一种扫描式等离子体3D打印机及其打印方法与流程

一种扫描式等离子体3d打印机及其打印方法
技术领域
1.本发明涉及3d打印领域，具体涉及一种扫描式等离子体3d打印机及其打印方法。


背景技术：

2.等离子体3d打印机是利用物质的第四形态，使等离子态通过磁场加速器和磁场偏转器，把等离子体准确的投射到基版上堆积成形，进行3d打印使用的3d打印机，可应用于各种3d打印场合；
3.工业制造业一向是第一生产力，而工业中的加工技术更是关键，小到老白姓日常用品，大到工业皇冠的芯片制造、航空发动机都依靠它，可以说决定一个国家的发达程度和国际影响力，目前的现状是一个产品往往是由多种原材料和多种加工技术结合而成，过程中需要运用到车、钳、刨、铣、生物、化学、多种物质组装在一起等等等等，学习某一个专业都要耗费人类几年到几十年的精力，所以人们一直在寻找一种更简单高效的生产制造技术；
4.但是现有的3d打印机在使用时存在着一定的不足之处有待改善，首先，现有3d打印技术则是大大减少了各种加工难度和技术门槛，但是由于产品材料组成单一，精度不高或不耐用无法取代目前的制造技术，大多用于艺术品或展览展示。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种扫描式等离子体3d打印机及其打印方法，可以有效解决背景技术中的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种扫描式等离子体3d打印机，包括基板，所述基板的上端安装有真空仓，所述基板的上端位于真空仓的内部安装有真空阀，所述基板的上端位于真空仓的一侧安装有负电极，所述真空仓的外侧顶部安装有磁场偏转器，所述真空仓的上端由上往下安装有送料器、等离子发射器和离子加速器，送料器、等离子发射器和磁场偏转器的内部安装有原料丝。
8.作为本发明的进一步方案，所述送料器包括有伺服电机、主动棘轮、被动棘轮、导料管和入料口，主动棘轮和被动棘轮安装在伺服电机的前端，入料口位于主动棘轮和被动棘轮的下方，导料管安装在入料口的上端。
9.作为本发明的进一步方案，所述伺服电机的输出端与主动棘轮连接，主动棘轮和被动棘轮的外圈为凹槽曲面结构，原料丝穿过主动棘轮和被动棘轮的中间，原料丝穿过导料管和入料口，入料口的入口处呈喇叭状开口，入料口的内径由大到小。
10.作为本发明的进一步方案，所述等离子发射器包括有等离子发生室、激光管道、聚焦镜片、约束线圈、高电差正极、高电差负极、负电子接收板和负电子导线，等离子发生室安装在入料口的下端，激光管道安装在等离子发生室的内侧，聚焦镜片安装在激光管道的内侧，约束线圈安装在等离子发生室的外侧，高电差正极安装在约束线圈的上方，高电差负极安装在等离子发生室的下端，负电子接收板安装在等离子发生室的内部，负电子导线安装在负电子接收板的下端。
11.作为本发明的进一步方案，所述原料丝穿入至等离子发生室的内部，聚焦镜片位于原料丝的一侧，负电子导线的下端与激光管道连接，原料丝贯穿负电子接收板，负电极的上端与激光管道连接。
12.作为本发明的进一步方案，所述离子加速器包括有离子加速管、等离子出孔和多级加速线圈，等离子加速管安装在至等离子发生室的下端，等离子出孔开设在等离子加速管的内部，多级加速线圈安装在离子加速管道的外侧。
13.作为本发明的进一步方案，所述等离子加速管为石墨材质构造，高电差负极安装在离子加速管的外侧，等离子出孔与等离子发生室和真空仓的内部贯通。
14.作为本发明的进一步方案，所述磁场偏转器包括有x轴向偏转线圈和y轴向偏转线圈，两个x轴向偏转线圈和两个y轴向偏转线圈均安装在真空仓的外侧，两个x轴向偏转线圈和两个y轴向偏转线圈呈十字形排列安装。
15.一种扫描式等离子体3d打印机的打印方法，该方法具体包括以下步骤：
16.步骤一：首先准备原料丝，原料丝由单质的非金属或金属原材料预制成丝状卷材，半径略大于入料口的尺寸，主动棘轮安装在伺服电机轴上，由电脑根据当前打印速度所需材质通过电信号传输给编码器，再由编码器调制成伺服电机的电脉冲信号，控制伺服电机的角动量，再由伺服电机的运行带动主动棘轮旋转，原料丝放入被动棘轮和主动棘轮的中间，通过主动棘轮的旋转带动原料丝移动，被动棘轮的作用是顶住主动轮挤压原料丝，原料丝穿过导料管进入料口，导料管主要作用是避免原料丝的弯曲，保证送料的顺畅；
17.步骤二：原料丝经过入料口进入等离子发生室，激光管道内的聚焦镜片有高能激光通过，聚焦镜片使激光聚焦在原料丝的表面，约束线圈绕在等离子发生室外的线圈，能电产生磁场，使被激发的等离子体被约束在等离子发生室内，约束线圈是保护等离子体不接触到等离子室内壁，从而导致等离子发射器机体过热，激光使原料丝瞬间激发成由带正电的原子和带负电的电子混合物在等离子发生室空间中做着杂乱的运动，外处的约束线圈通上直流电，通过右手螺旋定则知道，用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的n极，得到一个指向前方的磁场，通过左手定则洛伦兹力得知，在磁场中对运动电荷的作用力分为六种情况，分别是向前后左右上下，其它方向可以看这这个方向的分运动，例如向前上或向后左，因为前后不受力，所以都会受到侧向力，本结构呈螺旋状，带正电的原子实际是在做逆时针圆周运动，带负电的电子则是相反做正时针运动，从而实现等离子体的约束，在等离子发生室内的两端各有一个高电差电级，分别为两侧的高电差正极和高电差负极，得到一个高电压静电场，带负电的电子被正电荷吸引，向上方移动接触到负电子接收板通过负电子导线连结至激光管道的外壳被导出，而带正电的原子被负级吸引往下运动，小部分原子进入微孔内，大部分留在等离子发生室继续做圆周运动，这样就完成了等离子体的发射过程；
18.步骤三：离子加速管道的上端插入等离子发生室的离子发射端内，下端插入真空仓的小端内，两端密封连接并通上正电，带正电原子子和正电荷互相排斥，所以原子只能呆在管的中心位置，进一步的约束等离子流变得更细，多级加速线圈每两个圈一组交叉缠绕在离子加速管上，根据速度快慢决定缠绕多少组，每间隔一级线圈引出一电极，这样不管多少级，只引出两个电极，然后给两级线通上高频交流电，这样带正电的原子刚通过线圈时线圈能上正电，就被推向负级线圈，同时前面的负级线圈能它也产生吸引作用使原子往前运
动，当他再次经过负级线圈时瞬间改变电流，再次让它加速，如此往复，得到我们需要的速度；
19.步骤四：打印工件时把真空仓抽成高度真空，不让空气分子阻挡等离子体通过形成散射，真空仓由不透光材料制成为了避免外部光子对其进行干扰，可以杜绝一切影响精度的变数，保证了绝对精度，等离子经离子加速管道进入真空仓内，x轴向偏转线圈和y轴向偏转线圈分别贴在真空仓顶部小端，左右为一组，控制前后偏转，前后为一组，控制左右偏转，当左右线圈通上正或负方向电流时，根据通过右手螺旋定则会产生一个向前后的磁场，根据左手定则洛伦兹力带正电的等离子体会向前后偏转，同理，加上两组线圈就可以使等离子体向xy平面内任意一个点发射，通过计算机对数字模型切片我们获得了一个二维的模型截面图像，然后将图像按需求设计好的分辨率逐行编译变成每个点的xy坐标，然后再经过调制变成电信号传送到偏转线圈，控制等离子体以二维图像的形式逐行扫瞄发射到基板上去，这样我们就实现了原子级别精度的逐行打印，由于没有机械结构，精度完全受偏转磁场的强弱控制，通过修正磁场强度来实现可控精度，由等离子发生器里导出的负电子经负电极导出到基板上，让基板带负电，这样带正电的等离子体被带负电的基板吸引并吸附到其表面，并产生分子层面的化学键，从而完成电中合；
20.步骤五：当打印完成时，先打开真空阀，让室处空气进入真空仓，当内外气压达到平衡时，将真空仓揭开，取下打印完成的工件。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.通过设置的送料器、等离子发射器、离子加速器、真空仓、基板、磁场偏转器，利用物质的第四形态，等离子态通过磁场加速器和磁场偏转器，把等离子体准确的投射到基版上堆积成形，因为没有机械运动装置、原材料以原子为最小单位的前提下，其精度可以达到纳米级别，基于原子和分子层面进行构筑，通过多个等离子发射器发射出不同的材料，组成多物质等离子阵列3d结构，可以实现全材料、超高精度、超高速打印成形的优点，彻底了革新加工、生产和制造业，打破目前的制造瓶颈，更优秀的进行打印加工。
附图说明
23.图1为本发明一种扫描式等离子体3d打印机的整体结构示意图；
24.图2为本发明一种扫描式等离子体3d打印机的送料器和等离子发射器的剖析图；
25.图3为本发明一种扫描式等离子体3d打印机的真空仓的剖析图；
26.图4为本发明一种扫描式等离子体3d打印机的离子加速器和磁场偏转器的放大图。
27.图中：1、送料器；11、伺服电机；12、主动棘轮；13、被动棘轮；14、导料管；15、入料口；2、等离子发射器；21、等离子发生室；22、激光管道；23、聚焦镜片；24、约束线圈；25、高电差正极；26、高电差负极；27、负电子接收板；28、负电子导线；3、离子加速器；31、离子加速管；32、等离子出孔；33、多级加速线圈；4、真空仓；6、负电极；7、真空阀；8、基板；9、原料丝；5、磁场偏转器；51、x轴向偏转线圈；52、y轴向偏转线圈。
具体实施方式
28.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
具体实施方式，进一步阐述本发明。
29.如图1-4所示，一种扫描式等离子体3d打印机，包括基板8，基板8的上端安装有真空仓4，基板8的上端位于真空仓4的内部安装有真空阀7，基板8的上端位于真空仓4的一侧安装有负电极6，真空仓4的外侧顶部安装有磁场偏转器5，真空仓4的上端由上往下安装有送料器1、等离子发射器2和离子加速器3，送料器1、等离子发射器2和和磁场偏转器5的内部安装有原料丝9；
30.在本实施例中，送料器1包括有伺服电机11、主动棘轮12、被动棘轮13、导料管14和入料口15，主动棘轮12和被动棘轮13安装在伺服电机11的前端，入料口15位于主动棘轮12和被动棘轮13的下方，导料管14安装在入料口15的上端，导料管14起到避免原料丝9的弯曲，保证送料的顺畅的作用；
31.在本实施例中，伺服电机11的输出端与主动棘轮12连接，主动棘轮12和被动棘轮13的外圈为凹槽曲面结构，原料丝9穿过主动棘轮12和被动棘轮13的中间，原料丝9穿过导料管14和入料口15，入料口15的入口处呈喇叭状开口，入料口15的内径由大到小，入料口15能够起到对管内真空密封，防止进入空气和使原料丝9获得光滑的表面和标准直径；
32.在本实施例中，等离子发射器2包括有等离子发生室21、激光管道22、聚焦镜片23、约束线圈24、高电差正极25、高电差负极26、负电子接收板27和负电子导线28，等离子发生室21安装在入料口15的下端，激光管道22安装在等离子发生室21的内侧，聚焦镜片23安装在激光管道22的内侧，约束线圈24安装在等离子发生室21的外侧，高电差正极25安装在约束线圈24的上方，高电差负极26安装在等离子发生室21的下端，负电子接收板27安装在等离子发生室21的内部，负电子导线28安装在负电子接收板27的下端；
33.在本实施例中，原料丝9穿入至等离子发生室21的内部，聚焦镜片23位于原料丝9的一侧，负电子导线28的下端与激光管道22连接，原料丝9贯穿负电子接收板27，负电极6的上端与激光管道22连接，原料丝9在等离子发生室21的内部等待激光管道22的激发；
34.在本实施例中，离子加速器3包括有离子加速管31、等离子出孔32和多级加速线圈33，等离子加速管31安装在至等离子发生室21的下端，等离子出孔32开设在等离子加速管31的内部，多级加速线圈33安装在离子加速管道31的外侧；
35.在本实施例中，等离子加速管31为石墨材质构造，高电差负极26安装在离子加速管31的外侧，等离子出孔32与等离子发生室21和真空仓4的内部贯通；
36.在本实施例中，磁场偏转器5包括有x轴向偏转线圈51和y轴向偏转线圈52，两个x轴向偏转线圈51和两个y轴向偏转线圈52均安装在真空仓4的外侧，两个x轴向偏转线圈51和两个y轴向偏转线圈52呈十字形排列安装。
37.一种扫描式等离子体3d打印机的打印方法，该方法具体包括以下步骤：
38.步骤一：首先准备原料丝9，原料丝9由单质的非金属或金属原材料预制成丝状卷材，半径略大于入料口15的尺寸，主动棘轮12安装在伺服电机11轴上，由电脑根据当前打印速度所需材质通过电信号传输给编码器，再由编码器调制成伺服电机11的电脉冲信号，控制伺服电机11的角动量，再由伺服电机11的运行带动主动棘轮12旋转，原料丝9放入被动棘轮13和主动棘轮12的中间，通过主动棘轮12的旋转带动原料丝9移动，被动棘轮13的作用是顶住主动轮挤压原料丝9，原料丝9穿过导料管14进入料口15，导料管14主要作用是避免原料丝9的弯曲，保证送料的顺畅；
39.步骤二：原料丝9经过入料口15进入等离子发生室21，激光管道22内的聚焦镜片23有高能激光通过，聚焦镜片23使激光聚焦在原料丝9的表面，约束线圈24绕在等离子发生室21外的线圈，能电产生磁场，使被激发的等离子体被约束在等离子发生室21内，约束线圈24是保护等离子体不接触到等离子室内壁，从而导致等离子发射器机体过热，激光使原料丝9瞬间激发成由带正电的原子和带负电的电子混合物在等离子发生室21空间中做着杂乱的运动，外处的约束线圈24通上直流电，通过右手螺旋定则知道，用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的n极，得到一个指向前方的磁场，通过左手定则洛伦兹力得知，在磁场中对运动电荷的作用力分为六种情况，分别是向前后左右上下，其它方向可以看这这个方向的分运动，例如向前上或向后左，因为前后不受力，所以都会受到侧向力，本结构呈螺旋状，带正电的原子实际是在做逆时针圆周运动，带负电的电子则是相反做正时针运动，从而实现等离子体的约束，在等离子发生室21内的两端各有一个高电差电级，分别为两侧的高电差正极25和高电差负极26，得到一个高电压静电场，带负电的电子被正电荷吸引，向上方移动接触到负电子接收板27通过负电子导线28连结至激光管道22的外壳被导出，而带正电的原子被负级吸引往下运动，小部分原子进入微孔内，大部分留在等离子发生室21继续做圆周运动，这样就完成了等离子体的发射过程；
40.步骤三：离子加速管道31的上端插入等离子发生室21的离子发射端内，下端插入真空仓4的小端内，两端密封连接并通上正电，带正电原子和正电荷互相排斥，所以原子只能呆在管的中心位置，进一步的约束等离子流变得更细，多级加速线圈33每两个圈一组交叉缠绕在离子加速管31上，根据速度快慢决定缠绕多少组，每间隔一级线圈引出一电极，这样不管多少级，只引出两个电极，然后给两级线通上高频交流电，这样带正电的原子刚通过线圈时线圈能上正电，就被推向负级线圈，同时前面的负级线圈能它也产生吸引作用使原子往前运动，当他再次经过负级线圈时瞬间改变电流，再次让它加速，如此往复，得到我们需要的速度；
41.步骤四：打印工件时把真空仓4抽成高度真空，不让空气分子阻挡等离子体通过形成散射，真空仓4由不透光材料制成为了避免外部光子对其进行干扰，可以杜绝一切影响精度的变数，保证了绝对精度，等离子经离子加速管道31进入真空仓4内，x轴向偏转线圈51和y轴向偏转线圈52分别贴在真空仓4顶部小端，左右为一组，控制前后偏转，前后为一组，控制左右偏转，当左右线圈通上正或负方向电流时，根据通过右手螺旋定则会产生一个向前后的磁场，根据左手定则洛伦兹力带正电的等离子体会向前后偏转，同理，加上两组线圈就可以使等离子体向xy平面内任意一个点发射，通过计算机对数字模型切片我们获得了一个二维的模型截面图像，然后将图像按需求设计好的分辨率逐行编译变成每个点的xy坐标，然后再经过调制变成电信号传送到偏转线圈，控制等离子体以二维图像的形式逐行扫瞄发射到基板8上去，这样我们就实现了原子级别精度的逐行打印，由于没有机械结构，精度完全受偏转磁场的强弱控制，通过修正磁场强度来实现可控精度，由等离子发生器2里导出的负电子经负电极6导出到基板8上，让基板8带负电，这样带正电的等离子体被带负电的基板8吸引并吸附到其表面，并产生分子层面的化学键，从而完成电中合；
42.步骤五：当打印完成时，先打开真空阀7，让室处空气进入真空仓4，当内外气压达到平衡时，将真空仓4揭开，取下打印完成的工件。
43.需要说明的是，本发明为一种扫描式等离子体3d打印机及其打印方法，在使用时，
能够组成多物质等离子阵列3d结构，在单个单质等离子3d打印结构的基础之上衍化而来，把多个等离子发射器2按一定方向，向二维阵列或三维阵列而成，二维阵列时基板8基本不变，只需要调教各不同位置的发射源的图像变形，便可可在不同位置投射正确比例的图像阵列，3d打印的速度可以成倍提高，理论上可以无限多，只要机体够大，而三维阵列的基板8是一个位于球心的基台，使多个方向的等离子发射器2呈球形全方位覆盖投影，打印时跟据结构向四周展开切片投影，360度无死角打印，无需支撑，工件在相连的各个方向的截面同时进行，因此工件如生长了出来一样，由于是多种物质同时打印，产品可以一次成形，比如具有复杂结构和多种材料组成的电子产品，如手机为例，主要成分是硅、碳、金、铜等等，打印结构设计后，可省去焊接和安装，便可直接实现打印生产。
44.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。