本發明涉及一種大型3D激光打印設備和打印方法。

背景技術：

金屬送粉3D打印技術是一種以數字模型為基礎，運用軟件來使模型切片、生成軌跡，通過使金屬粉末熔化，特別運用激光使金屬粉末熔融，通過逐層打印的方式來打印出工件。金屬送粉3D打印技術利用軟件將三維模型逐層切片，再將切片轉化為機床運動軌跡，機床帶動3D打印頭按照軌跡逐層打印。

對于大型工件，由于對參數的要求一致性高，打印機床工作時間長，因此對機床穩定性要求極高。由于機床工作時間長，不排除各種因素致使打印工件的質量不夠穩定，如機床結構不穩定，控制系統不穩定。另外，大型工件的上、下料也是一件非常不方便的工作，特別裝載有氣氛系統體。所以3D打印機床的穩定性和上、下料方便是很重要的考量因素。

另外，3D打印大型工件時，打印成本高，在打印工作中，由于各種原因致使工藝參數不穩定，打印時間長，很難被察覺，致使工件不合格，或者完全報廢。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷而提供一種大型3D激光打印設備和打印方法，它的穩定性高，適合長時間穩定工作，并且方便上下料。

實現上述目的的一種技術方案是：一種大型3D激光打印設備，包括開放結構的機床、氣氛箱體、激光打印頭、送粉機、機床數控系統、打印質量監控系統和激光發生器，其中，

所述機床包括底座和懸臂梁，其中，所述底座的一個側面一體化地固定連接一個懸臂梁支撐座；該底座上設有X軸滑動機構，所述X軸滑動機構上安裝一工作平臺，該工作平臺的中部設有Z軸滑動機構，該Z軸滑動機構上設有鋪 粉底板；所述懸臂梁包括一體化結構且呈倒L形的立柱和橫梁，并且立柱的下端固定安裝在所述懸臂梁支撐座上，所述橫梁上設有Y軸滑動機構；

所述氣氛箱體安裝在所述工作平臺的中部，該氣氛箱體將所述鋪粉底板封閉在內；

所述激光打印頭安裝在所述Y軸滑動機構上并向下伸進所述氣氛箱體內；

所述機床數控系統安裝在懸臂梁支撐座上或立柱上；

所述送粉機、打印質量監控系統和激光發生器均安裝在所述底座的一旁并與所述懸臂梁支撐座位于同一側；所述激光發生器通過光釬與激光打印頭光路連接；所述打印質量監控系統分別與送粉機、機床數控系統和激光發生器通信連接。

上述的大型3D激光打印設備，其中，所述底座與懸臂梁支撐座可以采用鑄造或焊接形成一體化結構，也可以采用整體大理石結構。

上述的大型3D激光打印設備，其中，所述橫梁與立柱的連接處設有加強筋板。

上述的大型3D激光打印設備，其中，所述氣氛箱體的四周均開有手套孔。

實現上述目的的另一種技術方案是：一種大型3D激光打印方法，執行于上述的大型3D激光打印設備，所述打印方法包括以下步驟：

S001，在激光打印頭上或者是光纖光路中安裝光敏傳感器和光電傳感器，將光敏傳感器搜集到的激光打印工件時的反射光通過光電傳感器轉換為電信號，并將這些電信號存儲在工控機的數據庫里；

S002，根據不同的打印材料、激光功率、激光焦點進行反復打印試驗，在數據庫中設定不同的打印材料的打印質量合格品的激光打印參數的范圍；

S0031，根據不同的打印材料，選用各種打印材料的正常激光參數，進行打印試驗，然后在數據庫里確定與各種打印材料對應的特性光電曲線；

S0032，選取各種打印材料的正常激光打印參數，再逐個改變激光打印參數進行打印試驗，然后在數據庫里確定打印質量合格品的激光打印參數的范圍；

S0033，選取各種打印材料的正常激光打印參數，改變送粉量進行打印試驗，然后在數據庫里確定打印質量合格品的送粉量參數的范圍；

S004，根據S0031確定的特性光電曲線、S0032確定的激光打印參數的范 圍和S0033確定的送粉量參數的范圍擬合最優光電曲線；

S005，在數據庫里確定不同的打印材料的打印質量合格品的光電曲線范圍，這些光電曲線分布在最優光電曲線的兩側；

S006，開始打印工作，根據激光打印參數和打印效果生成實時光電曲線；

S007，將實時光電曲線與最優光電曲線進行比較；

S008，判斷實時光電曲線如果在最優光電曲線之內，即認為產品打印合格，進入S0010；判斷實時光電曲線如果在最優光電曲線之外，即認為產品打印不合格，打印質量監控系統報警，即進入S009；

S009，先人工干預或機床數控系統自動調整機床的運動參數，再重新回到S006開始打印；

S0010，繼續打印，完成產品。

上述的大型3D激光打印方法，其中，進行S0032時，所述激光打印參數包括激光離焦量、激光功率、氬氣氣壓、速度和氣氛箱體內的含氧量。

上述的大型3D激光打印方法，其中，進行S009時，所述機床數控系統也可以連續調整機床的運動參數并打印，若打印產品還是不合格，即一定要人工干預，并在檢查設備后再重新回到S006開始打印。

本發明的大型3D激光打印設備具有以下優點：1)采用穩定、可靠的開放結構的懸臂式機床，非常適合金屬3D打印大型工件的需要；2)懸臂式機床非常方便上、下料，特別是有氣氛箱體安裝的機床上，并且在氣氛箱體的四周均開設手套孔；3)布局合理、結構緊湊、節省空間。

本發明的大型3D激光打印方法，采用在3D激光打印設備安裝打印質量監控系統，不僅能實時監控打印品的質量，并通過與機床數控系統通信，將監測的結果實時反饋給機床數控系統，由機床控制系統控制機床打印的進程；從而控制3D打印工件的質量，因此能減少大型工件打印的不合率，減少生產損失。

附圖說明

圖1是本發明的大型3D激光打印設備的立體圖；

圖2是本發明的大型3D激光打印設備中的底座的立體圖；

圖3是本發明的大型3D激光打印設備中的懸臂梁的立體圖；

圖4是本發明的大型3D激光打印方法的流程圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步說明。

請參閱圖1至圖3，本發明的大型3D激光打印設備，包括開放結構的機床1、氣氛箱體2、激光打印頭3、送粉機4、機床數控系統5、打印質量監控系統6和激光發生器7，還包括水路系統和氣路系統。

機床1包括底座11和懸臂梁14，其中：該底座11的一個側面一體化地固定連接一個懸臂梁支撐座12；底座11與懸臂梁支撐座12可以采用鑄造或焊接形成一體化結構，也可以采用整體大理石結構；懸臂梁支撐座12一般位于底座11的中間位置，也可位于底座11的前部或后部。一體化底座結構，能保證底座的高剛性與結構緊湊，并且可以平衡懸臂梁14的支撐力矩，結構合理。

底座11上設有X軸滑動機構110；

X軸滑動機構110上安裝一工作平臺13，該工作平臺13的中部設有Z軸滑動機構(圖中未示)，該Z軸滑動機構上設有鋪粉底板(圖中未示)；

懸臂梁14包括一體化結構且呈倒L形的立柱141和橫梁142，并且立柱141的下端固定安裝在懸臂梁支撐座12上；橫梁142與立柱141采用高鋼性連接，可采用鑄造或焊接，并且在連接處設有加強筋板143，保證了懸臂梁14的高剛性及高穩定性；橫梁142上設有Y軸滑動機構140；

氣氛箱體2安裝在工作平臺13的中部，該氣氛箱體2將鋪粉底板封閉在內；該氣氛箱體2的四周均開有手套孔，由于氣氛箱體是全封閉，因此在每個手套孔中均用橡膠手套塞在手套孔中，既能將手套孔密封，又能方便操作工將手伸入氣氛箱體拿取打印工件，因此能在氣氛箱體2的四周進行上、下料，同時，也能保證機床在在工作平臺區域內都可以加工；

激光打印頭3安裝在Y軸滑動機構140上并向下伸進氣氛箱體2內；

送粉機4、打印質量監控系統6和激光發生器7均安裝在底座11的一旁并與懸臂梁支撐座12位于同一側；

送粉機4進行送粉控制；

機床數控系統5安裝在懸臂梁支撐座12上或立柱141上，非常方便操作并節約空間；

打印質量監控系統6與送粉機4、機床數控系統5和激光發生器7通信連接；

打印質量監控系統6能實時監控打印品的質量，并通過與機床數控系統5通信，將監測的結果實時反饋給機床數控系統，由機床控制系統控制機床打印的進程；

激光發生器7通過光釬與激光打印頭3光路連接；

本發明的大型3D激光打印設備，采用開放性結構的機床，不僅非常方便上、下料，適合大型零件的打印，而且采用組合式一體化結構的底座，懸臂梁也采用L型的一體化整體結構，這種結構剛性高，穩定性好，懸臂梁不會受力產生微小變形，從結構上很好地保證了3D打印效果的穩定。本發明的大型3D激光打印設備，由X軸滑動機構帶動工作平臺與氣氛箱體在底座上移動，Y軸滑動機構在懸臂梁的橫梁上運動，Z軸滑動機構根據工件的大小上下運動。由于3D打印時穩定性要求高的特點，本發明的機床結構能很好地滿足該特點。

再請參閱圖4，本發明的大型3D激光打印方法，執行于上述本發明的大型3D激光打印設備，打印方法包括以下步驟：

S001，在激光打印頭上或者是光纖光路中安裝光敏傳感器和光電傳感器，將光敏傳感器搜集到的激光打印工件時的反射光通過光電傳感器轉換為電信號，不同的反射光曲線對應不同的電信號曲線，并將這些電信號存儲在工控機的數據庫里；

S002，根據不同的打印材料、激光功率、激光焦點進行反復打印試驗，在數據庫中設定不同的打印材料的打印質量合格品的激光打印參數的范圍；

S0031，根據不同的打印材料，選用各種打印材料的正常激光參數，進行打印試驗，然后在數據庫里確定與各種打印材料對應的特性光電曲線；

S0032，選取各種打印材料的正常激光打印參數，再逐個改變激光打印參數進行打印試驗，激光打印參數包括激光離焦量、激光功率、氬氣氣壓、速度和氣氛箱體內的含氧量，然后在數據庫里確定打印質量合格品的激光打印參數的范圍；

S0033，選取各種打印材料的正常激光打印參數，改變送粉量進行打印試驗，然后在數據庫里確定打印質量合格品的送粉量參數的范圍；

S004，根據S0031確定的特性光電曲線、S0032確定的激光打印參數的范圍和S0033確定的送粉量參數的范圍擬合最優光電曲線，該最優光電曲線對應打印質量合格品的最優激光打印參數；

S005，在數據庫里確定不同的打印材料的打印質量合格品的光電曲線范圍，這些光電曲線分布在最優光電曲線的兩側；

S006，開始打印工作，只要激光發出，根據激光打印參數和打印效果生成實時光電曲線；

S007，將實時光電曲線與數據庫里擬合的最優光電曲線進行比較；

S008，判斷實時光電曲線如果在最優光電曲線之內，即認為產品打印合格，進入S0010；判斷實時光電曲線如果在最優光電曲線之外，即認為產品打印不合格，打印質量監控系統報警，即進入S009；

S009，先人工干預或機床數控系統自動調整X軸滑動機構、Y軸滑動機構和Z軸滑動機構的運動參數，再重新回到S006開始打印；機床數控系統也可以連續調整機床的運動參數并打印，若打印產品還是不合格，即一定要人工干預，并在檢查設備后再重新回到S006開始打印；

S0010，繼續打印，完成產品。

本發明的大型3D激光打印方法，采用在3D激光打印設備安裝打印質量監控系統，不僅能實時監控打印品的質量，并通過與機床數控系統通信，將監測的結果實時反饋給機床數控系統，由機床控制系統控制機床打印的進程；從而控制3D打印工件的質量，因此能減少大型工件打印的不合率，減少生產損失。

以上實施例僅供說明本發明之用，而非對本發明的限制，有關技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案也應該屬于本發明的范疇，應由各權利要求所限定。