一种模具等离子3d打印设备及3d打印方法
【技术领域】
[0001]本发明属于快速成型技术领域，尤其是涉及一种模具等离子3D打印设备及3D打印方法。
【背景技术】
[0002]模具是指工业生产上用以注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压等方法得到所需产品的各种模子和工具。简而言之，模具是用来成型产品的工具。模具是产品成型加工中的重要工具，费用占产品成本的10%?30%。模具的成型面是指用以成型制品(也称产品)的表面，成型面为直接与所成型制品接触的表面。其中，型腔的成型面是指用以成型制品的外表面，而型芯的成型面则是用以成型制品的内表面。模具成型面的加工质量、加工精度及使用性能均要求较高，直接决定所成型制品的加工质量和加工精度，在机械加工中，模具成型面需经机加工、清洗、打磨等多个工序才能加工完成。模具使用过程中，需对成型面进行有效保护，一旦成型面出现破损、开裂、磨损等缺陷，则直接影响模具的成型效果，甚至导致模具报废。
[0003]目前，模具的主要制造方法有铸造、粉末冶金、模块化组和等。如2014年11月5日公开的公开号为CN104131215A的中国发明专利“微合金化铸铁玻璃模具及其制造方法”中，公开了一种微合金化铸铁玻璃模具的铸造制备方法。2014年8月27日公开的公开号为CN104004966A的中国发明专利申请文件中公开了一种冲压模具的铸造制备方法，该铸造方法制备模具，对浇铸材料、浇铸过程和砂型要求较高，后续还要进行热处理和多道次的加工，模具及其性能可设计性差，制造工艺繁琐。20 I 4年3月12日公开的公开号为CN103627940A的中国发明专利“用于热作挤压模具的粉末冶金钼基材料及模具成形方法”中，公开了一种钼基材料粉末冶金制备热作挤压模具的方法。2014年9月24日公开的公开号为CN104057271A的中国发明专利申请文件中公开了一种硬质合金工模具的粉末冶金制备方法，由于每件模具产品都对应一副模具，不同合金粉末的收缩系数是不同的，需要设计与其对应的每副模具，导致模具生产成本高;模具的制作准备时间长，制备效率低;粉末填充时，摩擦力作用下，边角填充不均匀，导致强度不均匀，影响模具产品的使用寿命。2012年10月24日公开的公开号为CN102744328A的中国发明专利“一种高强钢板热冲压模具制造方法”中，公开了一种高强钢板热冲压模具的模块化组和制备方法。2008年8月13日公开的公开号为CN101242923A的发明专利“模铸模具以及制造模铸模具的方法和铸造方法”中公开了一种模铸模具的模块化组和方法，该模块化组和方法制备模具时，要求各模块的加工精度和配合尺寸精度非常高，对各模块的固定强度、精度要求也非常高，导致模具的制备成本很高。另外，采用上述现有的模具制造方法进行模具制造时，均需花费大量的人力物力进行成型面加工，成型面需经机加工、清洗、打磨等多个工序，加工过程复杂，并且存在加工效率低、加工质量不能得到有效保证等缺陷。
[0004]经分析，模具加工时，仅成型面的加工质量和加工精度要求高，如将模具分为模具基体(也称模具本体)和布设在模具基体上的成型面工作层两部分，由于模具基体的加工质量要求较低，而成型面工作层的加工质量和加工精度要求高，因而只需对成型面工作层进行精细化加工即可，这样能大幅简化模具的制造过程，有效降低模具的加工难度，并能保证模具的加工质量和使用效果。
[0005]另外，现如今所制造模具的模具基体和成型面工作层一般都采用同种加工方法进行加工，并且模具基体和成型面工作层一般都采用同种材料加工。但实际上，模具基体和成型面工作层的使用需求存在很大不同，模具基体主要满足强度和刚度需要(即满足支撑需求)，而成型面工作层满足耐磨耐温要求，模具的精密程度和使用寿命仅与成型面工作层有关。因而，将模具基体和成型面工作层采用同种材料，使得模具材料成本较高。
[0006]目前，国内外金属零件快速成型技术主要是选区激光熔化快速成型技术(Selective laser melting，SLM)。选区激光恪化快速成型设备的基本工作原理是:先在计算机上利用Pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型(即三维立体模型)，然后通过切片软件对该三维模型进行分层切片，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，激光束通过振镜扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层；随后，工作缸下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件下一层的制造;如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。现如今，选区激光熔化快速成型技术主要存在以下三方面问题:第一、选区激光熔化快速成型技术需要保护气氛或真空环境，以避免成型过程中金属零件的氧化。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，能量源激光器系统价格高，成型设备价格昂贵;第二、选区激光熔化快速成型技术需要铺粉的成型缸系统。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低;第三、为了保障零件力学性能，选区激光熔化快速成型技术需要流动性好的球形金属粉末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。
[0007]另外，金属零件快速成型技术中还有电子束快速成型技术。但目前，选区电子束快速成型技术主要存在以下三方面问题:第一、电子束快速成型技术需要真空环境，以形成能量源电子束和避免成型过程中金属零件的氧化。这使电子束快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，成型设备价格昂贵;第二、电子束快速成型技术需要铺粉系统或成型材料供给系统。这使电子束快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低；第三、为了保障零件力学性能，电子束快速成型技术需要流动性好的球形金属粉末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模具等离子3D打印设备，其结构简单、设计合理且使用操作简便、成型效率高、使用效果好，无需密闭成型室，成型过程直接在大气环境下进行，所成型模具质量好。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种模具等离子3D打印设备，其特征在于:由监控系统、等离子束流加工系统、供待成型模具放置的水平打印台和对所述待成型模具的模具基体进行临时固定的临时固定件组成;所述待成型模具包括模具基体和布设在模具基体上的成型面工作层;所述临时固定件布设在水平打印台上；
[0010]所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置、用于连续向所述等离子体发生器产生的所述等离子束内送入打印材料的送粉装置和对打印位置进行调整的打印位置调整装置组成，所述等离子体发生器和所述送粉装置均位于水平打印台上方，所述送粉装置位于所述等离子体发生器一侧;所述供气装置通过供气管与所述等离子体发生器上所开的进气口连接;所述送粉装置的送粉口位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中心轴线上;所述打印位置调整装置包括带动所述等离子体发生器与所述送粉装置同步在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等离子体发生器、所述送粉装置与所述水平移动装置同步移动并相应对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节的打印距离调节装置，所述等离子体发生器和所述送粉装置均安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打印距离调节装置上；
[0011]所述监控系统包括对所述水平移动装置进行控制的水平移动控制器、对所述等离子束流加工系统在所述待成型模具上的加工位置处温度进行实时检测的温度检测单元、对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测单元和对所述打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器，所述水平移动控制器与所述水平移动装置连接，所述打印距离调节控制器与所述打印距离调节装置连接，所述温度检测单元和距离检测单元均与打印距离调节控制器连接;所述温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置。
[0012]上述一种模具等离子3D打印设备，其特征是:所述监控系统还包括对所述等离子体发生器进行控制的等离子发生控制器、对供气管的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元和对供气管上安装的流量调节阀进行控制的气体流量控制器，所述等离子发生控制器与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元与气体流量控制器连接。
[0013]上述一种模具等离子3D打印设备，其特征是:所述等离子体发生器包括等离子枪，所述喷头为等离子枪前端的阳极喷嘴;所述等离子枪包括开有所述进气口的枪体、位于枪体正前方的阳极喷嘴和插装于枪体内的阴极，所述阳极喷嘴位于阴极前侧，所述放电室位于阴极前侧且其位于阳极喷嘴的后部内侧，所述阳极喷嘴的前部内侧为喷口；所述阳极喷嘴、阴极和放电室均与枪体呈同轴布设;所述进气口位于枪体后侧，所述喷口与枪体呈同轴布设或与枪体中心轴线之间的夹角为30°?45°。
[0014]上述一种模具等离子3D打印设备，其特征是:所述送粉装置包括送粉器和送粉嘴，所述送粉装置的送粉口为送粉嘴的出粉口 ；所述送粉器包括开有进料口与送粉出口的外壳和安装在所述外壳内的送粉轮，所述送粉轮由驱动电机进行驱动;所述送粉出口与送粉嘴的进粉口连接。
[0015]上述一种模具等离子3D打印设备，其特征是:所述监控系统还包括对所述送粉装置的送粉流量进行实时检测的粉末流量检测单元和对驱动电机进行控制的送粉流量控制器，所述粉末流量检测单元与送粉流量控制器连接。
[0016]上述一种模具等离子3D打印设备，其特征是:所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线与竖直面之间的夹角不大于45°;所述打印距离调节装置为沿所述等离子束的中心轴线对所述喷头进行上下调整的上下调整装置，所述距离检测单元为对沿所述等离子束的中心轴线从所述喷头的出口到水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测装置；
[0017]所述水平打印台为安装在打印台位置调整装置上且能上下移动的移动平台；
[0018]所述监控系统还包括对所述打印台位置调整装置进行控制的位置调整控制器，所述位置调整控制器与所述打印台位置调整装置连接。
[0019]同时，本发明还公开一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的模具等离子3D打印方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:
[0020]步骤一、三维立体模型获取及分层切片处理:采用数据处理设备且调用图像处理模块获取成型面工作层的三维立体模型，再调用分层切片模块对成型面工作层的三维立体模型进行分层切片，并获得多个分层截面图像；
[0021]多个所述分层截面图像为对成型面工作层的三维立体模型进行分层切片后获得多个分层截面的图像，多个所述分层截面由下至上均匀布设；
[0022]步骤二、扫描路径填充:采用数据处理设备且调用所述图像处理模块，对步骤一中多个所述分层截面图像分别进行处理，并完成多个所述分层截面的扫描路径填充过程，获得多个所述分层截面的扫描路径；
[0023]步骤三、打印路径获取:所述数据处理设备根据步骤二中获得的多个所述分层截面的扫描路径，获得多个所述分层截面的打印路径;每个所述分层截面的打印路径均与该分层截面的扫描路径相同；
[0024]步骤四、由下至上逐层打印:先将预先加工成型的所述待成型模具的模具基体放置于水平打印台上，并通过所述临时固定件对模具基体进行临时固定;再根据步骤三中获得的多个所述分层截面的打印路径，在模具基体上由下至上逐层对成型面工作层进行打印，获得由多个成型层由下至上堆叠而成的成型面工作层;所述成型层的数量与步骤一中所述分层截面的数量相同，多个所述成型层的布设位置分别与多个所述分层截面的布设位置一一对应且其层厚均相同，所述成型层的层厚与相邻两个所述分层截面之间的距离相同，步骤三中多个所述分层截面的打印路径分别为多个所述成型层的打印路径;对成型面工作层进行打印时，过程如下:
[0025]步骤401、底层打印:所述水平移动控制器根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，对所述水平移动装置进行控制并带动所述等离子体发生器与所述送粉装置同步在水平面上进行移动;所述等离子体发生器与所述送粉装置同步在水平面上移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至模具基体上;待熔融液流均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0026]本步骤中，当前所打印成型层为多个所述成型层中位于最底部的成型层；
[0027]步骤402、上一层打印，包括以下步骤:
[0028]步骤4021、打印距离调节:将水平打印台在竖直方向上进行一次向下移动且向下移动高度与所述成型层的层厚相同，或者通过打印距离调节控制器控制所述打印距离调节装置带动所述等离子体发生器在竖直方向上进行一次向上移动且向上移动高度与所述成型层的层厚相同；
[0029]步骤4022、打印及同步温控:所述水平移动控制器根据步骤三中所获取的当前所