一种层流等离子3D打印的控制系统的制作方法

本实用新型涉及3D打印领域，具体来说涉及一种层流等离子3D打印的控制系统。

背景技术：

增材制造（即3D打印）技术依照材料累加的快速成型原理，以计算机软件所设计出的立体加工模型文件为基础，运用液化、粉末化、丝化的可粘性固体材料（如金属、高分子材料等），逐层制造出产品，该技术具有不受零件复杂程度限制，完全数字化控制等特点，彻底颠覆了传统制造业锻造、切削加工的模式，变革了大规模生产线的工业生产方式，带来个性化、低消耗、小批量、高难度等制造新理念和新方式，具有诱发新一次工业革命的巨大意义，3D打印设备中的先进热源发生装置，是3D打印皇冠上最耀眼的一颗明珠，它直接关系到增材制造（3D打印）过程中产品的成形质量以及成形效率，具有极高的技术含量，属于位于产业链高端的高附加值产品，目前，多数金属3D打印设备采用激光束、电子束作为热源，两者均具有精度高的优点，但是价格昂贵、制造效率低，不适合大规模产业化推广，当前主要应用于航空航天、国防装备等较为狭窄的领域，为解决以上问题，现有技术中也提出了一些技术方案，如公开号为CN104815985A，公开时间为2015年8月5日，名称为“一种微束等离子3D打印设备与方法”的中国发明专利，该设备包括等离子加工装置、中央控制系统、成型室、工作平台、数控主轴、驱动装置、送粉装置。等离子体发生器、等离子弧压调高器、等离子枪体、工作气路、冷却水路构成等离子体加工集成单元。采用微束等离子体作为金属3D打印的熔化金属材料的热源，在保证与激光3D打印技术相近的成型精度的同时，可获得一种高效、低成本的工业级金属零件3D打印设备，但是使用微束等离子还是不够稳定，且作为热源的效果还有待提高，并且通过轴动的方式其运动轨迹会受到一定的限制，打印中会有很多的“盲区”无法达到，此外，3D打印中的热源没有降温设计，长期使用也可能造成故障隐患。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于提供一种能够提供稳定热源、打印部件能够自由灵活运动、打印材料能够预加工以提高成品质量，同时还带有可配合打印件进行调整的打印台的层流等离子3D打印的控制系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种层流等离子3D打印的控制系统，其特征在于：包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手、供料装置、循环水泵和空气压缩机；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

所述供料装置包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料装置启动，粉末材料通过供料通道进入球形化器进行球形化预处理后再由供料通道送往所述层流等离子发生器进行加热。

所述旋转驱动器和三维机械手均设置有限位器，所述限位器将位置信息传回给所述中央处理单元。

所述层流等离子发生器前端还设置有温度检测器，所述温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元。

所述空气压缩机为所述固定块和供料装置提供压缩空气。

所述控制器1、控制器2和控制器3是PLC处理器，且按照主站和从站式的布局，所述控制器1、控制器2和控制器3是PLC从站处理器，主站处理器设置在所述中央处理单元中。

所述一种基于层流等离子技术的3D打印设备，包括打印室和中央控制器，还包括带有粉末球形化器的供料装置、空气压缩机和循环水泵；所述打印室中设置有带有打印头的三维机械手；所述打印头中设置有层流等离子加工装置；所述层流等离子加工装置与所述供料装通过送料管道柔性连接；所述空气压缩机和水泵分别通过气动回路和冷却回路与所述层流等离子加工装置相连；所述打印室还包括一个3D打印加工台，所述3D打印加工台上设置有带有固定块的旋转台。

所述层流等离子加工装置包括控制单元、层流离子体发生器、弧压调节器、水冷装置和枪体；所述层流离子体发生器和弧压调节高器设置在所述枪体内；所述水冷装置设置在所述枪体的壁上并与所述冷却回路连通；所述控制单元控制层流离子体发生器产生层流等离子束，通过弧压调节器调节层流等离子束并从枪体喷出加热从所述供料装置供给的打印材料。

所述气动回路和冷却回路沿所述打印室的侧壁设置并穿过打印室与汽源和水源连接。

所述层流离子体发生器，采用中轴圆柱阳极结构，而沿着阳极柱周围环形均匀布置3个或3个以上的阴极，阳极和阴极均安装在同一个底座上固定，相互绝缘，底座有水、电、气通道，圆柱 阳极的外表面相对绝缘，只有在靠近出口的头部裸露导电，从而与阴极间形成电场，整个发生器是一个密封水冷的筒状外形，一端有等离子体出口喷嘴，喷嘴对电弧等离子体进行机械压缩。采用层流离子体发生器作为热源，电源效率高且工作稳定，弧压波动不大于0.5，电流波动，连续工作寿命可达200小时以上，大气下弧长大于1000mm、真空中弧长大于3000mm、电弧末端弧径大于400mm，同时其工作噪声低，为30～50分贝；工作时层流等离子束流注入材料表面的最大等效温度为61700℃，可融化金属颗粒直径不小于4mm，具有极强的适用性，使用层流等离子作为打印热源，克服了传统湍流等离子体束精度差、空气卷入多、温度梯度差的缺点，长弧、高温、高效、数字可控，适于高精密、智能成形制造；其次，等离子束本身所具有的电离特性，使得能量可以深入到金属内部，同时不产生表面反射，热效率很高，远远优于激光；再次，不产生强辐射，环境性能远优于电子束。

所述三维机械手包括曲臂、万向连接轴、驱动机构、检测机构和控制机构；三维机械手是现代化工业中常用的自动化设备，技术成熟灵活度高，且具有相当好的加工精度。

本实用新型的有益效果如下：

一、本实用新型提供的一种层流等离子3D打印的控制系统，操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手、供料装置、循环水泵和空气压缩机，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置输送来的粉末材料加热并在三维机械手的带动下进行打印，打印中循环水泵向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台以配合打印过程。

二、本实用新型提供的一种层流等离子3D打印的控制系统，供料装置的粉末球形化器可以对打印耗材粉末进行预加工，使得粉末颗粒表面趋近于球形，这样在打印的过程中效果更佳。

三、本实用新型提供的一种基于层流等离子技术的3D打印设备，限位器将活动部件的位置信息传回给所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印状况并根据现场情况及时反馈和调整。

四、本实用新型提供的一种层流等离子3D打印的控制系统，温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印时的温度状况并根据现场情况及时反馈和调整。

五、本实用新型提供的一种层流等离子3D打印的控制系统，空气压缩机为固定块提供压缩空气，在旋转台做旋转时，固定块可以夹持打印件以避免位移。

六、本实用新型提供的一种层流等离子3D打印的控制系统，PLC处理器的主站和从站式布局为现代自动化工业中较为成熟的控制方式，实现功能多、精度高、可控性好。

附图说明

图1是本实用新型一种优选方案的结构示意图；

图2是本实用新型对应设备一种优选方案的示意图；

图中：

1、打印室；2、中央控制器；3、供料装置；4、空气压缩机；5、循环水泵；6、三维机械手；7、打印头；8、送料管道；9、3D打印加工台；10、旋转台；11、固定块。

具体实施方式

以下通过几个实施例来进一步说明本实用新型的技术方案，需要说明的是，实现本实用新型目的的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

如图1和图2，一种层流等离子3D打印的控制系统，包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手6、供料装置、循环水泵5和空气压缩机4；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

这是本实用新型的一种最基本的实施方案。操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手6、供料装置3、循环水泵5和空气压缩机4，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置3输送来的粉末材料加热并在三维机械手6的带动下进行打印，打印中循环水泵5向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台10以配合打印过程。

实施例2

如图1和图2，一种层流等离子3D打印的控制系统，包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手6、供料装置、循环水泵5和空气压缩机4；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

所述供料装置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料装置启动，粉末材料通过供料通道进入球形化器进行球形化预处理后再由供料通道送往所述层流等离子发生器进行加热。

这是本实用新型的一种优选的的实施方案。操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手6、供料装置3、循环水泵5和空气压缩机4，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置3输送来的粉末材料加热并在三维机械手6的带动下进行打印，打印中循环水泵5向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台10以配合打印过程；供料装置3的粉末球形化器可以对打印耗材粉末进行预加工，使得粉末颗粒表面趋近于球形，这样在打印的过程中效果更佳。

实施例3

如图1和图2，一种层流等离子3D打印的控制系统，包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手6、供料装置、循环水泵5和空气压缩机4；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

所述供料装置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料装置启动，粉末材料通过供料通道进入球形化器进行球形化预处理后再由供料通道送往所述层流等离子发生器进行加热。

所述旋转驱动器和三维机械手6均设置有限位器，所述限位器将位置信息传回给所述中央处理单元。

这是本实用新型的一种优选的的实施方案。操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手6、供料装置3、循环水泵5和空气压缩机4，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置3输送来的粉末材料加热并在三维机械手6的带动下进行打印，打印中循环水泵5向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台10以配合打印过程；供料装置3的粉末球形化器可以对打印耗材粉末进行预加工，使得粉末颗粒表面趋近于球形，这样在打印的过程中效果更佳；限位器将活动部件的位置信息传回给所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印状况并根据现场情况及时反馈和调整。

实施例4

如图1和图2，一种层流等离子3D打印的控制系统，包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手6、供料装置、循环水泵5和空气压缩机4；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

所述供料装置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料装置启动，粉末材料通过供料通道进入球形化器进行球形化预处理后再由供料通道送往所述层流等离子发生器进行加热。

所述旋转驱动器和三维机械手6均设置有限位器，所述限位器将位置信息传回给所述中央处理单元。

所述层流等离子发生器前端还设置有温度检测器，所述温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元。

这是本实用新型的一种优选的的实施方案。操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手6、供料装置3、循环水泵5和空气压缩机4，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置3输送来的粉末材料加热并在三维机械手6的带动下进行打印，打印中循环水泵5向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台10以配合打印过程；供料装置3的粉末球形化器可以对打印耗材粉末进行预加工，使得粉末颗粒表面趋近于球形，这样在打印的过程中效果更佳；限位器将活动部件的位置信息传回给所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印状况并根据现场情况及时反馈和调整；温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印时的温度状况并根据现场情况及时反馈和调整。

实施例5

如图1和图2，一种层流等离子3D打印的控制系统，包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手6、供料装置、循环水泵5和空气压缩机4；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

所述供料装置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料装置启动，粉末材料通过供料通道进入球形化器进行球形化预处理后再由供料通道送往所述层流等离子发生器进行加热。

所述旋转驱动器和三维机械手6均设置有限位器，所述限位器将位置信息传回给所述中央处理单元。

所述层流等离子发生器前端还设置有温度检测器，所述温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元。

所述空气压缩机4为所述固定块和供料装置提供压缩空气。

这是本实用新型的一种优选的的实施方案。操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手6、供料装置3、循环水泵5和空气压缩机4，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置3输送来的粉末材料加热并在三维机械手6的带动下进行打印，打印中循环水泵5向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台10以配合打印过程；供料装置3的粉末球形化器可以对打印耗材粉末进行预加工，使得粉末颗粒表面趋近于球形，这样在打印的过程中效果更佳；限位器将活动部件的位置信息传回给所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印状况并根据现场情况及时反馈和调整；温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印时的温度状况并根据现场情况及时反馈和调整；空气压缩机4为固定块提供压缩空气，在旋转台10做旋转时，固定块11可以夹持打印件以避免位移。

实施例6

如图1和图2，一种层流等离子3D打印的控制系统，包括连接人机交互界面的中央处理单元；所述中央处理单元还连接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1连接控制旋转驱动器和固定块；所述控制器2连接控制三维机械手6、供料装置、循环水泵5和空气压缩机4；所述控制器3连接控制层流等离子发生器和弧压调节器。

所述供料装置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料装置启动，粉末材料通过供料通道进入球形化器进行球形化预处理后再由供料通道送往所述层流等离子发生器进行加热。

所述旋转驱动器和三维机械手6均设置有限位器，所述限位器将位置信息传回给所述中央处理单元。

所述层流等离子发生器前端还设置有温度检测器，所述温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元。

所述空气压缩机4为所述固定块和供料装置提供压缩空气。

这是本实用新型的一种优选的的实施方案。操作人员可以通过人机交互界面将打印指令录入系统，中央处理单元根据指令向控制器1、控制器2和控制器3发出作业指令，控制器2启动三维机械手6、供料装置3、循环水泵5和空气压缩机4，控制器3启动层流等离子发生器并通过控制弧压调节器调节等离子束的强度，等离子束将由供料装置3输送来的粉末材料加热并在三维机械手6的带动下进行打印，打印中循环水泵5向设备的各个冷却回路中泵水降温，同时根据打印需求，控制器1控启动旋转驱动器带动打印加工台上的旋转台10以配合打印过程；供料装置3的粉末球形化器可以对打印耗材粉末进行预加工，使得粉末颗粒表面趋近于球形，这样在打印的过程中效果更佳；限位器将活动部件的位置信息传回给所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印状况并根据现场情况及时反馈和调整；温度检测器将层流等离子发生器产生的等离子束温度检测结果传回所述中央处理单元，有助于系统及时掌握打印时的温度状况并根据现场情况及时反馈和调整；空气压缩机4为固定块提供压缩空气，在旋转台10做旋转时，固定块11可以夹持打印件以避免位移；PLC处理器的主站和从站式布局为现代自动化工业中较为成熟的控制方式，实现功能多、精度高、可控性好；PLC处理器的主站和从站式布局为现代自动化工业中较为成熟的控制方式，实现功能多、精度高、可控性好。

实施例7

如图2，一种基于层流等离子技术的3D打印设备，包括打印室1和中央控制器2，还包括带有粉末球形化器的供料装置3、空气压缩机4和水泵5；所述打印室1中设置有带有打印头7的三维机械手6；所述打印头7中设置有层流等离子加工装置；所述层流等离子加工装置与所述供料装通过送料管道8柔性连接；所述空气压缩机4和水泵5分别通过气动回路和冷却回路与所述层流等离子加工装置相连；所述打印室1还包括一个3D打印加工台9，所述3D打印加工台上设置有带有固定块11的旋转台10。

所述层流等离子加工装置包括控制单元、层流离子体发生器、弧压调节器、水冷装置和枪体；所述层流离子体发生器和弧压调节高器设置在所述枪体内；所述水冷装置设置在所述枪体的壁上并与所述冷却回路连通；所述控制单元控制层流离子体发生器产生层流等离子束，通过弧压调节器调节层流等离子束并从枪体喷出加热从所述供料装置供给的打印材料。

所述气动回路和冷却回路沿所述打印室1的侧壁设置并穿过打印室1与汽源和水源连接。

所述层流离子体发生器，采用中轴圆柱阳极结构，而沿着阳极柱周围环形均匀布置3个或3个以上的阴极，阳极和阴极均安装在同一个底座上固定，相互绝缘，底座有水、电、气通道，圆柱 阳极的外表面相对绝缘，只有在靠近出口的头部裸露导电，从而与阴极间形成电场，整个发生器是一个密封水冷的筒状外形，一端有等离子体出口喷嘴，喷嘴对电弧等离子体进行机械压缩。

这是本实用新型的一种优选的实施方案。三维机械手6是现代化工业中常用的自动化设备，技术成熟灵活度高，且具有相当好的加工精度，用三维机械手6来带动打印头7可以实现多方位多角度的打印需求，采用层流离子体发生器作为热源，电源效率高且工作稳定，弧压波动不大于0.5，电流波动，连续工作寿命可达200小时以上，大气下弧长大于1000mm、真空中弧长大于3000mm、电弧末端弧径大于400mm，同时其工作噪声低，为30～50分贝；工作时层流等离子束流注入材料表面的最大等效温度为61700℃，可融化金属颗粒直径不小于4mm，具有极强的适用性，使用层流等离子作为打印热源，克服了传统湍流等离子体束精度差、空气卷入多、温度梯度差的缺点，长弧、高温、高效、数字可控，适于高精密、智能成形制造；其次，等离子束本身所具有的电离特性，使得能量可以深入到金属内部，同时不产生表面反射，热效率很高，远远优于激光；再次，不产生强辐射，环境性能远优于电子束。而成本上，层流电弧等离子体束热源由于附属设备少、结构简单、低能耗，则更为低廉；打印材料供料前先经过供料装置3的粉末球形化器进行预处理，提高材料利用率和打印成品质量；旋转台10可以在打印中及时调整角度配合三维机械手6的动作；层流等离子加工装置通过弧压调节器调节层流等离子的输出以适应不同的打印材料以及打印要求，层流等离子加工装置的枪体上设置的水冷装置可以在打印中及时为枪体降温，避免应高温导致的层流等离子加工装置设备故障；气动回路和冷却回路沿打印室的侧壁设置可以避免影响打印设备动作轨道，设计也比较整洁；层流离子体发生器采用中轴圆柱阳极结构，设计独创，且所采用的轴向阳极可以是空心管状，通过中空的管可以向高温的等离子体束中心送入各种粉体或线状材料，用于喷涂、堆焊等应用；采用阳极杆周围沿着环形均匀布置3个或3个以上的阴极结构，使得单个阴极的电流大大降低，电弧等离子体稳定性高，并可形成高弧压小电流层流长束等离子弧，阴极寿命长，且系统的总功率大，工作效率稳定高效。