本發(fā)明涉及金屬零件增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備與方法。

背景技術(shù)：
激光3D打印設(shè)備集成了激光、精密傳動(dòng)、新材料、CAD/CAM等技術(shù)，通過30～80微米的精細(xì)激光聚焦光斑，逐線搭接掃描新鋪粉層上選定區(qū)域，形成面輪廓后，層與層堆積成型制造,從而直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合的金屬功能零件，致密度可達(dá)到近乎100％，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：1)采用分層制造技術(shù)，成型件不受幾何復(fù)雜度的影響，對(duì)任意復(fù)雜成型金屬零件可直接制造，對(duì)于個(gè)性化小批量復(fù)雜產(chǎn)品制造方便；2)使用高功率密度的光纖激光器，光束模式好，激光光斑小，成型精度較高；3)直接制成終端金屬產(chǎn)品，由于激光能量密度較高，對(duì)熔點(diǎn)高難加工金屬材料可直接加工成為終端金屬產(chǎn)品；4)成型金屬零件是具有冶金結(jié)合的實(shí)體，其相對(duì)密度幾乎達(dá)到100％，性能超過傳統(tǒng)鑄造件。目前市面上的激光3D打印設(shè)備主要有2種形式，一種是由掃描振鏡驅(qū)動(dòng)光路偏轉(zhuǎn)，另一種是由激光有機(jī)械導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，完成平面掃描。前者受限于光學(xué)系統(tǒng)，單振鏡最大成型區(qū)域250×250mm，不適用于大尺寸成型件。成型大型零件則需要多激光多掃描振鏡復(fù)合。由于激光器價(jià)格高，維護(hù)操作麻煩，不利于激光3D打印設(shè)備的工業(yè)推廣應(yīng)用。后者雖然采用一定的控制方法可以實(shí)現(xiàn)大型零件的直接制造，但是要想保證零件的精度和表面粗糙度，必然也要犧牲成型效率。因此，如何解決成型效率和精度的矛盾，是3D打印研究人員的首要任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種高效、低成本的激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備與方法。解決激光3D打印成型效率和精度的矛盾。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備，包括中央控制系統(tǒng)、密封成型室、成型缸、激光成型裝置、等離子加工裝置；所述成型缸、激光成型裝置和等離子加工裝置由中央控制系統(tǒng)控制，所述激光成型裝置包括激光成型噴頭12，所述等離子加工裝置包括等離子槍8；所述密封成型室的右側(cè)內(nèi)壁設(shè)有用于放置激光成型噴頭12的激光噴頭支架14，所述密封成型室的左側(cè)內(nèi)壁設(shè)有用于放置等離子槍8的等離子槍支架7；在密封成型室內(nèi)、成型缸的上方設(shè)有共工作數(shù)控主軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌21和設(shè)置在其上的共工作數(shù)控主軸22，所述共工作數(shù)控主軸22端部設(shè)置有用于夾持激光成型噴頭12或者等離子槍8的夾頭；所述共工作數(shù)控主軸22為三軸聯(lián)動(dòng)，夾頭夾持激光成型噴頭12或者等離子槍8在Z、X、Y方向移動(dòng)。所述激光成型裝置還包括激光器19、激光器19的激光光路集成單元13、用于給激光成型噴頭12輸送粉末的送粉裝置16；所述激光器19和送粉裝置16設(shè)置在密封成型室外部。所述激光光路集成單元13包括光學(xué)透鏡、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、聚焦鏡、光學(xué)同軸校準(zhǔn)儀；所述激光器19的激光通過激光傳導(dǎo)線20傳導(dǎo)至激光成型噴頭12腔內(nèi)。所述等離子加工裝置包括設(shè)置在密封成型室外的等離子發(fā)生控制器1、等離子弧穩(wěn)定器，等離子槍送粉裝置5。所述成型缸包括升降工作平臺(tái)11及其驅(qū)動(dòng)器10。上述激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備的打印方法如下：(一)對(duì)加工零件9的三維CAD模型進(jìn)行處理，首先根據(jù)加工要求選擇合適的層厚進(jìn)行分層切片；然后以每10～20層數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行片層數(shù)據(jù)打包，對(duì)每一數(shù)據(jù)包添加激光掃描輪廓信息和等離子體填充信息；最后對(duì)每一數(shù)據(jù)包的片層輪廓進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃，完成后導(dǎo)入3D打印機(jī)，準(zhǔn)備進(jìn)行加工；(二)啟動(dòng)3D打印機(jī)，對(duì)密封成型室進(jìn)行除氧處理，當(dāng)密封成型室內(nèi)氧氣含量降低到0.1％以下時(shí)開啟加工程序；共工作數(shù)控主軸22夾持激光噴頭12根據(jù)輪廓進(jìn)行掃描，每掃描一層后，升降工作平臺(tái)11的驅(qū)動(dòng)器10下降一個(gè)層厚的高度，使零件9的成型平面始終與升降工作平臺(tái)11并行；當(dāng)零件9的激光成型完成一個(gè)單位的層數(shù)后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，激光成型裝置停止工作，共工作數(shù)控主軸22驅(qū)動(dòng)激光成型噴頭12沿著共工作數(shù)控主軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌21退回、并將激光成型噴頭12放置到激光噴頭支架14上；(三)中央控制系統(tǒng)發(fā)出等離子加工信號(hào)，共工作數(shù)控主軸22移動(dòng)到左側(cè)，夾持等離子槍8，并進(jìn)行初始定位，接收到控制指令后，等離子發(fā)生控制器1啟動(dòng)，產(chǎn)生等離子弧，共工作數(shù)控主軸22根據(jù)零件9的填充面進(jìn)行移動(dòng)，直至完成填充工序，然后共工作數(shù)控主軸22驅(qū)動(dòng)等離子槍8返回、并將等離子槍8放置到等離子槍支架7上；接著，共工作數(shù)控主軸22返回到初始位置，并等待下一工序工作指令；(四)如此循環(huán)重復(fù)步驟(二)、(三)，直至完成零件9的激光成型和微束等離子加工。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：相對(duì)于激光器，本發(fā)明將激光快速成型和的等離子加工結(jié)合起來，不僅解決了金屬3D打印技術(shù)效率和精度的矛盾，而且采用等離子體替換激光器作為熱源，從而獲得高效、低成本的工業(yè)級(jí)金屬3D打印設(shè)備。有利于將金屬3D打印設(shè)備推廣應(yīng)用于汽車、造船、生物醫(yī)療、精密模具等大型復(fù)雜零部件的制造和修復(fù)。本發(fā)明激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備采用激光成型大型零件的輪廓，然后采用微束等離子填充零件實(shí)體，從而極大程度減少掃描時(shí)間，提高4～5倍成型效率；本發(fā)明的3D打印設(shè)備采用共工作數(shù)控主軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌21和共工作數(shù)控主軸22，克服了光學(xué)系統(tǒng)的尺寸限制，可擴(kuò)大成型零件尺寸，同時(shí)保證成型精度。附圖說明圖1為本發(fā)明共工作數(shù)控主軸22夾持激光噴頭12沿X、Y方向移動(dòng)示意圖。圖2為本發(fā)明共工作數(shù)控主軸22夾持等離子槍8沿X、Y方向移動(dòng)示意圖。等離子發(fā)生控制器1；惰性氣體瓶2；工作氣路3；等離子送粉氣路4；等離子槍送粉裝置5；等離子槍水冷機(jī)6；等離子槍支架7；等離子槍8；零件9；驅(qū)動(dòng)器10；升降工作平臺(tái)11；激光成型噴頭12；激光光路集成單元13；激光噴頭支架14；激光噴頭水冷機(jī)15；激光成型送粉裝置16；送粉氣路17；惰性氣體瓶18；激光器19；激光傳導(dǎo)線20；共工作數(shù)控主軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌21；共工作數(shù)控主軸22。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。實(shí)施例如圖1、2所示。本發(fā)明一種激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備，包括中央控制系統(tǒng)、密封成型室、成型缸、激光成型裝置、等離子加工裝置；所述成型缸、激光成型裝置和等離子加工裝置由中央控制系統(tǒng)控制，其特征在于：所述激光成型裝置包括激光成型噴頭12，所述等離子加工裝置包括等離子槍8；所述密封成型室的右側(cè)內(nèi)壁設(shè)有用于放置激光成型噴頭12的激光噴頭支架14，所述密封成型室的左側(cè)內(nèi)壁設(shè)有用于放置等離子槍8的等離子槍支架7；在密封成型室內(nèi)、成型缸的上方設(shè)有共工作數(shù)控主軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌21和設(shè)置在其上的共工作數(shù)控主軸22，所述共工作數(shù)控主軸22端部設(shè)置有用于夾持激光成型噴頭12或者等離子槍8的夾頭；所述共工作數(shù)控主軸22為三軸聯(lián)動(dòng)，夾頭夾持激光成型噴頭12或者等離子槍8在Z、X、Y方向移動(dòng)。Z方向只需要在換工序時(shí)工作，加工過程中激光成型噴頭12或者等離子槍8在X、Y方向大范圍移動(dòng)。中央控制系統(tǒng)根據(jù)工序的要求，發(fā)送不同的指令，共工作數(shù)控主軸根據(jù)指令?yuàn)A持激光成型噴頭12或者等離子槍8完成相應(yīng)的工序。所述激光成型裝置還包括激光器19(laser)、激光器19的激光光路集成單元13、用于給激光成型噴頭12輸送粉末的送粉裝置16；所述激光器19和送粉裝置16設(shè)置在密封成型室外部。所述送粉裝置16由粉料斗、送粉管、送粉氣構(gòu)成，送粉氣采用惰性氣體，送粉率由送粉氣流大小控制。粉末送入到激光成型噴頭12或者等離子槍8后分成對(duì)稱的6路，并保持與激光(等離子弧)同軸匯聚。粉料斗上通入氣體，保證粉末下漏均勻，且在成型過程中可添加粉末，無須停機(jī)，工作全程可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)加粉。保護(hù)氣體送入到激光成型噴頭12或者等離子槍8后分成對(duì)稱的6路，并保持與激光(等離子弧)同軸匯聚，氣流量可控。所述激光光路集成單元13包括光學(xué)透鏡、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、聚焦鏡、光學(xué)同軸校準(zhǔn)儀；所述激光器19的激光通過激光傳導(dǎo)線20傳導(dǎo)至激光成型噴頭12腔內(nèi)。所述等離子加工裝置包括設(shè)置在密封成型室外的等離子發(fā)生控制器1(plasmcontrolsystem)、等離子弧穩(wěn)定器，等離子槍送粉裝置5。所述成型缸包括升降工作平臺(tái)11及其驅(qū)動(dòng)器10。由控制系統(tǒng)控制升降工作平臺(tái)11上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Z方向的精密進(jìn)給。激光與微束等離子復(fù)合3D打印設(shè)備的打印方法可通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：(一)對(duì)加工零件9的三維CAD模型進(jìn)行處理，首先根據(jù)加工要求選擇合適的層厚(應(yīng)用Magics軟件)進(jìn)行分層切片；然后以每10～20層數(shù)據(jù)為單位(也可以根據(jù)加工要求選擇其他數(shù)目)進(jìn)行片層數(shù)據(jù)打包，對(duì)每一數(shù)據(jù)包添加激光掃描輪廓信息和等離子體填充信息；最后對(duì)每一數(shù)據(jù)包的片層輪廓進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃，完成后導(dǎo)入3D打印機(jī)，準(zhǔn)備進(jìn)行加工；(二)啟動(dòng)3D打印機(jī)，對(duì)密封成型室進(jìn)行除氧處理，當(dāng)密封成型室內(nèi)氧氣含量降低到0.1％以下時(shí)開啟加工程序；共工作數(shù)控主軸22夾持激光噴頭12根據(jù)輪廓進(jìn)行掃描，每掃描一層后，升降工作平臺(tái)11的驅(qū)動(dòng)器10下降一個(gè)層厚的高度，使零件9的成型平面始終與升降工作平臺(tái)11并行；當(dāng)零件9的激光成型完成一個(gè)單位的層數(shù)后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，激光成型裝置停止工作，共工作數(shù)控主軸22驅(qū)動(dòng)激光成型噴頭12沿著共工作數(shù)控主軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌21退回、并將激光成型噴頭12放置到激光噴頭支架14上；(三)中央控制系統(tǒng)發(fā)出等離子加工信號(hào)，共工作數(shù)控主軸22移動(dòng)到左側(cè)，夾持等離子槍8，并進(jìn)行初始定位，接收到控制指令后，等離子發(fā)生控制器1啟動(dòng)，產(chǎn)生等離子弧，共工作數(shù)控主軸22根據(jù)零件9的填充面進(jìn)行移動(dòng)，直至完成填充工序，然后共工作數(shù)控主軸22驅(qū)動(dòng)等離子槍8返回、并將等離子槍8放置到等離子槍支架7上；接著，共工作數(shù)控主軸22返回到初始位置，并等待下一工序工作指令；(四)如此循環(huán)重復(fù)步驟(二)、(三)，直至完成零件9的激光成型和微束等離子復(fù)合加工過程。如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。