CN207431263U

CN207431263U - 等离子增材与激光切削的3d打印设备

Info

Publication number: CN207431263U
Application number: CN201721421545.5U
Authority: CN
Inventors: 戚文军; 刘建业; 牛留辉; 黄文欢; 高文华; 徐卡里; 关子民
Original assignee: Guangdong Hanbang 3d Technology Co Ltd
Current assignee: Guangdong Hanbang 3d Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2027-10-27

Abstract

一种等离子增材与激光切削的3D打印设备，包括：等离子成形装置，所述等离子成形装置产生高能量密度等离子微弧，并与输出的粉末聚焦在成形台上成形出实体零件。激光切削装置，所述激光切削装置发出脉冲或连续激光聚焦于所述成形工作台上的工件上；控制模块分别与所述激光切削装置和等离子成形装置连接。本实用新型提供的等离子增材与激光切削的3D打印设备通过等离子成形装置释放等离子弧，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，同时辅之激光切削装置通过激光对工件的轮廓精密切削，提高3D打印成形件的精度。

Description

等离子增材与激光切削的3D打印设备

技术领域

本实用新型属于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。

实用新型内容

鉴于以上内容，有必要一种等离子增材与激光切削的3D打印设备，旨在改善现有3D打印成形效率较低的问题。

为此，本实用新型提供了一种等离子增材与激光切削的3D打印设备，包括气保护成形室和控制模块，所述气保护成形室内设有成形工作台，所述成形工作台用于承载逐层堆积成形的工件，还包括：

激光切削装置，所述激光切削装置发出脉冲或连续激光聚焦于所述成形工作台上的工件上；

等离子成形装置，包括运动机构、等离子成形枪，以及与所述等离子成形枪连接的等离子发生器和送粉装置，所述运动机构设置于所述成形工作台的上方，所述等离子成形枪连接于所述运动机构；

控制模块，分别与所述激光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，用于控制所述激光切削装置对所述工件的轮廓进行切削。

进一步的，所述等离子成形枪内设有电极和粉末输送腔，所述电极和所述粉末输送腔分别设于所述等离子成形枪的中部和边缘，所述电极与一等离子发生器连接，所述粉末输送腔与一送粉器连接，所述等离子发生器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50μm～500μm。

进一步的，激光切削装置包括激光器和扫描振镜，所述激光器发出的激光经扫描振镜反射偏转后，聚焦和运动在所述工件上。

优选地，所述激光器为连续激光器，所述连续激光器产生的激光的波长为1.06微米，聚集在所述工件上的光斑直径为50μm～70μm，所述连续激光器的功率为40W～500W。

优选地，所述激光器为脉冲激光器，所述脉冲激光器的脉冲宽度为200ps～1ps，聚焦在所述工件的光斑直径为10μm～30μm，脉冲峰值功率大于400MW，平均功率10W～100W。

进一步的，所述3D打印设备还设有：

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，以及，所述成形工件尺寸为250mm*250mm*300mm。

相较于现有技术，本实用新型提供的等离子增材与激光切削的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，同时辅之激光切削装置通过激光对工件的轮廓精密切削，提高3D打印成形件的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的等离子增材与激光切削的3D打印设备的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的等离子增材与激光切削的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

等离子成形枪 20

运动机构 21

保护气源 22

送粉器 23

等离子发生器 24

电极 25

保护气送气腔 26

粉末输送腔 27

冷却水腔 28

气体循环净化装置 30

真空抽气装置 40

激光器 50

扫描振镜 51

成形工作台 60

成形缸 61

工件 62

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细描述。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实用新型，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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，都属于本实用新型保护的范围。

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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。

在本实用新型的各实施例中，为了便于描述而非限制本实用新型，本实用新型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是本实用新型实施例提供的等离子增材与激光切削的3D打印设备的结构示意图。如图1所示，一种等离子增材与激光切削的3D打印设备包括气保护成形室10、控制模块，激光切削装置和等离子成形装置。

气保护成形室10内设有成形工作台60，所述成形工作台60用于承载逐层堆积成形的工件62。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，气保护成形室10的尺寸可以是650mm*500mm*800mm的立方体，成形尺寸为250mm*250mm*300mm。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，气保护成形室10内还可以设有真空抽气装置40、气体循环净化装置30和氧浓度探测仪。真空抽气装置40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30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30，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内还设有成形缸61，所述成形工作台60设于所述成形缸61内。所述成形工作台60大致水平设置，工件62放置在所述成形工作台60上，所述等离子成形装置和激光切削装置对成形工作台60上的工件62进行加工处理。

等离子成形装置包括运动机构21、等离子成形枪20，以及与所述等离子成形枪20连接的等离子发生器24和送粉器23。其中，所述等离子发生器24、送粉器23设置于气保护成形室10的外部，所述运动机构21设置于所述成形工作台60的上方，所述等离子成形枪20连接于所述运动机构21。运动机构21可以带动等离子成形枪20沿XYZ三个方向移动。本领域技术人员可以采用多种方式实现上述的运动机构21，例如该运动机构21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，主轴的端部与等离子成形枪20连接，实现带动等离子成形枪20沿XYZ三个方向移动的功能。

激光切削装置用于产生高功率的脉冲激光或者连续激光以对工件62进行切削。激光切削装置发出的激光聚焦和运动于所述成形工作台60上的工件62上。本实施方式中，激光切削装置包括激光器50和扫描振镜51，所述激光器50发出的激光经扫描振镜51反射偏转后，聚焦和运动在所述工件62上对工件62进行切削。在本实施方式中，所述激光器50为连续激光器50，所述连续激光器50的波长为1.06微米，聚集在所述工件62上的光斑直径可以为50μm～70μm内任意适宜的波长。此外，连续激光器的功率为40W～500W内其他任意适宜的功率。在另外一些实施方式中，所述激光器50为脉冲激光器。所述脉冲激光器的脉冲宽度为200ps～1ps，聚集在所述工件62的光斑直径为10μm～30μm，脉冲峰值功率大于400MW。所述扫描振镜51用于将所述激光器50输出的激光反射偏转后，聚焦和运动在所述工件62上，通过所述扫描振镜51的扫描，使得所述激光器50输出的激光以预定路径投射在所述工件62上，从而对工件62的轮廓进行切削。

控制模块分别与所述激光切削装置和等离子成形装置连接，用于控制所述激光切削装置对所述工件62的轮廓进行切削，以及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输出的粉末上在所述成形工作台60上成形出所述工件62。

图2是本实用新型实施例提供的等离子增材与激光切削的3D打印设备的等离子成形枪20的结构示意图。如图2所示，所述等离子成形枪20内设有电极25和粉末输送腔27。

其中，所述电极25和所述粉末输送腔27分别设于所述等离子成形枪20的中部和边缘。所述电极25与一等离子发生器24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27与一送粉器23连接。送粉器23通过送粉管连接等离子成形枪20内的粉末输送腔27。在成形过程中，送粉器23将存储的粉料送入粉末输送腔27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60上成形出工件62。此外，本实施方式中，所述等离子成形枪20内还设有保护气送气腔26和冷却水腔28，所述保护气送气腔26和所述冷却水腔28设于所述等离子成形枪20的内部。保护气送气腔26与一保护气源22连通，可在成形过程维持电弧。冷却水腔28与一冷却水源或者冷却水循环机构连通，可在成形过程中通过冷却水腔28对等离子成形枪20进行冷却。

利用本实施方式提供的等离子增材与激光切削的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62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40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20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60上成形工件62，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20完成一层或者多层3D打印后，通过激光切削装置对3D打印后的轮廓进行精密切削，提高了3D打印件的加工精度。

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30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激光切削的3D打印设备通过等离子成形装置释放等离子弧，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，同时辅之激光切削装置通过激光对工件62的轮廓精密切削，提高3D打印成形件的精度。

在本实用新型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，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型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实用新型。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，本实用新型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实用新型内。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实用新型的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种等离子增材与激光切削的3D打印设备，包括气保护成形室和控制模块，所述气保护成形室内设有成形工作台，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：

2.如权利要求1所述的等离子增材与激光切削的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，所述电极和所述粉末输送腔分别设于所述等离子成形枪的中部和边缘，所述电极与一等离子发生器连接，所述粉末输送腔与一送粉器连接，所述等离子发生器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激光切削的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1所述的等离子增材与激光切削的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50μm～500μm。

5.如权利要求1所述的等离子增材与激光切削的3D打印设备，其特征在于，激光切削装置包括激光器和扫描振镜，所述激光器发出的激光经扫描振镜反射偏转后，聚焦和运动在所述工件上。

6.如权利要求5所述的等离子增材与激光切削的3D打印设备，其特征在于，所述激光器为连续激光器，所述连续激光器产生的激光的波长为1.06微米，聚集在所述工件上的光斑直径为50μm～70μm，所述连续激光器的功率为40W～500W。

7.如权利要求5所述的等离子增材与激光切削的3D打印设备，其特征在于，所述激光器为脉冲激光器，所述脉冲激光器的脉冲宽度为200ps～1ps，光斑直径为10μm～30μm，脉冲峰值功率大于400MW，平均功率10W～100W。

8.如权利要求1所述的等离子增材与激光切削的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备还设有：

真空抽气装置，用于抽取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。

9.如权利要求1所述的等离子增材与激光切削的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。

10.如权利要求1所述的等离子增材与激光切削的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，以及，所述成形工件尺寸为250mm*250mm*300mm。