技术领域
[0001] 本
发明属于
快速成型技术领域，尤其是涉及一种等离子熔铸快速成型设备及成型方法。
背景技术
[0002] 目前，国内外金属零件快速成型技术主要是选区激光
熔化快速成型技术(Selective laser melting，SLM)。如
专利号为US7047098的美国专利“PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING A SHAPED BODY BY SELECTIVE LASER MELTING”中详细描述了一种利用三维数字模型制造致密零件的选区激光熔
化成形方法及其设备。公开号为CN 102266942A的中国发明专利“直接制造大型零件的选区激光熔化快速成型设备”公开了一种直接制造大型致密零件的选区激光熔化快速成型设备，该设备主要包括
激光器阵列、光学系统阵列、成型缸、成型缸立体式分段加热保温结构、成型缸重量平衡系统、
基板调平装置、双回收缸、双贮粉箱、双定量送粉和落粉装置、铺粉装置、保护气氛罩、气体
净化系统、控制系统。公开号为CN1603031A的中国发明专利“一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置”公开了一种金属零件选区激光熔化快速成型方法及其装置，该装置包括
半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器、光束聚焦系统、成型件缸和粉末缸，半导体泵浦YAG激光器或光纤激光器与光束聚焦系统相连接，并聚焦扫描于成型件缸，成型件缸通过铺粉滚轮与粉末缸相连接，铺粉滚轮连接有驱动
电机，
驱动电机与计算机相连接。公开号为CN103071795A的中国发明专利“移动振镜
选择性激光熔化SLM成形设备”公开了一种移动振镜选择性激光熔化SLM成形设备，该设备包括通过通信线路同带有横向
导轨组的X轴直线电机和纵向导轨组的Y轴直线电机相连接的数控系统，X轴直线电机和Y轴直线电机构成了扫描驱动结构，该扫描驱动结构同激光扩束
准直镜组驱动连接,激光扩束准直镜组底部卡入振镜单元，在振镜单元下方设置有成形工作组件，在成形工作组件和振镜单元之间设置有惰性气体气帘。
[0003] 选区激光熔化快速成型设备的基本工作原理是：先在计算机上利用Pro/e、UG、CATIA等三维造型
软件设计出零件的三维实
体模型(即三维立体模型)，然后通过切片软件对该三维模型进行分层切片，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，
激光束通过振镜扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层；随后，工作缸下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件下一层的制造；如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。
[0004] 现如今，选区激光熔化快速成型技术主要存在以下三方面问题：
[0005] 第一、选区激光熔化快速成型技术需要保护气氛或
真空环境，以避免成型过程中金属零件的
氧化。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，
能量源激光器系统价格高，成型设备价格昂贵。
[0006] 第二、选区激光熔化快速成型技术需要铺粉的成型缸系统。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低。
[0007] 第三、为了保障零件
力学性能，选区激光熔化快速成型技术需要流动性好的球形
金属粉末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。
[0008] 另外，公开号为CN101885063A的中国发明专利“
激光熔覆成型设备及一种金属零件的激光熔覆成型方法”公开了一种激光熔覆丝材的快速成型方法及其设备，该设备主要包括三维运动的
工作台、激光器装置、送丝装置和控制系统。其中，送丝装置包括夹送辊轮对，夹送辊轮对的主动轮与步进电机连接，通过一个三维调节器控制送丝方向。控制系统包括多轴运动控制卡，多轴运动控制卡分别与步进电机、工作台驱动电机和激光装置连接。成型方法包括建模、指令转换、薄片成型和沉积成型等步骤，通过激光熔融金属丝，形成熔滴，熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件。
[0009] 但是，上述激光熔覆成型设备及方法主要存在以下三方面问题：
[0010] 第一、激光不能保护熔滴，需要在送丝嘴处通保护气体，保护气体容易冷却熔滴，对熔滴
凝固及分层成型产生不利影响，导致三维金属零件力学性能较低。
[0011] 第二、激光功率低且金属丝的直径大，难以实现陶瓷及其
复合材料零件的快速成型。
[0012] 第三、由于表面
张力原因，熔滴冷却凝固成型时产生圆形收缩，导致零件表面不光滑。
发明内容
[0013] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述
现有技术中的不足，提供一种等离子熔铸快速成型设备，其结构简单、设计合理且使用操作简便、成型效率高、使用效果好，无需密闭成型室，并且不需要保护气氛或真空环境，
工件成型过程直接在大气环境下进行。
[0014] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种等离子熔铸快速成型设备，其特征在于：由
监控系统、等离子束流加工系统和打印平台组成，所述打印平台包括供待成型工件放置的
水平打印台和对水平打印台的
位置进行调整的打印台位置调整装置，所述水平打印台安装于所述打印台位置调整装置上；
[0015] 所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的
等离子体发生器、对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节的打印距离调节装置、为所述
等离子体发生器提供工作气体的供气装置和用于连续送出被加工丝材的送丝装置组成；所述等离子体发生器位于水平打印台上方且其安装在所述打印距离调节装置上，所述送丝装置位于水平打印台上方且其位于所述等离子体发生器一侧；所述供气装置通过供气管与所述等离子体发生器上所开的进气口连接；所述被加工丝材的外端为熔化端，所述熔化端位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中
心轴线上；
[0016] 所述监控系统包括对所述打印台位置调整装置进行控制的位置调整
控制器、对待成型工件上表面
温度进行实时检测的温度检测单元、对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测单元和对所述打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器，所述位置调整控制器与所述打印台位置调整装置连接，所述打印距离调节控制器与所述打印距离调节装置连接，所述温度检测单元和距离检测单元均与打印距离调节控制器连接；所述温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置。
[0017] 上述一种等离子熔铸快速成型设备，其特征是：所述监控系统还包括对所述等离子体发生器进行控制的等离子发生控制器、对供气管的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元和对供气管上安装的流量调节
阀进行控制的气体流量控制器，所述等离子发生控制器与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元与气体流量控制器连接。
[0018] 上述一种等离子熔铸快速成型设备，其特征是：所述等离子体发生器包括等离子枪，所述喷头为等离子枪前端的
阳极喷嘴；所述等离子枪包括开有所述进气口的枪体、位于枪体正前方的阳极喷嘴和插装于枪体内的
阴极，所述阳极喷嘴位于阴极前侧，所述放电室位于阴极前侧且其位于阳极喷嘴的后部内侧，所述阳极喷嘴的前部内侧为喷口；所述阳极喷嘴、阴极和放电室均与枪体呈同轴布设；所述进气口位于枪体后侧，所述喷口与枪体呈同轴布设或与枪体中心轴线之间的夹
角为30°～45°。
[0019] 上述一种等离子熔铸快速成型设备，其特征是：所述送丝装置包括上部缠绕有被加工丝材的丝盘、对被加工丝材进行输送的
送丝机构和对所述送丝机构进行驱动的送丝驱动机构，所述送丝机构位于丝盘内侧且与所述送丝机构连接；所述丝盘同轴安装在
转轴上且能绕所述转轴进行转动。
[0020] 上述一种等离子熔铸快速成型设备，其特征是：所述送丝装置还包括对被加工丝材的送丝方向进行调节的三维调节
支架，所述送丝机构安装在三维调节支架上；所述送丝机构为送丝滚轮，所述送丝滚轮包括主动滚轮组和从动滚轮组，所述主动滚轮组包括两个均由送丝驱动机构进行驱动且转动方向相反的主动滚轮，所述从动滚轮组包括两个转动方向相反且分别位于被加工丝材两侧的从动滚轮，所述主动滚轮组位于所述从动滚轮组一侧，两个所述主动滚轮分别位于被加工丝材两侧；
[0021] 所述监控系统还包括对被加工丝材的送丝速度进行实时检测的速度检测单元和对送丝驱动机构进行控制的送丝速度控制器，所述速度检测单元与送丝速度控制器连接。
[0022] 上述一种等离子熔铸快速成型设备，其特征是：所述打印台位置调整装置为三轴数控机床；
[0023] 所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线与竖直面之间的夹角不大于45°；所述打印距离调节装置为沿所述等离子束的中心轴线对所述喷头进行上下调整的上下调整装置，所述距离检测单元为对沿所述等离子束的中心轴线从所述喷头的出口到水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测装置。
[0024] 同时，本发明还公开一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的等离子熔铸快速成型方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0025] 步骤一、待成型工件三维立体模型获取及分层切片处理：采用
数据处理设备且调用
图像处理模
块获取待成型工件的三维立体模型，再调用分层切片模块对待成型工件的三维立体模型进行分层切片，并获得多个分层截面图像；
[0026] 多个所述分层截面图像为对待成型工件的三维立体模型进行分层切片后获得多个分层截面的图像，多个所述分层截面由下至上均匀布设；
[0027] 步骤二、扫描路径填充：采用数据处理设备且调用所述图像处理模块，对步骤一中多个所述分层截面图像分别进行处理，并完成多个所述分层截面的扫描路径填充过程，获得多个所述分层截面的扫描路径；
[0028] 步骤三、打印路径获取：所述数据处理设备根据步骤二中获得的多个所述分层截面的扫描路径，获得多个所述分层截面的打印路径；每个所述分层截面的打印路径均与该分层截面的扫描路径相同；
[0029] 步骤四、由下至上逐层打印：根据步骤三中获得的多个所述分层截面的打印路径，由下至上逐层对待成型工件进行打印，获得由多个成型层由下至上堆叠而成的工件成品；所述成型层的数量与步骤一中所述分层截面的数量相同，多个所述成型层的布设位置分别与多个所述分层截面的布设位置一一对应且其层厚均相同，所述成型层的层厚与相邻两个所述分层截面之间的距离相同，步骤三中多个所述分层截面的打印路径分别为多个所述成型层的打印路径；对待成型工件进行打印时，过程如下：
[0030] 步骤401、底层打印：所述位置调整控制器根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，对所述打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台在水平面上进行移动；所述水平打印台移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至水平打印台上；待熔融液流均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0031] 本步骤中，当前所打印成型层为多个所述成型层中位于最底部的成型层；
[0032] 步骤402、上一层打印，包括以下步骤：
[0033] 步骤4021、水平打印台下移：所述位置调整控制器通过控制所述打印台位置调整装置，带动水平打印台在竖直方向上进行一次向下移动且向下移动高度与所述成型层的层厚相同；
[0034] 步骤4022、打印及同步温控：所述位置调整控制器根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，对所述打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台在水平面上进行移动；所述水平打印台移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上；待熔融液流均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0035] 本步骤中，所述水平打印台移动过程中，通过温度检测单元对当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至打印距离调节控制器，同时通过距离检测单元对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行实时检测并将所检测的距离信息同步传送至打印距离调节控制器；所述打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测的温度信息且通过控制所述打印距离调节装置对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度不高于待成型工件的材质熔点的0.6倍；
[0036] 步骤401和步骤4022中所述水平打印台移动过程中，所述送丝装置将被加工丝材连续送出，同时通过所述等离子束流加工系统产生的等离子束对被加工丝材的熔化端进行熔化，并使得所述熔化端熔化形成的熔融液滴连续并形成液流；所述液流分布于所述等离子束内，形成内带熔融液流的等离子束流；
[0037] 步骤403、多次重复步骤402，直至完成待成型工件所有成型层的打印过程。
[0038] 上述方法，其特征是：步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的材质熔点及打印距离
数据库，并结合通过参数输入单元预先输入的待成型工件的材质名称，对待成型工件的
基础打印距离进行确定；所述参数输入单元与所述数据处理设备相接；
[0039] 所述材质熔点及打印距离数据库中存储有多种材质的材质熔点及打印距离信息，每种所述材质的材质熔点及打印距离信息均包括该种材质的名称、熔点和基础打印距离；所述基础打印距离为5mm～1000mm，且材质熔点越高，基础打印距离越近；
[0040] 步骤401中进行底层打印之前，所述打印距离调节控制器根据距离检测单元所检测的距离信息且通过控制所述打印距离调节装置将所述喷头的出口与水平打印台之间的距离调节为所述基础打印距离；步骤401
中底层打印过程中，所述喷头的出口与水平打印台之间的距离为所述基础打印距离；
[0041] 步骤4022中进行打印及同步温控之前，所述打印距离调节控制器根据距离检测单元所检测的距离信息并
结合水平打印台的向下移动次数与每次向下移动高度，且通过控制所述打印距离调节装置将所述喷头的出口与当前已打印好的下一个所述成型层的上表面之间的距离调节为所述基础打印距离；步骤4022中对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节时，所述打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测的温度信息并结合距离检测单元所检测的距离信息对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面
温度控制在待成型工件的材质熔点的0.1倍～0.6倍之间；并且，对所述喷头的出口与水平打印台之间的距离进行调节时，调节幅度为5mm～60mm，且材质熔点越高，调节幅度越小。
[0042] 上述方法，其特征是：所述送丝装置包括上部缠绕有被加工丝材的丝盘、对被加工丝材进行输送的送丝机构和对所述送丝机构进行驱动的送丝驱动机构，所述送丝机构位于丝盘内侧且与所述送丝机构连接；所述丝盘同轴安装在转轴上且能绕所述转轴进行转动；
[0043] 所述监控系统还包括对所述等离子体发生器进行控制的等离子发生控制器、对供气管的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元、对供气管上安装的流量调节阀进行控制的气体流量控制器、对被加工丝材的送丝速度进行实时检测的速度检测单元和对送丝驱动机构进行控制的送丝速度控制器，所述速度检测单元与送丝速度控制器连接，所述等离子发生控制器与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元与气体流量控制器连接，所述距离检测单元与气体流量控制器连接；
[0044] 步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的气体流量及送丝速度数据库，并结合预先设定的所述成型层的层厚，对供气管的基础气体流量和所述送丝装置的送丝速度进行确定；
[0045] 所述气体流量及送丝速度数据库内存储有多种不同层厚的成型层所需的送丝速度和基础气体流量；所述基础气体流量为5ml/min～500ml/min，且所述送丝装置的送丝速度越大，所述基础气体流量越大；
[0046] 步骤401和步骤4022中所述水平打印台移动过程中，所述速度检测单元对所述送丝装置的送丝速度进行实时检测并将所检测信息同步传送至送丝速度控制器，所述送丝速度控制器根据预先确定的所述送丝装置的送丝速度并结合速度检测单元所检测信息对送丝驱动机构进行控制，使所述送丝装置的送丝速度均与预先确定的送丝速度相同；
[0047] 步骤401中进行底层打印之前，所述气体流量控制器根据气体流量检测单元所检测信息且通过控制流量调节阀将供气管的气体流量调整为所述基础气体流量；步骤401中底层打印过程中，所述供气管的气体流量为所述基础气体流量；
[0048] 步骤4022中进行打印及同步温控过程中，所述气体流量控制器根据气体流量检测单元所检测信息并结合距离检测单元所检测距离信息，且通过控制流量调节阀对供气管的气体流量进行增减调整；并且，所述喷头的出口与水平打印台之间的距离越大，所述供气管的气体流量越大。
[0049] 上述方法，其特征是：步骤401和步骤4022中所述水平打印台移动过程中，所述被加工丝材的送丝速度为0.1m/min～10m/min，所述被加工丝材的直径为0.02mm～10mm；所述被加工丝材的直径越大，送丝速度越慢；且被加工丝材的材质熔点越高，送丝速度越慢；
[0050] 步骤四中由下至上逐层打印之前，将被加工丝材的熔化端与水平打印台之间的距离调整为预先设定的送丝高度，所述送丝高度为5mm～1000mm；步骤四中由下至上逐层打印过程中，被加工丝材的熔化端位置不动。
[0051] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0052] 1、所采用的等离子熔铸快速成型设备结构简单、设计合理且投入成本较低、加工制作及安装布设方便。
[0053] 2、所采用的等离子熔铸快速成型设备无需密闭成型室，并且不需要保护气氛或真空环境，工件成型过程直接在大气环境下进行。因而，结构非常简单，并且成型零件尺寸不受限制，设备价格较低。
[0054] 3、等离子熔铸快速成型设备的打印材料(即被加工丝材)供给在能量源等离子束中(材料的液滴等离子束流)，不需要铺粉的成型缸系统不需要铺粉系统，仅需一个送丝装置即可，结构大幅度简化。
[0055] 4、所采用的等离子熔铸快速成型设备使用操作简便、智能化程度且成型效率高、使用效果好，所成型工件的
质量高。所采用的监控系统包括对打印台位置调整装置进行控制的位置调整控制器、对待成型工件上表面温度进行实时检测的温度检测单元、对喷头的出口与水平打印台之间的距离进行实时检测的距离检测单元和对打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器，位置调整控制器与打印台位置调整装置连接，打印距离调节控制器与打印距离调节装置连接，温度检测单元和距离检测单元均与打印距离调节控制器连接；温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置。实际使用过程中，温度调控系统中的打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测信息对打印距离调节装置进行控制，使得打印距离能自适应调节，这样既能防止因打印距离过近造成已打印完成的成型层再出现熔化的问题，并且也能防止因打印距离过远造成的成型
精度较低、熔融液流在喷至下一个打印层上表面之前发生凝固等问题，使得成型过程易于控制，且实现方便，同时能有效防止工件表面发生氧化，因而无需设置密闭的真空环境。另外，所采用的监控系统还包括气体流量自适应调节和送丝速度自适应调节功能，智能化程度高。
[0056] 5、等离子熔铸快速成型设备采用的能量源为等离子束，等离子束功率可达数十千瓦，能熔化金属、陶瓷、
树脂以及其它复合材料，实现上述材料零件的3D打印。产生等离子束的等离子发生器(具体是等离子枪)结构简单，运行维护成本低，设备成本低。
[0057] 6、等离子熔铸快速成型设备所打印材料的熔融液滴在等离子束流中，等离子束本身具有保护作用，再加上工作气体的作用，能有效防止打印材料的氧化，该设备不需要保护气氛或真空环境，直接在大气环境下使用，具有设备结构简单、运行成本低、成型零件尺寸不受限制等优点。
[0058] 7、等离子熔铸快速成型设备采用送丝装置将被加工丝材连续送至等离子束中，打印材料成本低。
[0059] 8、等离子熔铸快速成型设备打印时材料状态由液态凝固成固态，工艺过程简化，降低了3D打印的工艺难度和成本。同时，在工作气体(等离子束内含未电离的工作气体)的作用下，被加工丝材的熔化端在等离子束内加热并熔化成熔融状态形成微小的液滴，熔化后的熔融液滴连续并形成液流且随等离子束一并喷出，形成内带熔融液流的等离子束流；由于被加工丝材经熔化后形成的熔融液流随等离子束喷出后，形成内带打印材料熔融液流的微液流，形成浇铸式成型，避免了熔滴冷却凝固成型时产生的圆形收缩现象，零件力学性能高，表面光滑，降低了快速成型的工艺难度。
[0060] 9、所采用的等离子熔铸快速成型方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，等离子束具有保护作用，不需要保护气氛或真空环境，直接在大气环境下进行打印。并且，打印材料供给在能量源等离子束中(材料的熔融液流等离子束流)，不需要铺粉的成型缸系统。打印时，材料状态由液态凝固成固态，工艺过程简化，降低了3D打印的工艺难度和成本，并且打印零件不再受尺寸限制。由上述内容可知，本发明对传统的等离子堆焊方法进行本质上改进，现有的等离子堆焊方法一般均设置有等离子弧压调高器，等离子枪与工件表面的距离不大于15mm，适用范围受限。而本发明中，打印距离能在大范围内进行调节，适应不同材质打印需求，并且能有效保证工件成型质量。
[0061] 下面通过
附图和
实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0062] 图1为本发明等离子熔铸快速成型设备的结构示意图。
[0063] 图2为本发明实施例1中等离子枪的结构示意图。
[0064] 图3为本发明监控系统的
电路原理
框图。
[0065] 图4为本发明进气环的结构示意图。
[0066] 图5为本发明进气环本体的结构示意图。
[0067] 图6为本发明等离子熔铸快速成型方法的流程框图。
[0068] 图7为本发明实施例2中等离子枪的结构示意图。
[0069] 附图标记说明:
[0070] 1—供气装置； 2—被加工丝材； 3—待成型工件；
[0071] 4—水平打印台； 5—供气管； 6—丝盘；
[0072] 7—等离子发生控制器； 8—距离检测单元； 9—温度检测单元；
[0073] 10—打印距离调节控制器； 11—气体流量检测单元；
[0074] 12—气体流量控制器； 13—等离子枪； 13-1—枪体；
[0075] 13-2—阳极喷嘴； 13-3—阴极； 13-4—放电室；
[0076] 13-5—喷口； 13-6—绝缘层； 14—送丝驱动机构；
[0077] 15—位置调整控制器； 16—三轴数控机床； 17—上下调整装置；
[0078] 18—速度检测单元； 19—送丝滚轮； 20—送丝速度控制器；
[0079] 21—进气环； 21-1—进气环本体； 21-2—环形密封盖；
[0080] 21-3—环形进气槽； 21-4—外侧进气孔； 21-5—内侧进气孔；
[0081] 22—三维调节支架； 23—PC机； 24—流量调节阀。
具体实施方式
[0082] 如图1所示的一种等离子熔铸快速成型设备，由监控系统、等离子束流加工系统和打印平台组成，所述打印平台包括供待成型工件3放置的水平打印台4和对水平打印台4的位置进行调整的打印台位置调整装置，所述水平打印台4安装于所述打印台位置调整装置上。
[0083] 所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行调节的打印距离调节装置、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置1和用于连续送出被加工丝材2的送丝装置组成；所述等离子体发生器位于水平打印台4上方且其安装在所述打印距离调节装置上，所述送丝装置位于水平打印台4上方且其位于所述等离子体发生器一侧。所述供气装置1通过供气管5与所述等离子体发生器上所开的进气口连接。所述被加工丝材2的外端为熔化端，所述熔化端位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中心轴线上。所述被加工丝材2为打印材料。
[0084] 如图3所示，所述监控系统包括对所述打印台位置调整装置进行控制的位置调整控制器15、对待成型工件3上表面温度进行实时检测的温度检测单元9、对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行实时检测的距离检测单元8和对所述打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器10，所述位置调整控制器15与所述打印台位置调整装置连接，所述打印距离调节控制器10与所述打印距离调节装置连接，所述温度检测单元9和距离检测单元8均与打印距离调节控制器10连接。所述温度检测单元9与打印距离调节控制器10组成温度调控装置。所述温度检测单元9为对所述等离子束流加工系统在待成型工件3上的打印位置处温度进行实时检测的红外温度
传感器。所述距离检测单元8为激光测距传感器。
[0085] 本实施例中，所述监控系统还包括对所述等离子体发生器进行控制的等离子发生控制器7、对供气管5的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元11和对供气管5上安装的流量调节阀24进行控制的气体流量控制器12，所述等离子发生控制器7与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元11与气体流量控制器12连接。
[0086] 如图2所示，所述等离子体发生器包括等离子枪13，所述喷头为等离子枪13前端的阳极喷嘴13-2。所述等离子枪13包括开有所述进气口的枪体13-1、位于枪体13-1正前方的阳极喷嘴13-2和插装于枪体13-1内的阴极13-3，所述阳极喷嘴13-2位于阴极13-3前侧，所述放电室13-4位于阴极13-3前侧且其位于阳极喷嘴13-2的后部内侧，所述阳极喷嘴13-2的前部内侧为喷口13-5；所述阳极喷嘴13-2、阴极13-3和放电室13-4均与枪体13-1呈同轴布设；所述进气口位于枪体13-1后侧，所述喷口13-5与枪体13-1呈同轴布设或与所述枪体13-1中心轴线之间的夹角为30°～45°。
[0087] 实际使用时，所述等离子枪13安装在所述打印距离调节装置上。
[0088] 实际使用时，所述等离子枪13也可以采用常规的其它等离子枪。
[0089] 本实施例中，所述阳极喷嘴13-2和枪体13-1之间设置有绝缘层13-6。
[0090] 本实施例中，如图2所示，所述喷口13-5与枪体13-1呈同轴布设。
[0091] 本实施例中，所述供气管5通过进气环21与所述等离子体发生器上所开的进气口连接。并且，通过进气环21向所述等离子体发生器内均匀供气。
[0092] 如图4、图5所示，所述进气环21为圆环形且其包括进气环本体21-1和盖装在进气环本体21-1上的环形密封盖21-2，所述进气环本体21-1为圆环形且其内
侧壁上开有一个环形进气槽21-3，所述进气环本体21-1上开有一个与供气管5相接的外侧进气孔21-4且其内侧开有多个内侧进气孔21-5，多个所述内侧进气孔21-5沿圆周方向均匀布设且其均位于环形进气槽21-3内侧，所述外侧进气孔21-4位于环形进气槽21-3外侧，所述外侧进气孔21-4和多个所述内侧进气孔21-5均与环形进气槽21-3内部相通。
[0093] 并且，所述枪体13-1上沿圆周方向开有多个分别与多个所述内侧进气孔21-5相通的枪体进气孔。
[0094] 实际使用时，所述等离子枪13安装在所述打印距离调节装置上。
[0095] 如图2所示的等离子枪13使用过程中，所述放电室13-4内产生等离子体，所产生的等离子体形成等离子束并经喷口13-5喷出。
[0096] 本实施例中，所述工作气体为惰性气体或H2气。
[0097] 其中，惰性气体为Ar气、He气和N2气。
[0098] 本实施例中，所述打印台位置调整装置为三轴数控机床16。
[0099] 因而，所述位置调整控制器15为三轴数控机床16的控制器。
[0100] 实际使用时，所述打印台位置调整装置也可以采用其它能完成X、Y和Z轴三个方向运动的装置。
[0101] 实际使用过程中，所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线与竖直面之间的夹角不大于45°；所述打印距离调节装置为沿所述等离子束的中心轴线对所述喷头进行上下调整的上下调整装置17，所述距离检测单元8为对沿所述等离子束的中心轴线从所述喷头的出口到水平打印台4之间的距离进行实时检测的距离检测装置。
[0102] 本实施例中，所述上下调整装置17为Z轴方向调整装置。
[0103] 并且，所述上下调整装置17为伸缩
液压缸。
[0104] 本实施例中，所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线呈竖直向布设。实际使用时，可根据具体需要，对所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线与竖直面之间的夹角进行相应调整。
[0105] 本实施例中，所述送丝装置包括上部缠绕有被加工丝材2的丝盘6、对被加工丝材2进行输送的送丝机构和对所述送丝机构进行驱动的送丝驱动机构14，所述送丝机构位于丝盘6内侧且与所述送丝机构连接；所述丝盘6同轴安装在转轴上且能绕所述转轴进行转动。
[0106] 同时，所述送丝装置还包括对被加工丝材2的送丝方向进行调节的三维调节支架22，所述送丝机构安装在三维调节支架22上。实际使用时，通过所述三维调节支架22分别在X轴、Y轴和Z轴方向上对被加工丝材2的送丝方向进行调节。
[0107] 本实施例中，所述送丝机构为送丝滚轮19，所述送丝滚轮19包括主动滚轮组和从动滚轮组，所述主动滚轮组包括两个均由送丝驱动机构14进行驱动且转动方向相反的主动滚轮，所述从动滚轮组包括两个转动方向相反且分别位于被加工丝材2两侧的从动滚轮，所述主动滚轮组位于所述从动滚轮组一侧，两个所述主动滚轮分别位于被加工丝材2两侧。
[0108] 本实施例中，所述送丝驱动机构14为步进电机。实际使用过程中，通过改变所述步进电机的转速，对所述送丝装置的送丝速度进行简便、快速调整。
[0109] 并且，所述送丝装置的送丝速度为匀速。
[0110] 本实施例中，所述监控系统还包括对被加工丝材2的送丝速度进行实时检测的速度检测单元18和对送丝驱动机构14进行控制的送丝速度控制器20，所述速度检测单元18与送丝速度控制器20连接。
[0111] 实际使用时，所述监控系统还包括分别对水平打印台4在X轴、Y轴和Z轴方向上的位移进行实时检测的第一位移检测单元、第二位移检测单元和第三位移检测单元，所述第一位移检测单元、第二位移检测单元和第三位移检测单元均与位置调整控制器15连接。
[0112] 本实施例中，所述等离子发生控制器7、气体流量控制器12、位置调整控制器15、打印距离调节控制器10和送丝速度控制器20均与所述数据处理设备相接，所述数据处理设备为PC机23。所述供气装置1由PC机23进行启停控制。
[0113] 如图6所示的一种等离子束熔铸快速成型方法，包括以下步骤：
[0114] 步骤一、待成型工件三维立体模型获取及分层切片处理：采用数据处理设备且调用图像处理模块获取待成型工件3的三维立体模型，再调用分层切片模块对待成型工件3的三维立体模型进行分层切片，并获得多个分层截面图像；
[0115] 多个所述分层截面图像为对待成型工件3的三维立体模型进行分层切片后获得多个分层截面的图像，多个所述分层截面由下至上均匀布设；
[0116] 步骤二、扫描路径填充：采用数据处理设备且调用所述图像处理模块，对步骤一中多个所述分层截面图像分别进行处理，并完成多个所述分层截面的扫描路径填充过程，获得多个所述分层截面的扫描路径；
[0117] 步骤三、打印路径获取：所述数据处理设备根据步骤二中获得的多个所述分层截面的扫描路径，获得多个所述分层截面的打印路径；每个所述分层截面的打印路径均与该分层截面的扫描路径相同；
[0118] 步骤四、由下至上逐层打印：根据步骤三中获得的多个所述分层截面的打印路径，由下至上逐层对待成型工件3进行打印，获得由多个成型层由下至上堆叠而成的工件成品；所述成型层的数量与步骤一中所述分层截面的数量相同，多个所述成型层的布设位置分别与多个所述分层截面的布设位置一一对应且其层厚均相同，所述成型层的层厚与相邻两个所述分层截面之间的距离相同，步骤三中多个所述分层截面的打印路径分别为多个所述成型层的打印路径；多个所述成型层的打印方法均相同；对待成型工件3进行打印时，过程如下：
[0119] 步骤401、底层打印：所述位置调整控制器15根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，对所述打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台4在水平面上进行移动；所述水平打印台4移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至水平打印台4上；待熔融液流(具体是流至水平打印台4上的熔融液流)均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0120] 本步骤中，当前所打印成型层为多个所述成型层中位于最底部的成型层；
[0121] 步骤402、上一层打印，包括以下步骤：
[0122] 步骤4021、水平打印台下移：所述位置调整控制器15通过控制所述打印台位置调整装置，带动水平打印台4在竖直方向上进行一次向下移动且向下移动高度与所述成型层的层厚相同；
[0123] 步骤4022、打印及同步温控：所述位置调整控制器15根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，对所述打印台位置调整装置进行控制并带动水平打印台4在水平面上进行移动；所述水平打印台4移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上；待熔融液流(具体是流至当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上的熔融液流)均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0124] 本步骤中，所述水平打印台4移动过程中，通过温度检测单元9对当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至打印距离调节控制器10，同时通过距离检测单元8对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行实时检测并将所检测的距离信息同步传送至打印距离调节控制器10；所述打印距离调节控制器10根据温度检测单元9所检测的温度信息且通过控制所述打印距离调节装置对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行调节，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度不高于待成型工件3的材质熔点的0.6倍；
[0125] 步骤401和步骤4022中所述水平打印台4移动过程中，所述送丝装置将被加工丝材2连续送出，同时通过所述等离子束流加工系统产生的等离子束对被加工丝材2的熔化端进行熔化，并使得所述熔化端熔化形成的熔融液滴连续并形成液流；所述液流分布于所述等离子束内，形成内带熔融液流的等离子束流。并且，所述熔融液流在所述工作气体(等离子束内含未电离的工作气体)的作用下沿所述等离子束的中心轴线移动；
[0126] 步骤403、多次重复步骤402，直至完成待成型工件3所有成型层的打印过程。
[0127] 实际使用过程中，所述送丝装置为同步送丝装置。
[0128] 步骤401中所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至水平打印台4上时，内带的熔融液流同步流至水平打印台4上。步骤4022中所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上时，内带的熔融液流同步流至当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上。
[0129] 本实施例中，步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的材质熔点及打印距离数据库，并结合通过参数输入单元预先输入的待成型工件3的材质名称，对待成型工件3的基础打印距离进行确定；所述参数输入单元与所述数据处理设备相接；
[0130] 所述材质熔点及打印距离数据库中存储有多种材质的材质熔点及打印距离信息，每种所述材质的材质熔点及打印距离信息均包括该种材质的名称、熔点和基础打印距离；所述基础打印距离为5mm～1000mm，且材质熔点越高，基础打印距离越近；
[0131] 步骤401中进行底层打印之前，所述打印距离调节控制器10根据距离检测单元8所检测的距离信息且通过控制所述打印距离调节装置将所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离调节为所述基础打印距离；步骤401中底层打印过程中，所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离为所述基础打印距离；
[0132] 步骤4022中进行打印及同步温控之前，所述打印距离调节控制器10根据距离检测单元8所检测的距离信息并结合水平打印台4的向下移动次数与每次向下移动高度，且通过控制所述打印距离调节装置将所述喷头的出口与当前已打印好的下一个所述成型层的上表面之间的距离调节为所述基础打印距离；步骤4022中对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行调节时，所述打印距离调节控制器10根据温度检测单元9所检测的温度信息并结合距离检测单元8所检测的距离信息对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行调节，使当前已打印好的下一个所述成型层的上表面温度控制在待成型工件3的材质熔点的0.1倍～0.6倍之间；并且，对所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离进行调节时，调节幅度为5mm～60mm，且材质熔点越高，调节幅度越小。
[0133] 本实施例中，步骤四中由下至上逐层打印之前，步骤一中所述数据处理设备先根据预先建立的气体流量及送丝速度数据库，并结合预先设定的所述成型层的层厚，对供气管5的基础气体流量和所述送丝装置的送丝速度进行确定；
[0134] 所述气体流量及送丝速度数据库内存储有多种不同层厚的成型层所需的送丝速度和基础气体流量；所述基础气体流量为5ml/min～500ml/min，且所述送丝装置的送丝速度越大，所述基础气体流量越大；
[0135] 步骤401和步骤4022中所述水平打印台4移动过程中，所述速度检测单元18对所述送丝装置的送丝速度进行实时检测并将所检测信息同步传送至送丝速度控制器20，所述送丝速度控制器20根据预先确定的所述送丝装置的送丝速度并结合速度检测单元18所检测信息对送丝驱动机构14进行控制，使所述送丝装置的送丝速度均与预先确定的送丝速度相同；
[0136] 步骤401中进行底层打印之前，所述气体流量控制器12根据气体流量检测单元11所检测信息且通过控制流量调节阀24将供气管5的气体流量调整为所述基础气体流量；步骤401中底层打印过程中，所述供气管5的气体流量为所述基础气体流量；
[0137] 步骤4022中进行打印及同步温控过程中，所述气体流量控制器12根据气体流量检测单元11所检测信息并结合距离检测单元8所检测距离信息，且通过控制流量调节阀24对供气管5的气体流量进行增减调整；并且，所述喷头的出口与水平打印台4之间的距离越大，所述供气管5的气体流量越大。
[0138] 本实施例中，获取所述待成型工件3的三维立体模型时，利用pro/e、UG、CATIA等三维制图软件设计出待成型工件3的三维立体模型(即三维实体模型)，再通过所述分层切片模块对该三维立体模型进行分层切片，并得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，相应获得三轴数控机床16的打印路径(即各分层截面的打印路径)。因而，步骤一和步骤二中所采用的方法，与常规激光选区熔化成型或
电子束选区熔化成型采用的方法相同。之后，所述三轴数控机床16根据所获得的打印路径在水平面上进行X和Y轴方向运动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至水平打印台4上或当前已打印好的下一个所述成型层的上表面上；待熔融液流均凝固后，完成一个成型层的打印过程；然后，所述三轴数控机床16在Z轴方向上下降，逐层打印，从而完成三维零件的打印过程。
[0139] 本实施例中，步骤401和步骤4022中所述水平打印台4移动过程中，所述被加工丝材2的直径为0.02mm～10mm，所述被加工丝材2的送丝速度为0.1m～10m/min。其中，被加工丝材2的直径越大，送丝速度越慢；且被加工丝材2的材质熔点越高，送丝速度越慢。
[0140] 所述被加工丝材2的熔化端与打印工作面之间的距离为5mm～1000mm。其中，打印工作面为当前所打印成型层所处的平面，被加工丝材2的熔化端与所述打印工作面之间的距离为送丝高度。
[0141] 步骤四中由下至上逐层打印之前，将被加工丝材2的熔化端与水平打印台4之间的距离调整为预先设定的送丝高度，所述送丝高度为5mm～1000mm；步骤四中由下至上逐层打印过程中，被加工丝材2的熔化端位置不动。步骤401中被加工丝材2的熔化端与水平打印台4之间的距离为送丝高度，步骤4022中被加工丝材2的熔化端与当前已打印好的下一个所述成型层上表面之间的距离为送丝高度。
[0142] 实施例2
[0143] 本实施例中，如图7所示，所采用的等离子熔铸快速成型设备与实施例1不同的是：所述喷口13-5与枪体13-1中心轴线之间的夹角为30°～45°。
[0144] 这样，通
过喷口13-5对所述等离子束的方向进行改变后，能有效减少等离子射流对阳极喷嘴13-2产生的热负荷冲击，改善了阳极烧蚀状况。
[0145] 本实施例中，所采用等离子熔铸快速成型设备的其余部分结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
[0146] 本实施例中，所采用的等离子熔铸快速成型方法与实施例1相同。
[0147] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
