，使所述扫描部对所述待修复构件进行扫描；所述打印机构包括激光清洗组件、激光冲击强化组件和3D打印激光增材组件，所述打印机构的顶部设置有第二移动件，所述第二移动件用于将所述打印机构从所述储存室的型腔内向外伸出并对所述待修复构件进行在线打印。

本发明的一些实施例中，激光冲击强化组件采用高功率密度、短脉冲激光束辐照构件材料表面，使吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化并形成高温高压等离子体，等离子体受到约束层的限制形成高压冲击波，冲击金属构件表面，在冲击区域产生有益的残余压应力，消除3D打印过程中产生的有害拉应力。采用激光清洗组件改善成型构件表面的清洁状态，激光清洗具有效率高、不损伤基底、便于清洗复杂构件的孔壁以及方便快捷等优点，能够有效清洗3D打印过程中由于飞溅产生的表面熔渣，减少构件表面的后处理，特别是带有孔洞的一体成型构件；同时，还可以清除冲击强化后残留的约束层，不影响下一层构件的打印。此外，采用扫描机构对需要在线成型或修复的构件进行结构扫描，形成三维数据，构建该在线构件的三维型体，通过与构件的原始三维型体图进行比对，获取需在线成型或修复部位的尺寸，形成三维模型构件，自动规划3D打印路径，完成难以拆解构件的在线成型及修复。本发明的一些实施例中，所述储存室的侧面具有使所述型腔密闭的移门，所述移门打开时，所述打印机构、扫描机构等能够向外伸出。存储室设置有移门，在移门关闭时，整个储存室是保持密闭的；通入的气体优选为惰性气体，使储存室的型腔中保持惰性气氛环境，解决目前构件成型过程中的氧化问题。移动机构能够保证整个3D打印装置的移动便捷，能够适用于多种工作场合。

根据本发明的一些优选实施方面，还包括控制机构和气体输送机构，所述型腔包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体与第二腔体之间设置有隔板，所述控制机构和气体输送机构位于所述第一腔体内，所述打印机构、扫描机构和控制机构位于所述第二腔体中；所述气体输送机构用于向所述打印机构输送气体，所述气体输送机构包括气源、驱动器和输送管道，所述驱动器的一端与所述气源连接，所述驱动器的另一端与所述输送管道的一端连接，所述输送管道贯穿所述隔板的厚度方向，所述输送管道的另一端位于所述第二腔体内。在本发明的一些实施例中，在隔板上开设有一个通口，并在通口处安装了透明玻璃，便于操作人员在第一腔体内观察到第二腔体中的加工情况。

根据本发明的一些优选实施方面，所述打印机构还包括旋转圆筒，所述激光清洗组件、激光冲击强化组件和3D打印激光增材组件均与所述旋转圆筒固定连接；所述第二移动件与所述旋转圆筒的顶部连接，所述储存室顶部的内壁上设置有第一固定座和第二固定座，所述第一固定座位于所述旋转圆筒的上方，所述第二移动件远离所述旋转圆筒的一端与所述第一固定座连接。旋转圆筒的设置便于激光清洗组件、激光冲击强化组件和3D打印激光增材组件的调用，当需要使用哪个部件进行操作时，可以通过转动旋转圆筒，选择需要使用的组件即可。第二移动件用于将打印机构从第一腔体中向外伸出，使其能够对准现场的在线待成型或待修复的构件，从而直接在线打印。此外，还能够在不移动工件的情况下，实现对同一加工点的制造。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第二固定座与第一固定座位于同一水平方向上，所述第一移动件的一端与所述扫描部连接，所述第一移动件的另一端与所述第二固定座连接。第一移动件的设置便于移动扫描部，使其可以从第二腔体中向外伸出，用于对现场的在线待成型或待修复的构件进行扫描。

根据本发明的一些优选实施方面，还包括位于所述打印机构下方的转台以及设置在所述转台上的至少一个粉末成型缸，所述转台的下方还设置有电机，所述电机与所述储存室底部的内壁固定连接，所述转台与电机之间设置有转轴；所述电机用于驱动所述转轴转动以带动所述转台旋转。

根据本发明的一些优选实施方面，设定所述激光清洗组件的底部、激光冲击强化组件的底部和3D打印激光增材组件的底部共同形成一个虚拟圆形，所述粉末成型缸的底面积大于所述虚拟圆形的面积；当所述转台带动一个所述粉末成型缸旋转至所述打印机构的正下方时，所述虚拟圆形与所述粉末成型缸位于同一竖直方向上。保证打印的构件能够落入到粉末成形缸中。

根据本发明的一些优选实施方面，还包括位于所述第二腔体中的涂敷机构，所述涂敷机构包括约束层材料储存器、第三移动件及涂敷枪，所述约束层材料储存器与所述储存室侧面的内壁固定连接，所述第三移动件的一端与所述约束层材料储存器连接，所述第三移动件的另一端与所述涂敷枪的一端连接，所述涂敷枪的枪头部对准所述粉末成型缸。涂敷枪用于将约束层材料储存器中的约束层材料涂敷到构件表面，以增强激光冲击效果；并且残留的约束层材料可通过激光清洗清除，也不会影响下一层构件的打印。

根据本发明的一些优选实施方面，所述约束层材料储存器用于储存约束层材料，所述约束层材料为凝胶。不同于传统的水层、空气约束层和光学玻璃作为约束层，本发明的一些实施例中采用适型性好的凝胶材料作为约束层，可直接在待加工件表面涂敷，使其完全贴合于构件表面并易于清理，有效增强冲击强化效果。

根据本发明的一些优选实施方面，所述控制机构包括控制柜、电源箱，所述控制柜与所述驱动器、打印机构、扫描机构及涂敷机构电性连接。本发明的一些实施例中，控制机构还包括工作台、电线、电源插头、控制面板。具体地：控制柜用于整个装置中各个机构的动作的控制；电线用于将控制柜与各个机构电性连接，以传输动作指令；工作台用于操放置控制柜及控制面板；电源插头用于连接外部电源用于供电；电源箱用于将外部接入的电源分配给各个机构。本发明的一些实施例中，通过操作控制面板设置和调节打印机构的参数，具体地，激光清洗采用脉冲激光器，激光束参数为：波长为1064nm，功率为0～500W，脉宽为100fs～20ps，频率为1kHz～2MHz，扫描速度为1～15mm/s。激光冲击强化也采用脉冲激光器，激光束参数为：波长为1064nm，脉冲频率为1～20Hz，脉冲宽度为1～10ns，光斑直径为0.2～5mm，单脉冲能量为1～50J。3D打印激光器采用连续激光器，激光束参数为：波长为1064nm，功率为0～2000W，光斑直径为20～150μm，扫描速度为10～1500mm/s。

根据本发明的一些优选实施方面，所述移动机构包括支撑座、驱动轴、载物底座、履带、主转轮和辅助转轮。所述支撑座的两侧分别设置一个所述驱动轴，所述载物底座与所述支撑座的顶部固定连接；所述履带设置有两个，两个所述履带分别位于所述支撑座的两侧，每个所述履带套设在两个对应的所述主转轮的外周上，两个所述主转轮分别位于对应的所述履带的两端，位于同一所述履带上的两个所述主转轮之间设置有连接轴，所述连接轴上均匀间隔地设置有多个所述辅助转轮；所述驱动轴远离所述支撑座的一端与所述连接轴固定连接。履带式的移动机构的设置既能保证整体装置的移动，又能保证移动过程中装置的稳定性，并且能够顺利通过台阶或斜坡等障碍物。

本发明的另一个目的是如上提供一种所述的3D打印装置在现场构件的在线打印的应用。

本发明的再一个目的是提供一种利用如上所述的3D打印装置进行3D打印的方法，其包括如下步骤：

利用扫描部对待修复的现场构件进行扫描后与原始构件的三维型体图进行对比以获取需在线修复的部位，利用打印机构对在线修复的部位进行逐层打印直至完成修复；每层打印的步骤依次包括：激光清洗、3D打印、激光清洗、涂敷约束层材料、激光冲击强化、激光清洗约束层材料。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的一种3D打印装置有益之处在于：

(1)在3D打印增材制造的过程中，同步利用激光清洗装置，完成制造过程中污染物的清除，包括飞溅的熔渣、粘附的粉末等，解决复杂构件或者多孔内腔后期表面难以清理的问题；

(2)在3D打印增材制造的过程中，同步利用激光冲击强化装置，逐层改善构件片层的组织及应力状态，实现对3D打印构件内部组织和残余应力的调控，将有害的残余拉应力转变为有益的压应力，解决构件内部裂纹萌生及开裂问题，提高构件的综合性能；

(3)利用三维的激光扫描技术获得构件三维型体与原始构件的型体图进行对比，自动获取需在线成型或修复的部位，能够直接对现场构件进行在线3D打印；

(4)装置整体可移动，能够便捷地移动至各个工作现场，从而满足现场构件的成型及修复需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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为本发明优选实施例中3D打印装置的结构示意图；

其中，附图标记为：打印机构-1，激光清洗组件-11，激光冲击强化组件-12，3D打印激光增材组件-13，旋转圆筒-14，扫描机构-2，第一移动件-21，扫描部-22，控制机构-3，控制柜-31，电源箱-32，工作台-33，电源插头-34，控制面板-35，气体输送机构-4，气源-41，驱动器-42，输送管道-43，移动机构-5，载物底座-51，履带-52，主转轮-53，辅助转轮-54，连接轴-55，储存室-6，第一腔体-61，第二腔体-62，隔板-63，第二移动件-64，第一固定座-65，第二固定座-66，涂敷机构-7，约束层材料储存器-71，第三移动件-72，涂敷枪-73，转台-81，粉末成型缸-82，电机-83，转轴-84。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都应当属于本发明保护的范围。

参照图1，本实施例提供一种3D打印装置，能够对现场的构件进行在线或离线增材成型。该3D打印装置包括打印机构1、扫描机构2、控制机构3、气体输送机构4、移动机构5、涂敷机构7和储存室6。其中，储存室6具有型腔，该型腔包括第一腔体61和第二腔体62，且第一腔体61和第二腔体62之间设置有隔板63以将第一腔体61与第二腔体62分隔开，打印机构1、扫描机构2和涂敷机构7均位于第二腔体62中，控制机构3和气体输送机构4均位于第一腔体61内；此外，还在隔板63上开设有一个通口，并在通口处安装了透明玻璃，便于操作人员在第一腔体61内观察到第二腔体62中的加工情况。

进一步地，储存室6的侧面设置有移门，使得储存室6具有打开状态和密闭状态，同时，移门的设置也便于型腔内的各个机构向外伸出；储存室6内的型腔的第二腔体62的顶部设置有第一固定座65和第二固定座66，第二固定座66与第一固定座65位于同一水平方向上。打印机构1包括旋转圆筒14以及与旋转圆筒14连接的激光清洗组件11、激光冲击强化组件12、3D打印激光增材组件13，旋转圆筒14的顶部设置有第二移动件64，第一固定座65位于旋转圆筒14的上方，第二移动件64的一端与第一固定座65连接，第二移动件64的另一端与旋转圆筒14连接。旋转圆筒14的设置便于激光清洗组件11、激光冲击强化组件12和3D打印激光增材组件13的调用，当需要使用哪个部件进行操作时，可以通过转动旋转圆筒14，选择需要使用的组件即可。第二移动件64能够将打印机构1从第一腔体61中向外伸出，使其能够对准现场的在线待成型或待修复的构件，从而直接在线打印。此外，还能够在不移动工件的情况下，实现对同一加工点的制造。本发明的一些实施例中，第二移动件64优选为机械手。此外，打印机构1下方设置有转台81，本实施例中，转台81上设置有两个粉末成型缸82，转台81的下方还设置有电机83，电机83与储存室6底部的内壁固定连接，在转台81与电机83之间还设置有转轴84，通过电机83带动驱动转轴84转动从而带动转台81旋转，使得转台81上的粉末成形缸也能随之转动。

具体地，设定激光清洗组件11的底部、激光冲击强化组件12的底部和3D打印激光增材组件13的底部共同形成一个虚拟圆形，设置粉末成型缸82的底面积大于虚拟圆形的面积；并且当转台81带动其中一个粉末成型缸82旋转至打印机构1的正下方时，虚拟圆形与粉末成型缸82位于同一竖直方向上，这样能够保证打印的构件正好落入到粉末成形缸中。

进一步地，扫描机构2包括第一移动件21和扫描部22，第二固定座66位于第一移动件21的上方，第一移动件21的一端与第二固定座66连接，第一移动件21的另一端与扫描部22连接，通过第一移动件21带动扫描部22的移动，使扫描部22能够从储存室6型腔的第二腔体62内向外伸出至待修复的构件处并对待修复构件进行扫描。本实施例中，第一移动件21也优选为机械手。

进一步地，涂敷机构7包括约束层材料储存器71、第三移动件72及涂敷枪73。约束层材料储存器71用于储存约束层材料，其与储存室6型腔的第二腔体62侧面的内壁固定连接，第三移动件72的一端与约束层材料储存器71连接，第三移动件72的另一端与涂敷枪73的一端连接，涂敷枪73的枪头部对准转台81上的其中一个粉末成型缸82。本发明中，约束层材料为凝胶，通过涂敷枪73将约束层材料储存器71中的凝胶涂敷到构件表面，以增强激光冲击效果；并且残留的约束层材料可通过激光清洗清除，也不会影响下一层构件的打印。不同于传统的水层、空气约束层和光学玻璃作为约束层，凝胶材料的适型性好，可直接在待加工件表面涂敷，使其完全贴合于构件表面并易于清理，有效增强冲击强化效果。本实施例的第三移动件72也优选为机械手。

进一步地，气体输送机构4包括气源41、驱动器42和输送管道43，驱动器42的一端与气源41连接，驱动器42的另一端与输送管道43的一端连接，输送管道43贯穿隔板63的厚度方向后使得输送管道43的一端位于第二腔体62内。本实施例中的气源41优选为惰性气体，使储存室6的型腔中保持惰性气氛环境，解决构件成型过程中的氧化问题。

进一步地，控制机构3包括控制柜31、电源箱32、工作台33、电线、电源插头34和控制面板35。控制柜31与驱动器42、打印机构1、扫描机构2及涂敷机构7电性连接，用于整个装置中各个机构的动作的控制。电线用于将控制柜31与各个机构电性连接，以传输动作指令；工作台33用于操放置控制柜31及控制面板35；电源插头34用于连接外部电源用于供电；电源箱32用于将外部接入的电源分配给各个机构。其中，通过操作控制面板35设置和调节打印机构1的参数以完成离线或在线的构件的3D打印工作。具体地，打印机构1中的各个组件的设置包括：激光清洗采用脉冲激光器，激光束参数为：波长为1064nm，功率为0～500W，脉宽为100fs～20ps，频率为1kHz～2MHz，扫描速度为1～15mm/s。激光冲击强化也采用脉冲激光器，激光束参数为：波长为1064nm，脉冲频率为1～20Hz，脉冲宽度为1～10ns，光斑直径为0.2～5mm，单脉冲能量为1～50J。3D打印激光器采用连续激光器，激光束参数为：波长为1064nm，功率为0～2000W，光斑直径为20～150μm，扫描速度为10～1500mm/s。

进一步地，移动机构5包括支撑座、驱动轴、载物底座51、履带52、主转轮53和辅助转轮54。在支撑座的两侧分别设置一个驱动轴，支撑座的底部远离地面，载物底座51与支撑座的顶部固定连接，储存室6的底部与该载物底座51的顶部固定连接。履带52设置有两个，两个履带52分别位于支撑座的两侧，每个履带52套设在两个对应的主转轮53的外周上，两个主转轮53分别位于对应的履带52的两端，位于同一履带52上的两个主转轮53之间设置有连接轴55，连接轴55上均匀间隔地设置有多个辅助转轮54，主转轮53及复制转轮用于驱动履带52的移动；驱动轴远离支撑座的一端与连接轴55固定连接。履带52式的移动机构5的设置既能保证整体装置的移动，又能保证移动过程中装置的稳定性，并且能够顺利通过台阶或斜坡等障碍物。

本实施例的3D打印装置对现场构件进行在线的3D打印的方法如下所述：

(1)根据现场需求，某轴件因磨损撞击导致某一部位缺失，并且轴件难以拆解，需要在现场对轴件进行在线修复，通过移动机构5运送整个装置至作业现场。

(2)将电源插头34插接到现场的适形电源，为整个装置提供电源。

(3)通过控制柜31控制驱动器42带动惰性气体的输送，使第二腔体62中充满惰性气体。

(4)操作控制柜31控制第一移动件21将扫描部22由第二腔体62内向外伸出，将扫描部22对准该磨损的轴件并进行扫描，获得该轴件三维型体并与原始构件的三维型体图进行对比，以获取需在线修复的部位，从而生成修复部位的三维型体模型，对其进行切片分层处理，根据三维模型切片分层数据规划3D打印路径，按照规划的3D打印熔化路线，进行构件成型，其中的扫描部22的扫描速率为200万次/s，精度为0.001mm。

(5)设置打印机构1的参数，其中，激光清洗采用脉冲激光器，设置激光波长为1064nm，功率为150W，脉宽为150fs，频率为2kHz，扫描速度为15mm/s；3D打印激光器采用连续激光器，设置激光波长为1064nm，功率为1500W，光斑直径为80μm，扫描速度为15mm/s；激光冲击强化采用脉冲激光器，设置激光波长为1064nm，脉冲频率为8Hz，脉冲宽度为2ns，光斑直径为1.5mm，单脉冲能量为15J。

(6)操作控制柜31控制第二移动件64将打印机构1由第二腔体62内向外伸出，控制第三移动件72将涂敷机构7由第二腔体62内向外伸出，并使得打印机构1和涂敷机构7均靠近待修复的磨损的轴件；控制旋转圆筒14旋转带动激光清洗组件11旋转至轴件处，按照设定的工艺参数，先进行待修复部位污染物的清洗。

(7)激光清洗完毕后，控制旋转圆筒14旋转带动3D打印激光增材组件13旋转至轴件处，按照设定的工艺参数，在已清洗的基体上进行首层打印成型。

(8)首层打印完毕后，控制旋转圆筒14旋转再次带动激光清洗组件11旋转至轴件处，按照设定的工艺参数，对成型过程中的飞溅熔渣等污染物进行清除，以提高构件表面的光洁度。

(9)激光清洗完毕后，通过控制柜31控制涂敷机构7，使得涂敷枪73将凝胶约束层涂敷于成型的构件表面；接着控制旋转圆筒14旋转带动激光冲击组件旋转至轴件处，按照设定的工艺参数，完成首层打印层的冲击强化，消除涂层内部残余拉应力，转变为有益的压应力。

(10)再次控制旋转圆筒14旋转以将激光清洗组件11旋转至轴件处，按照设定的工艺参数，对激光冲击强化后参与的约束层进行清除。

(11)依次重复步骤(6)至步骤(10)，完成轴件的一层层堆积制造。

除此之外，本发明的3D打印装置还可对构件进行离线3D打印，包括如下步骤：

(1)对某个纯钨材质的构件进行离线的3D打印，通过移动机构5运送整个装置至作业现场。

(2)将电源插头34插接到现场的适形电源，为整个装置提供电源。

(3)通过控制柜31控制驱动器42带动惰性气体的输送，使第二腔体62中充满惰性气体。

(4)导入构件的三维图纸，完成纯钨构件的三维模型的建立并进行切片分层处理，根据三维模型切片分层数据规划3D打印路径，按照规划的3D打印熔化路线，进行构件成型。

(5)设置打印机构1的参数，其中，激光清洗采用脉冲激光器，设置激光波长为1064nm，功率为200W，脉宽为200fs，频率为1kHz，扫描速度为10mm/s；3D打印激光器采用连续激光器，设置激光波长为1064nm，功率为2000W，光斑直径为100μm，扫描速度为20mm/s；激光冲击强化采用脉冲激光器，设置激光波长为1064nm，脉冲频率为10Hz，脉冲宽度为5ns，光斑直径为2mm，单脉冲能量为25J。

(6)按照设定程序，控制旋转圆筒14旋转带动激光清洗组件11旋转至粉末成形缸的正上方，按照设定的工艺参数，先进行底层基板污染物的清洗。

(7)激光清洗完毕后，控制旋转圆筒14旋转带动3D打印激光增材组件13旋转至粉末成形缸的正上方，按照设定的工艺参数，在已清洗的基板上进行首层打印成型。

(8)首层打印完毕后，控制旋转圆筒14旋转再次带动激光清洗组件11旋转至粉末成形缸的正上方，按照设定的工艺参数，对成型过程中的飞溅熔渣等污染物进行清除，以提高构件表面的光洁度。

(9)激光清洗完毕后，通过控制柜31控制涂敷机构7，使得涂敷枪73将凝胶约束层涂敷于成型的构件表面；接着控制旋转圆筒14旋转带动激光冲击组件旋转至粉末成形缸的正上方，按照设定的工艺参数，完成首层打印层的冲击强化，消除涂层内部残余拉应力，转变为有益的压应力。

(10)再次控制旋转圆筒14旋转以将激光清洗组件11旋转至粉末成形缸的正上方，按照设定的工艺参数，对激光冲击强化后的凝胶约束层进行清除。

(11)依次重复步骤(6)至步骤(10)，完成构件的一层层堆积制造。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括打印机构、扫描机构、移动机构和储存室，所述储存室具有型腔，所述打印机构和扫描机构均位于所述储存室的型腔内，所述储存室的底部与所述移动机构连接，所述移动机构用于带动所述储存室移动；所述扫描机构包括第一移动件和扫描部，所述第一移动件用于将所述扫描部从所述储存室的型腔内向外伸出至待修复构件处，使所述扫描部对所述待修复构件进行扫描；所述打印机构包括激光清洗组件、激光冲击强化组件和3D打印激光增材组件，所述打印机构的顶部设置有第二移动件，所述第二移动件用于将所述打印机构从所述储存室的型腔内向外伸出并对所述待修复构件进行在线打印。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括控制机构和气体输送机构，所述型腔包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体与第二腔体之间设置有隔板，所述控制机构和气体输送机构位于所述第一腔体内，所述打印机构、扫描机构和控制机构位于所述第二腔体中；所述气体输送机构用于向所述打印机构输送气体，所述气体输送机构包括气源、驱动器和输送管道，所述驱动器的一端与所述气源连接，所述驱动器的另一端与所述输送管道的一端连接，所述输送管道贯穿所述隔板的厚度方向，所述输送管道的另一端位于所述第二腔体内。

3.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述打印机构还包括旋转圆筒，所述激光清洗组件、激光冲击强化组件和3D打印激光增材组件均与所述旋转圆筒固定连接；所述第二移动件与所述旋转圆筒的顶部连接，所述储存室顶部的内壁上设置有第一固定座和第二固定座，所述第一固定座位于所述旋转圆筒的上方，所述第二移动件远离所述旋转圆筒的一端与所述第一固定座连接。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述第二固定座与第一固定座位于同一水平方向上，所述第一移动件的一端与所述扫描部连接，所述第一移动件的另一端与所述第二固定座连接。

5.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，还包括位于所述打印机构下方的转台以及设置在所述转台上的至少一个粉末成型缸，所述转台的下方还设置有电机，所述电机与所述储存室底部的内壁固定连接，所述转台与电机之间设置有转轴；所述电机用于驱动所述转轴转动以带动所述转台旋转。

6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，设定所述激光清洗组件的底部、激光冲击强化组件的底部和3D打印激光增材组件的底部共同形成一个虚拟圆形，所述粉末成型缸的底面积大于所述虚拟圆形的面积；当所述转台带动一个所述粉末成型缸旋转至所述打印机构的正下方时，所述虚拟圆形与所述粉末成型缸位于同一竖直方向上。

7.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，还包括位于所述第二腔体中的涂敷机构，所述涂敷机构包括约束层材料储存器、第三移动件及涂敷枪，所述约束层材料储存器与所述储存室侧面的内壁固定连接，所述第三移动件的一端与所述约束层材料储存器连接，所述第三移动件的另一端与所述涂敷枪的一端连接，所述涂敷枪的枪头部对准所述粉末成型缸。

8.根据权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于，所述约束层材料储存器用于储存约束层材料，所述约束层材料为凝胶。

9.根据权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于，所述控制机构包括控制柜、电源箱，所述控制柜与所述驱动器、打印机构、扫描机构及涂敷机构电性连接。

10.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述移动机构包括支撑座、驱动轴、载物底座、履带、主转轮和辅助转轮；所述支撑座的两侧分别设置一个所述驱动轴，所述载物底座与支撑座的顶部固定连接；所述履带设置有两个，两个所述履带分别位于所述支撑座的两侧，每个所述履带套设在两个对应的所述主转轮的外周上，两个所述主转轮分别位于对应的所述履带的两端，位于同一所述履带上的两个所述主转轮之间设置有连接轴，所述连接轴上均匀间隔地设置有多个所述辅助转轮；所述驱动轴远离所述支撑座的一端与所述连接轴固定连接。

11.一种如权利要求1-10任意一项所述的3D打印装置在现场构件的在线打印的应用。

12.一种3D打印方法，其特征在于，利用权利要求1-10任意一项所述的3D打印装置进行3D打印，所述3D打印的方法包括如下步骤：

利用扫描部对待修复的现场构件进行扫描后与原始构件的三维型体图进行对比以获取需在线修复的部位，利用打印机构对在线修复的部位进行逐层打印直至完成修复；每层打印的步骤依次包括：激光清洗、3D打印、激光清洗、涂敷约束层材料、激光冲击强化、激光清洗约束层材料。