一種層流等離子3D打印的控制系統的制作方法

本實用新型涉及3D打印領域，具體來說涉及一種層流等離子3D打印的控制系統。

背景技術：

增材制造（即3D打印）技術依照材料累加的快速成型原理，以計算機軟件所設計出的立體加工模型文件為基礎，運用液化、粉末化、絲化的可粘性固體材料（如金屬、高分子材料等），逐層制造出產品，該技術具有不受零件復雜程度限制，完全數字化控制等特點，徹底顛覆了傳統制造業鍛造、切削加工的模式，變革了大規模生產線的工業生產方式，帶來個性化、低消耗、小批量、高難度等制造新理念和新方式，具有誘發新一次工業革命的巨大意義，3D打印設備中的先進熱源發生裝置，是3D打印皇冠上最耀眼的一顆明珠，它直接關系到增材制造（3D打印）過程中產品的成形質量以及成形效率，具有極高的技術含量，屬于位于產業鏈高端的高附加值產品，目前，多數金屬3D打印設備采用激光束、電子束作為熱源，兩者均具有精度高的優點，但是價格昂貴、制造效率低，不適合大規模產業化推廣，當前主要應用于航空航天、國防裝備等較為狹窄的領域，為解決以上問題，現有技術中也提出了一些技術方案，如公開號為CN104815985A，公開時間為2015年8月5日，名稱為“一種微束等離子3D打印設備與方法”的中國發明專利，該設備包括等離子加工裝置、中央控制系統、成型室、工作平臺、數控主軸、驅動裝置、送粉裝置。等離子體發生器、等離子弧壓調高器、等離子槍體、工作氣路、冷卻水路構成等離子體加工集成單元。采用微束等離子體作為金屬3D打印的熔化金屬材料的熱源，在保證與激光3D打印技術相近的成型精度的同時，可獲得一種高效、低成本的工業級金屬零件3D打印設備，但是使用微束等離子還是不夠穩定，且作為熱源的效果還有待提高，并且通過軸動的方式其運動軌跡會受到一定的限制，打印中會有很多的“盲區”無法達到，此外，3D打印中的熱源沒有降溫設計，長期使用也可能造成故障隱患。

技術實現要素：
：

本實用新型的目的在于提供一種能夠提供穩定熱源、打印部件能夠自由靈活運動、打印材料能夠預加工以提高成品質量，同時還帶有可配合打印件進行調整的打印臺的層流等離子3D打印的控制系統。

本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種層流等離子3D打印的控制系統，其特征在于：包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手、供料裝置、循環水泵和空氣壓縮機；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

所述供料裝置包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料裝置啟動，粉末材料通過供料通道進入球形化器進行球形化預處理后再由供料通道送往所述層流等離子發生器進行加熱。

所述旋轉驅動器和三維機械手均設置有限位器，所述限位器將位置信息傳回給所述中央處理單元。

所述層流等離子發生器前端還設置有溫度檢測器，所述溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元。

所述空氣壓縮機為所述固定塊和供料裝置提供壓縮空氣。

所述控制器1、控制器2和控制器3是PLC處理器，且按照主站和從站式的布局，所述控制器1、控制器2和控制器3是PLC從站處理器，主站處理器設置在所述中央處理單元中。

所述一種基于層流等離子技術的3D打印設備，包括打印室和中央控制器，還包括帶有粉末球形化器的供料裝置、空氣壓縮機和循環水泵；所述打印室中設置有帶有打印頭的三維機械手；所述打印頭中設置有層流等離子加工裝置；所述層流等離子加工裝置與所述供料裝通過送料管道柔性連接；所述空氣壓縮機和水泵分別通過氣動回路和冷卻回路與所述層流等離子加工裝置相連；所述打印室還包括一個3D打印加工臺，所述3D打印加工臺上設置有帶有固定塊的旋轉臺。

所述層流等離子加工裝置包括控制單元、層流離子體發生器、弧壓調節器、水冷裝置和槍體；所述層流離子體發生器和弧壓調節高器設置在所述槍體內；所述水冷裝置設置在所述槍體的壁上并與所述冷卻回路連通；所述控制單元控制層流離子體發生器產生層流等離子束，通過弧壓調節器調節層流等離子束并從槍體噴出加熱從所述供料裝置供給的打印材料。

所述氣動回路和冷卻回路沿所述打印室的側壁設置并穿過打印室與汽源和水源連接。

所述層流離子體發生器，采用中軸圓柱陽極結構，而沿著陽極柱周圍環形均勻布置3個或3個以上的陰極，陽極和陰極均安裝在同一個底座上固定，相互絕緣，底座有水、電、氣通道，圓柱 陽極的外表面相對絕緣，只有在靠近出口的頭部裸露導電，從而與陰極間形成電場，整個發生器是一個密封水冷的筒狀外形，一端有等離子體出口噴嘴，噴嘴對電弧等離子體進行機械壓縮。采用層流離子體發生器作為熱源，電源效率高且工作穩定，弧壓波動不大于0.5，電流波動，連續工作壽命可達200小時以上，大氣下弧長大于1000mm、真空中弧長大于3000mm、電弧末端弧徑大于400mm，同時其工作噪聲低，為30～50分貝；工作時層流等離子束流注入材料表面的最大等效溫度為61700℃，可融化金屬顆粒直徑不小于4mm，具有極強的適用性，使用層流等離子作為打印熱源，克服了傳統湍流等離子體束精度差、空氣卷入多、溫度梯度差的缺點，長弧、高溫、高效、數字可控，適于高精密、智能成形制造；其次，等離子束本身所具有的電離特性，使得能量可以深入到金屬內部，同時不產生表面反射，熱效率很高，遠遠優于激光；再次，不產生強輻射，環境性能遠優于電子束。

所述三維機械手包括曲臂、萬向連接軸、驅動機構、檢測機構和控制機構；三維機械手是現代化工業中常用的自動化設備，技術成熟靈活度高，且具有相當好的加工精度。

本實用新型的有益效果如下：

一、本實用新型提供的一種層流等離子3D打印的控制系統，操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手、供料裝置、循環水泵和空氣壓縮機，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手的帶動下進行打印，打印中循環水泵向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺以配合打印過程。

二、本實用新型提供的一種層流等離子3D打印的控制系統，供料裝置的粉末球形化器可以對打印耗材粉末進行預加工，使得粉末顆粒表面趨近于球形，這樣在打印的過程中效果更佳。

三、本實用新型提供的一種基于層流等離子技術的3D打印設備，限位器將活動部件的位置信息傳回給所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印狀況并根據現場情況及時反饋和調整。

四、本實用新型提供的一種層流等離子3D打印的控制系統，溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印時的溫度狀況并根據現場情況及時反饋和調整。

五、本實用新型提供的一種層流等離子3D打印的控制系統，空氣壓縮機為固定塊提供壓縮空氣，在旋轉臺做旋轉時，固定塊可以夾持打印件以避免位移。

六、本實用新型提供的一種層流等離子3D打印的控制系統，PLC處理器的主站和從站式布局為現代自動化工業中較為成熟的控制方式，實現功能多、精度高、可控性好。

附圖說明

圖1是本實用新型一種優選方案的結構示意圖；

圖2是本實用新型對應設備一種優選方案的示意圖；

圖中：

1、打印室；2、中央控制器；3、供料裝置；4、空氣壓縮機；5、循環水泵；6、三維機械手；7、打印頭；8、送料管道；9、3D打印加工臺；10、旋轉臺；11、固定塊。

具體實施方式

以下通過幾個實施例來進一步說明本實用新型的技術方案，需要說明的是，實現本實用新型目的的技術方案包括但不限于以下實施例。

實施例1

如圖1和圖2，一種層流等離子3D打印的控制系統，包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手6、供料裝置、循環水泵5和空氣壓縮機4；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

這是本實用新型的一種最基本的實施方案。操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手6、供料裝置3、循環水泵5和空氣壓縮機4，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置3輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手6的帶動下進行打印，打印中循環水泵5向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺10以配合打印過程。

實施例2

如圖1和圖2，一種層流等離子3D打印的控制系統，包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手6、供料裝置、循環水泵5和空氣壓縮機4；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

所述供料裝置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料裝置啟動，粉末材料通過供料通道進入球形化器進行球形化預處理后再由供料通道送往所述層流等離子發生器進行加熱。

這是本實用新型的一種優選的的實施方案。操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手6、供料裝置3、循環水泵5和空氣壓縮機4，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置3輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手6的帶動下進行打印，打印中循環水泵5向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺10以配合打印過程；供料裝置3的粉末球形化器可以對打印耗材粉末進行預加工，使得粉末顆粒表面趨近于球形，這樣在打印的過程中效果更佳。

實施例3

如圖1和圖2，一種層流等離子3D打印的控制系統，包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手6、供料裝置、循環水泵5和空氣壓縮機4；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

所述供料裝置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料裝置啟動，粉末材料通過供料通道進入球形化器進行球形化預處理后再由供料通道送往所述層流等離子發生器進行加熱。

所述旋轉驅動器和三維機械手6均設置有限位器，所述限位器將位置信息傳回給所述中央處理單元。

這是本實用新型的一種優選的的實施方案。操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手6、供料裝置3、循環水泵5和空氣壓縮機4，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置3輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手6的帶動下進行打印，打印中循環水泵5向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺10以配合打印過程；供料裝置3的粉末球形化器可以對打印耗材粉末進行預加工，使得粉末顆粒表面趨近于球形，這樣在打印的過程中效果更佳；限位器將活動部件的位置信息傳回給所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印狀況并根據現場情況及時反饋和調整。

實施例4

如圖1和圖2，一種層流等離子3D打印的控制系統，包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手6、供料裝置、循環水泵5和空氣壓縮機4；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

所述供料裝置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料裝置啟動，粉末材料通過供料通道進入球形化器進行球形化預處理后再由供料通道送往所述層流等離子發生器進行加熱。

所述旋轉驅動器和三維機械手6均設置有限位器，所述限位器將位置信息傳回給所述中央處理單元。

所述層流等離子發生器前端還設置有溫度檢測器，所述溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元。

這是本實用新型的一種優選的的實施方案。操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手6、供料裝置3、循環水泵5和空氣壓縮機4，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置3輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手6的帶動下進行打印，打印中循環水泵5向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺10以配合打印過程；供料裝置3的粉末球形化器可以對打印耗材粉末進行預加工，使得粉末顆粒表面趨近于球形，這樣在打印的過程中效果更佳；限位器將活動部件的位置信息傳回給所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印狀況并根據現場情況及時反饋和調整；溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印時的溫度狀況并根據現場情況及時反饋和調整。

實施例5

如圖1和圖2，一種層流等離子3D打印的控制系統，包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手6、供料裝置、循環水泵5和空氣壓縮機4；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

所述供料裝置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料裝置啟動，粉末材料通過供料通道進入球形化器進行球形化預處理后再由供料通道送往所述層流等離子發生器進行加熱。

所述旋轉驅動器和三維機械手6均設置有限位器，所述限位器將位置信息傳回給所述中央處理單元。

所述層流等離子發生器前端還設置有溫度檢測器，所述溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元。

所述空氣壓縮機4為所述固定塊和供料裝置提供壓縮空氣。

這是本實用新型的一種優選的的實施方案。操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手6、供料裝置3、循環水泵5和空氣壓縮機4，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置3輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手6的帶動下進行打印，打印中循環水泵5向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺10以配合打印過程；供料裝置3的粉末球形化器可以對打印耗材粉末進行預加工，使得粉末顆粒表面趨近于球形，這樣在打印的過程中效果更佳；限位器將活動部件的位置信息傳回給所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印狀況并根據現場情況及時反饋和調整；溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印時的溫度狀況并根據現場情況及時反饋和調整；空氣壓縮機4為固定塊提供壓縮空氣，在旋轉臺10做旋轉時，固定塊11可以夾持打印件以避免位移。

實施例6

如圖1和圖2，一種層流等離子3D打印的控制系統，包括連接人機交互界面的中央處理單元；所述中央處理單元還連接有控制器1、控制器2和控制器3；所述控制器1連接控制旋轉驅動器和固定塊；所述控制器2連接控制三維機械手6、供料裝置、循環水泵5和空氣壓縮機4；所述控制器3連接控制層流等離子發生器和弧壓調節器。

所述供料裝置3包括料箱、供料通道和粉末球形化器，所述控制器2控制供料裝置啟動，粉末材料通過供料通道進入球形化器進行球形化預處理后再由供料通道送往所述層流等離子發生器進行加熱。

所述旋轉驅動器和三維機械手6均設置有限位器，所述限位器將位置信息傳回給所述中央處理單元。

所述層流等離子發生器前端還設置有溫度檢測器，所述溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元。

所述空氣壓縮機4為所述固定塊和供料裝置提供壓縮空氣。

這是本實用新型的一種優選的的實施方案。操作人員可以通過人機交互界面將打印指令錄入系統，中央處理單元根據指令向控制器1、控制器2和控制器3發出作業指令，控制器2啟動三維機械手6、供料裝置3、循環水泵5和空氣壓縮機4，控制器3啟動層流等離子發生器并通過控制弧壓調節器調節等離子束的強度，等離子束將由供料裝置3輸送來的粉末材料加熱并在三維機械手6的帶動下進行打印，打印中循環水泵5向設備的各個冷卻回路中泵水降溫，同時根據打印需求，控制器1控啟動旋轉驅動器帶動打印加工臺上的旋轉臺10以配合打印過程；供料裝置3的粉末球形化器可以對打印耗材粉末進行預加工，使得粉末顆粒表面趨近于球形，這樣在打印的過程中效果更佳；限位器將活動部件的位置信息傳回給所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印狀況并根據現場情況及時反饋和調整；溫度檢測器將層流等離子發生器產生的等離子束溫度檢測結果傳回所述中央處理單元，有助于系統及時掌握打印時的溫度狀況并根據現場情況及時反饋和調整；空氣壓縮機4為固定塊提供壓縮空氣，在旋轉臺10做旋轉時，固定塊11可以夾持打印件以避免位移；PLC處理器的主站和從站式布局為現代自動化工業中較為成熟的控制方式，實現功能多、精度高、可控性好；PLC處理器的主站和從站式布局為現代自動化工業中較為成熟的控制方式，實現功能多、精度高、可控性好。

實施例7

如圖2，一種基于層流等離子技術的3D打印設備，包括打印室1和中央控制器2，還包括帶有粉末球形化器的供料裝置3、空氣壓縮機4和水泵5；所述打印室1中設置有帶有打印頭7的三維機械手6；所述打印頭7中設置有層流等離子加工裝置；所述層流等離子加工裝置與所述供料裝通過送料管道8柔性連接；所述空氣壓縮機4和水泵5分別通過氣動回路和冷卻回路與所述層流等離子加工裝置相連；所述打印室1還包括一個3D打印加工臺9，所述3D打印加工臺上設置有帶有固定塊11的旋轉臺10。

所述層流等離子加工裝置包括控制單元、層流離子體發生器、弧壓調節器、水冷裝置和槍體；所述層流離子體發生器和弧壓調節高器設置在所述槍體內；所述水冷裝置設置在所述槍體的壁上并與所述冷卻回路連通；所述控制單元控制層流離子體發生器產生層流等離子束，通過弧壓調節器調節層流等離子束并從槍體噴出加熱從所述供料裝置供給的打印材料。

所述氣動回路和冷卻回路沿所述打印室1的側壁設置并穿過打印室1與汽源和水源連接。

所述層流離子體發生器，采用中軸圓柱陽極結構，而沿著陽極柱周圍環形均勻布置3個或3個以上的陰極，陽極和陰極均安裝在同一個底座上固定，相互絕緣，底座有水、電、氣通道，圓柱 陽極的外表面相對絕緣，只有在靠近出口的頭部裸露導電，從而與陰極間形成電場，整個發生器是一個密封水冷的筒狀外形，一端有等離子體出口噴嘴，噴嘴對電弧等離子體進行機械壓縮。

這是本實用新型的一種優選的實施方案。三維機械手6是現代化工業中常用的自動化設備，技術成熟靈活度高，且具有相當好的加工精度，用三維機械手6來帶動打印頭7可以實現多方位多角度的打印需求，采用層流離子體發生器作為熱源，電源效率高且工作穩定，弧壓波動不大于0.5，電流波動，連續工作壽命可達200小時以上，大氣下弧長大于1000mm、真空中弧長大于3000mm、電弧末端弧徑大于400mm，同時其工作噪聲低，為30～50分貝；工作時層流等離子束流注入材料表面的最大等效溫度為61700℃，可融化金屬顆粒直徑不小于4mm，具有極強的適用性，使用層流等離子作為打印熱源，克服了傳統湍流等離子體束精度差、空氣卷入多、溫度梯度差的缺點，長弧、高溫、高效、數字可控，適于高精密、智能成形制造；其次，等離子束本身所具有的電離特性，使得能量可以深入到金屬內部，同時不產生表面反射，熱效率很高，遠遠優于激光；再次，不產生強輻射，環境性能遠優于電子束。而成本上，層流電弧等離子體束熱源由于附屬設備少、結構簡單、低能耗，則更為低廉；打印材料供料前先經過供料裝置3的粉末球形化器進行預處理，提高材料利用率和打印成品質量；旋轉臺10可以在打印中及時調整角度配合三維機械手6的動作；層流等離子加工裝置通過弧壓調節器調節層流等離子的輸出以適應不同的打印材料以及打印要求，層流等離子加工裝置的槍體上設置的水冷裝置可以在打印中及時為槍體降溫，避免應高溫導致的層流等離子加工裝置設備故障；氣動回路和冷卻回路沿打印室的側壁設置可以避免影響打印設備動作軌道，設計也比較整潔；層流離子體發生器采用中軸圓柱陽極結構，設計獨創，且所采用的軸向陽極可以是空心管狀，通過中空的管可以向高溫的等離子體束中心送入各種粉體或線狀材料，用于噴涂、堆焊等應用；采用陽極桿周圍沿著環形均勻布置3個或3個以上的陰極結構，使得單個陰極的電流大大降低，電弧等離子體穩定性高，并可形成高弧壓小電流層流長束等離子弧，陰極壽命長，且系統的總功率大，工作效率穩定高效。