一种激光与微束等离子复合3D打印设备与方法与流程

本发明涉及金属零件增材制造技术领域，尤其涉及一种激光与微束等离子复合3D打印设备与方法。

背景技术：
激光3D打印设备集成了激光、精密传动、新材料、CAD/CAM等技术，通过30～80微米的精细激光聚焦光斑，逐线搭接扫描新铺粉层上选定区域，形成面轮廓后，层与层堆积成型制造,从而直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件，致密度可达到近乎100％，其优势主要表现在：1)采用分层制造技术，成型件不受几何复杂度的影响，对任意复杂成型金属零件可直接制造，对于个性化小批量复杂产品制造方便；2)使用高功率密度的光纤激光器，光束模式好，激光光斑小，成型精度较高；3)直接制成终端金属产品，由于激光能量密度较高，对熔点高难加工金属材料可直接加工成为终端金属产品；4)成型金属零件是具有冶金结合的实体，其相对密度几乎达到100％，性能超过传统铸造件。目前市面上的激光3D打印设备主要有2种形式，一种是由扫描振镜驱动光路偏转，另一种是由激光有机械导轨驱动，完成平面扫描。前者受限于光学系统，单振镜最大成型区域250×250mm，不适用于大尺寸成型件。成型大型零件则需要多激光多扫描振镜复合。由于激光器价格高，维护操作麻烦，不利于激光3D打印设备的工业推广应用。后者虽然采用一定的控制方法可以实现大型零件的直接制造，但是要想保证零件的精度和表面粗糙度，必然也要牺牲成型效率。因此，如何解决成型效率和精度的矛盾，是3D打印研究人员的首要任务。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种高效、低成本的激光与微束等离子复合3D打印设备与方法。解决激光3D打印成型效率和精度的矛盾。本发明通过下述技术方案实现：一种激光与微束等离子复合3D打印设备，包括中央控制系统、密封成型室、成型缸、激光成型装置、等离子加工装置；所述成型缸、激光成型装置和等离子加工装置由中央控制系统控制，所述激光成型装置包括激光成型喷头12，所述等离子加工装置包括等离子枪8；所述密封成型室的右侧内壁设有用于放置激光成型喷头12的激光喷头支架14，所述密封成型室的左侧内壁设有用于放置等离子枪8的等离子枪支架7；在密封成型室内、成型缸的上方设有共工作数控主轴驱动导轨21和设置在其上的共工作数控主轴22，所述共工作数控主轴22端部设置有用于夹持激光成型喷头12或者等离子枪8的夹头；所述共工作数控主轴22为三轴联动，夹头夹持激光成型喷头12或者等离子枪8在Z、X、Y方向移动。所述激光成型装置还包括激光器19、激光器19的激光光路集成单元13、用于给激光成型喷头12输送粉末的送粉装置16；所述激光器19和送粉装置16设置在密封成型室外部。所述激光光路集成单元13包括光学透镜、准直扩束镜、聚焦镜、光学同轴校准仪；所述激光器19的激光通过激光传导线20传导至激光成型喷头12腔内。所述等离子加工装置包括设置在密封成型室外的等离子发生控制器1、等离子弧稳定器，等离子枪送粉装置5。所述成型缸包括升降工作平台11及其驱动器10。上述激光与微束等离子复合3D打印设备的打印方法如下：(一)对加工零件9的三维CAD模型进行处理，首先根据加工要求选择合适的层厚进行分层切片；然后以每10～20层数据为单位进行片层数据打包，对每一数据包添加激光扫描轮廓信息和等离子体填充信息；最后对每一数据包的片层轮廓进行扫描路径规划，完成后导入3D打印机，准备进行加工；(二)启动3D打印机，对密封成型室进行除氧处理，当密封成型室内氧气含量降低到0.1％以下时开启加工程序；共工作数控主轴22夹持激光喷头12根据轮廓进行扫描，每扫描一层后，升降工作平台11的驱动器10下降一个层厚的高度，使零件9的成型平面始终与升降工作平台11并行；当零件9的激光成型完成一个单位的层数后，中央控制系统发出信号，激光成型装置停止工作，共工作数控主轴22驱动激光成型喷头12沿着共工作数控主轴驱动导轨21退回、并将激光成型喷头12放置到激光喷头支架14上；(三)中央控制系统发出等离子加工信号，共工作数控主轴22移动到左侧，夹持等离子枪8，并进行初始定位，接收到控制指令后，等离子发生控制器1启动，产生等离子弧，共工作数控主轴22根据零件9的填充面进行移动，直至完成填充工序，然后共工作数控主轴22驱动等离子枪8返回、并将等离子枪8放置到等离子枪支架7上；接着，共工作数控主轴22返回到初始位置，并等待下一工序工作指令；(四)如此循环重复步骤(二)、(三)，直至完成零件9的激光成型和微束等离子加工。本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：相对于激光器，本发明将激光快速成型和的等离子加工结合起来，不仅解决了金属3D打印技术效率和精度的矛盾，而且采用等离子体替换激光器作为热源，从而获得高效、低成本的工业级金属3D打印设备。有利于将金属3D打印设备推广应用于汽车、造船、生物医疗、精密模具等大型复杂零部件的制造和修复。本发明激光与微束等离子复合3D打印设备采用激光成型大型零件的轮廓，然后采用微束等离子填充零件实体，从而极大程度减少扫描时间，提高4～5倍成型效率；本发明的3D打印设备采用共工作数控主轴驱动导轨21和共工作数控主轴22，克服了光学系统的尺寸限制，可扩大成型零件尺寸，同时保证成型精度。附图说明图1为本发明共工作数控主轴22夹持激光喷头12沿X、Y方向移动示意图。图2为本发明共工作数控主轴22夹持等离子枪8沿X、Y方向移动示意图。等离子发生控制器1；惰性气体瓶2；工作气路3；等离子送粉气路4；等离子枪送粉装置5；等离子枪水冷机6；等离子枪支架7；等离子枪8；零件9；驱动器10；升降工作平台11；激光成型喷头12；激光光路集成单元13；激光喷头支架14；激光喷头水冷机15；激光成型送粉装置16；送粉气路17；惰性气体瓶18；激光器19；激光传导线20；共工作数控主轴驱动导轨21；共工作数控主轴22。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。实施例如图1、2所示。本发明一种激光与微束等离子复合3D打印设备，包括中央控制系统、密封成型室、成型缸、激光成型装置、等离子加工装置；所述成型缸、激光成型装置和等离子加工装置由中央控制系统控制，其特征在于：所述激光成型装置包括激光成型喷头12，所述等离子加工装置包括等离子枪8；所述密封成型室的右侧内壁设有用于放置激光成型喷头12的激光喷头支架14，所述密封成型室的左侧内壁设有用于放置等离子枪8的等离子枪支架7；在密封成型室内、成型缸的上方设有共工作数控主轴驱动导轨21和设置在其上的共工作数控主轴22，所述共工作数控主轴22端部设置有用于夹持激光成型喷头12或者等离子枪8的夹头；所述共工作数控主轴22为三轴联动，夹头夹持激光成型喷头12或者等离子枪8在Z、X、Y方向移动。Z方向只需要在换工序时工作，加工过程中激光成型喷头12或者等离子枪8在X、Y方向大范围移动。中央控制系统根据工序的要求，发送不同的指令，共工作数控主轴根据指令夹持激光成型喷头12或者等离子枪8完成相应的工序。所述激光成型装置还包括激光器19(laser)、激光器19的激光光路集成单元13、用于给激光成型喷头12输送粉末的送粉装置16；所述激光器19和送粉装置16设置在密封成型室外部。所述送粉装置16由粉料斗、送粉管、送粉气构成，送粉气采用惰性气体，送粉率由送粉气流大小控制。粉末送入到激光成型喷头12或者等离子枪8后分成对称的6路，并保持与激光(等离子弧)同轴汇聚。粉料斗上通入气体，保证粉末下漏均匀，且在成型过程中可添加粉末，无须停机，工作全程可实现随时加粉。保护气体送入到激光成型喷头12或者等离子枪8后分成对称的6路，并保持与激光(等离子弧)同轴汇聚，气流量可控。所述激光光路集成单元13包括光学透镜、准直扩束镜、聚焦镜、光学同轴校准仪；所述激光器19的激光通过激光传导线20传导至激光成型喷头12腔内。所述等离子加工装置包括设置在密封成型室外的等离子发生控制器1(plasmcontrolsystem)、等离子弧稳定器，等离子枪送粉装置5。所述成型缸包括升降工作平台11及其驱动器10。由控制系统控制升降工作平台11上下移动，实现Z方向的精密进给。激光与微束等离子复合3D打印设备的打印方法可通过如下步骤实现：(一)对加工零件9的三维CAD模型进行处理，首先根据加工要求选择合适的层厚(应用Magics软件)进行分层切片；然后以每10～20层数据为单位(也可以根据加工要求选择其他数目)进行片层数据打包，对每一数据包添加激光扫描轮廓信息和等离子体填充信息；最后对每一数据包的片层轮廓进行扫描路径规划，完成后导入3D打印机，准备进行加工；(二)启动3D打印机，对密封成型室进行除氧处理，当密封成型室内氧气含量降低到0.1％以下时开启加工程序；共工作数控主轴22夹持激光喷头12根据轮廓进行扫描，每扫描一层后，升降工作平台11的驱动器10下降一个层厚的高度，使零件9的成型平面始终与升降工作平台11并行；当零件9的激光成型完成一个单位的层数后，中央控制系统发出信号，激光成型装置停止工作，共工作数控主轴22驱动激光成型喷头12沿着共工作数控主轴驱动导轨21退回、并将激光成型喷头12放置到激光喷头支架14上；(三)中央控制系统发出等离子加工信号，共工作数控主轴22移动到左侧，夹持等离子枪8，并进行初始定位，接收到控制指令后，等离子发生控制器1启动，产生等离子弧，共工作数控主轴22根据零件9的填充面进行移动，直至完成填充工序，然后共工作数控主轴22驱动等离子枪8返回、并将等离子枪8放置到等离子枪支架7上；接着，共工作数控主轴22返回到初始位置，并等待下一工序工作指令；(四)如此循环重复步骤(二)、(三)，直至完成零件9的激光成型和微束等离子复合加工过程。如上所述，便可较好地实现本发明。本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。