一種龍門式大功率等離子弧3d打印設(shè)備與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種龍門式大功率等離子弧3D打印設(shè)備與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于制造業(yè)全球化及市場的激烈競爭，產(chǎn)品的快速開發(fā)已成為競爭的重要手段之一，為滿足制造業(yè)日益變化的客戶需求，制造技術(shù)必須具有高柔性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)迎合市場。傳統(tǒng)金屬零件去材或受迫成型制造方法往往工序多、工模具成本高、從設(shè)計到零件制造周期長，且對具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的零件往往無能為力，難以滿足新產(chǎn)品的快速響應(yīng)的制造需求。20世紀(jì)90年代以來，隨著等離子技術(shù)、信息技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)以及精密機械制造技術(shù)的發(fā)展，大功率等離子弧3D打印技術(shù)在等離子堆焊技術(shù)和快速成形技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)運而生，作為整個3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。
[0003]目前3D打印市場主要分為兩種，一種金屬3D打印，另一種是非金屬多為塑料的3D打印。金屬3D打印市場主要被激光所壟斷，主要是金屬粉層用激光熔化層層堆積成產(chǎn)品；非金屬多為塑料的3D打印主要是熱融方式，熱融的塑料層層堆積成產(chǎn)品。
[0004]不管是金屬3D打印，還是非金屬3D打印，打印的產(chǎn)品都是很小的；而且功率都比較小，椐文獻記載功率沒有超過10千瓦，體積長寬高沒有超過1米立方的。
[0005]大功率金屬3D打印市場主要被激光所壟斷，但由于激光3D打印設(shè)備造價昂貴，且維護保養(yǎng)復(fù)雜，對操作者自身素質(zhì)要求很高，大功率設(shè)備由于激光器的限制，至今仍停留在試驗階段?，F(xiàn)有的微弧等離子3D打印技術(shù)，由于使用的是小功率低密度的微束等離子弧作熱源，存在打印效率低、成品性能差等缺點，導(dǎo)致目前國內(nèi)金屬3D打印市場尤其是大型3D打印設(shè)備發(fā)展相對緩慢，無法與國際接軌，不利于3D打印技術(shù)在國內(nèi)各領(lǐng)域的普遍推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目是提供一種克服目前激光打印和微束等離子打印存在的種種弊端，利用10千瓦以上等離子弧，熔化送進金屬粉或絲，在預(yù)先設(shè)計控制程序下完成大型產(chǎn)品的3D打印。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0008]—種龍門式大功率等離子弧3D打印設(shè)備，包括機架、高架承墻，所述機架為龍門式結(jié)構(gòu)，所述機架的龍門平臺安裝在所述兩側(cè)高架承墻的上端，還包括打印機頭、打印成型平臺、X軸運動組件、Y軸運動組件、z軸運動組件、送粉機構(gòu)、擺動器、打印機頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、送絲裝置、堆焊電源、電氣柜，所述打印成型平臺架設(shè)在所述機架的平臺軌道上，所述Y軸運動組件安裝在所述機架的兩側(cè)，所述X軸運動組件固定連接在所述Y軸運動組件的前端，所述堆焊電源和電氣柜放置在所述龍門平臺位于所述Y軸運動組件的后端，所述Z軸運動組件固定在所述X軸運動組件上，所述Z軸運動組件上方分別安裝有所述送粉機構(gòu)和所述送絲裝置，所述Z軸運動組件下方連接所述打印機頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述打印機頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)下方連接所述擺動器，所述打印機頭固定在所述擺動器上；所述送粉機構(gòu)通過送粉管與所述打印機頭連接，所述送絲裝置通過導(dǎo)絲管與所述打印機頭連接。
[0009]優(yōu)選的，所述打印機頭包括焊槍、焊槍夾頭、連接管線，所述焊槍通過所述焊槍夾頭固定在所述擺動器上，所述焊槍上端分別有水電纜、送粉管、保護氣管、離子氣管接口。
[0010]優(yōu)選的，所述打印成型平臺包括導(dǎo)輪、平臺電機、蝸桿減速機、平臺托架和平臺板，所述平臺電機與所述蝸桿減速機同軸連接，所述蝸桿減速機末端的齒輪與安裝在所述平臺軌道上的齒條相嚙合，所述平臺板安裝在所述平臺托架上，所述平臺托架的四個角分別安裝有導(dǎo)輪，所述導(dǎo)輪卡在所述平臺軌道上。
[0011]優(yōu)選的，所述X軸運動部件包括X軸橫板、橫移絲杠、螺母、螺母座、直線滑軌、直線滑塊、橫移電機、橫移減速機、豎柱托板，所述橫移電機與所述橫移減速機同軸連接，所述橫移減速機通過聯(lián)軸器與所述橫移絲杠連接，所述直線滑軌與所述橫移絲杠固定在所述X軸橫板上，所述螺母旋入所述橫移絲杠內(nèi)，所述螺母通過所述螺母座與所述豎柱托板連接，所述豎柱托板兩側(cè)連接有所述直線滑塊，所述直線滑塊嵌入所述直線滑軌內(nèi)。
[0012]優(yōu)選的，所述Y軸運動組件包括直線軌道、導(dǎo)輪、縱移絲杠、螺母、螺母座、縱移電機、縱移減速機，所述直線軌道安裝在所述高架承墻上，所述龍門平臺兩側(cè)安裝所述導(dǎo)輪，所述導(dǎo)輪卡入所述直線軌道內(nèi)，所述高架承墻兩側(cè)固定有所述縱移絲杠，所述縱移絲杠內(nèi)旋入所述螺母，所述螺母通過所述螺母座與所述龍門平臺連接，所述縱移電機與所述縱移減速機同軸連接，所述縱移減速機通過聯(lián)軸器與所述縱移絲杠連接。
[0013]優(yōu)選的，所述Z軸運動組件包括升降線性模組、升降電機、行星減速機，所述升降線性模組由絲杠、螺母、螺母座、托板、底板、側(cè)板組成，所述升降電機與所述行星減速機同軸連接，所述行星減速機通過聯(lián)軸器與所述絲杠連接，所述托板連接所述X軸運動部件。
[0014]進一步優(yōu)選的，所述堆焊電源包括等離子電源、熔化極焊電源、氬弧焊電源。
[0015]權(quán)利要求1至7中任一項所述龍門式大功率等離子弧3D打印設(shè)備的打印方法，其特征在于包括以下步驟:
[0016](1)三維建模:通過掃描或利用CAM軟件建立待打印產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型；
[0017](2)分層切片:根據(jù)待打印產(chǎn)品的制造要求，選定3D打印模式，以及對應(yīng)工藝參數(shù)，將待打印產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型和選定的工藝參數(shù)導(dǎo)入3D分成切片軟件中，通過軟件運算處理得到待打印產(chǎn)品的加工數(shù)據(jù)代碼，據(jù)此規(guī)劃加工路徑；
[0018](3)工藝準(zhǔn)備:根據(jù)選定的工藝參數(shù)選擇合適的焊槍和打印耗材，通過觸摸屏HMI輸入相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)，將加工數(shù)據(jù)代碼導(dǎo)入數(shù)控CNC系統(tǒng)中，準(zhǔn)備堆焊所需的氣體和純凈水，工作平臺就位；
[0019](4)實時打印:準(zhǔn)備好所有材料并配置完所需打印參數(shù)后，通過指令開關(guān)開啟自動打印，工控機和可編程控制器PLC按照預(yù)先設(shè)定的程序控制各個組件完成3D打印。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟(4)自動打印包括如下步驟:
[0021](1)控制系統(tǒng)收到啟動指令后，開始打印前的準(zhǔn)備:冷卻水栗自動開啟，制冷空調(diào)設(shè)置為自動溫控模式，氬氣瓶電磁閥開啟，待系統(tǒng)檢測到循環(huán)水，氬氣，熔覆電源，打印耗材均正常后進入下一步，如有異常輸出相關(guān)錯誤報警，提醒操作人員注意；
[0022](2)運動控制系統(tǒng)指揮打印機頭XY軸方向，自動定位到打印起點，并下降至起弧尚度，等待起?。?br>[0023](3)離子氣打開，經(jīng)過2-3S打開非弧電源并開啟高頻引弧，待非弧正常點燃后，高頻停止，同時，送粉氣和保護氣自動打開，延時數(shù)秒后送粉氣或送絲機開始供應(yīng)打印物料，同時轉(zhuǎn)弧電源開啟；
[0024](4)當(dāng)系統(tǒng)檢測到打印機頭有電流輸入時，表示轉(zhuǎn)弧成功起弧，待電流穩(wěn)定后啟動數(shù)控系統(tǒng)，打印機頭按照預(yù)先輸入的加工軌跡數(shù)據(jù)逐層完成打印，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)實時控制整個打印過程；
[0025](5)打印完成后輸出停止信號，系統(tǒng)運行停止程序:轉(zhuǎn)弧電流衰減直至完全熄滅，電流下降到一定值時關(guān)閉送粉，轉(zhuǎn)弧熄滅后，依次關(guān)閉送粉氣，保護氣，擺動器，打印機頭自動回到系統(tǒng)原點，待打印機頭冷卻到常溫后，關(guān)閉冷卻水栗。
[0026]本發(fā)明提供的龍門式大功率等離子弧3D打印設(shè)備與方法的有益效果是:
[0027]采用龍門結(jié)構(gòu)適宜打印大