一种模具等离子3D打印再制造设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种模具等离子3D打印再制造设备及方法，该设备由监控系统、等离子束流加工系统、对待修复模具进行机加工的机加工装置、供待修复模具放置的水平打印台和对待修复模具进行临时固定的临时固定件组成，等离子束流加工系统由等离子体发生器、打印位置调整装置、供气装置和送粉器组成；监控系统包括水平移动控制器、温度检测单元、距离检测单元、打印距离调节控制器和旋转控制器，温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置；该再制造方法包括步骤：一、模具缺陷检测；二、模具修复。本发明专利技术设计合理、操作简便且效率高、使用效果好，无需密闭成型室，修复过程直接在大气环境下进行，修复后模具质量好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于快速成型
，尤其是涉及一种模具等离子3D打印再制造设备及方法。
技术介绍
模具是指工业生产上用以注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压等方法得到所需产品的各种模子和工具。简而言之，模具是用来成型产品的工具。模具的成型面是指用以成型制品(也称产品)的表面，成型面为直接与所成型制品接触的表面。其中，型腔的成型面是指用以成型制品的外表面，而型芯的成型面则是用以成型制品的内表面。模具成型面的加工质量、加工精度及使用性能均要求较高，直接决定所成型制品的加工质量和加工精度，在机械加工中，模具成型面需经机加工、清洗、打磨等多个工序才能加工完成。模具使用过程中，需对成型面进行有效保护，一旦成型面出现破损、开裂、磨损等缺陷，则直接影响模具的成型效果，甚至导致模具报废。由于模具是产品成型加工中的重要工具，费用占产品成本的10％～30％。模具的失效形式有表面磨损、表面剥落、崩角、表面裂纹等，模具失效导致产品不合格与模具报废。产品不合格使直接生产成本提高；制造新模代替失效模具的费用巨大、生产周期长，模具失效部分仅占模具的很少一部分，模具报废导致巨大的资源浪费。为了降低产品成本，节约资源，对模具失效部位进行再制造是模具使用单位的常用方法。目前，对模具进行再制造时，主要采用的是激光熔覆方法。如2007年10月11日公开的公开号为CN101054667A的中国专利技术专利“激光修复高硬度发动机制件报废模具的材料和制法及应用”中，公开了一种采用激光熔覆再制造的方法修复高硬度发动机制件报废模具。2011年5月4日公开的公开号为CN102041502A的中国专利技术专利“表面熔覆技术在模具修复中的应用”中，公开了一种采用激光熔覆再制造修复模具的方法。2011年9月14日公开的公开号为CN102248164A的中国专利技术专利“一种激光微区再制造梯度功能模具的方法”中，公开了一种采用同轴送粉激光熔覆再制造合成梯度功能层修复模具的方法。2012年1月25日公开的公开号为CN102330084A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种采用激光熔覆修复模具的方法。2012年3月14日公开的公开号为CN102373468A的中国专利技术专利申请文件中，公开了一种采用宽带激光熔覆修复或进行表面强化模具的方法。2012年10月17日公开的公开号为CN102732831A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种激光修复汽车模具的工艺，先对模具进行低温预热，然后对磨损部位型腔进行编程再制定工艺进行修复，同时也公开了一种修复用的Fe基合金粉末。2013年3月27日公开的公开号为CN102995001A的中国分明专利申请文件中公开了一种采用激光熔覆修复模具疲劳裂纹的方法，对小于0.5mm和大于等于0.5mm的裂纹采用不同的裂纹加工处理工艺和激光熔覆工艺。2013年12月25日公开的公开号为CN103469198A的中国专利技术专利申请文件中公开一种汽车变速箱齿轮热锻模具激光再制造修复工艺，采用合金粉末，对模具熔覆后进行探伤检验。2014年1月22日公开的公开号为CN103521923A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种激光熔丝修复模具的方法，需要对模具进行预热。2014年12月24日公开的公开号为CN104233289A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种采用高耐磨性激光熔覆材料修复模具的方法，需要对模具进行预热，熔覆后采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，在激光熔覆过程中对模具进行震动失效处理。但目前，所采用的激光熔覆再制造模具的方法，主要存在以下三方面问题：第一、激光熔覆设备价格昂贵，同时，由于设备核心器件激光器系统的寿命短、价格高，更换、维护成本高，使得采用激光熔覆再制造模具的成本非常高；第二、模具的力学性能要求很高，激光熔覆后为了达到良好的性能，要求金属粉末具有良好的流动性，一般应采用球形金属粉末，导致激光熔覆再制造模具的材料成本高；第三、激光熔覆再制造模具过程中，需要对熔池进行惰性气氛保护或全部过程在保护气氛中进行。如果对熔池进行惰性气氛保护，熔池降温过快，使熔覆层应力较高，同时，也容易导致粉末材料飞散，使熔化不充分，导致再制造的模具性能差，甚至开裂报废，并且效率低。另外，现如今对模具进行再制造时，还存在堆焊法。如2010年6月16日公开的公开号为CN101733512A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种高合金冷作模具快速焊补修复再制造方法，其对模具进行300℃～370℃预热，然后采用焊丝钨极氩弧焊方法进行堆焊修复，堆焊后进行300℃～370℃的回火去应力热处理。2011年11月16日公开的公开号为CN102240872A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种热锻模具堆焊修复及再制造用特种焊条，可以不进行模具预热和焊后热处理，修复后硬度为35～45HRC。2012年7月18日公开的公开号为CN102581543A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种热锻模具的修复方法，首先将模具膛内的疲劳层去掉，然后用焊丝将模膛堆焊至将模膛填充满，最后加工成型。2012年12月26日公开的公开号为CN102837106A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种冲压模具的修复工艺，首先对模具进行热处理，然后采用焊条堆焊，最后进行回火处理。2013年7月3日公开的公开号为CN103182618A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种辊锻模具堆焊制造修复工艺，首先对模具进行热处理，然后逐层堆焊硬度逐渐升高的打底层、过渡层和工作层，最后进行回火处理，并随炉冷却至90℃～190℃出炉。但目前，所采用的堆焊再制造模具的方法，主要存在以下两方面问题：第一、堆焊再制造模具由于局部热输入量高、过程可控性差，一般需要预热和回火热处理，同时，难以堆焊力学性能超过模具材料本身的材料，导致堆焊再制造的模具工艺复杂、性能差；第二、堆焊再制造模具表面粗糙度高，特别是有些模具需要将模膛堆焊至将模膛填充满、最后加工成型，堆焊材料消耗量过高、成本高，加工余量大。2014年12月24日公开的公开号为CN104233159A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种锻造模具的再制造工艺，通过对模具进行表面处理，然后采用等离子喷涂Ni60A-ZrO2涂层进行模具再制造。2015年3月25日公开的公开号为CN104451523A的中国专利技术专利申请文件中公开了一种轮胎模具的再制造工艺，通过对模具进行表面处理，然后采用超音速火焰喷涂W-Cr-Co涂层进行模具再制造。但上述采用喷涂方法对模具进行再制造时，喷涂涂层与模具本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模具等离子3D打印再制造设备，其特征在于：由监控系统、等离子束流加工系统、对待修复模具(3)进行机加工的机加工装置(27)、供待修复模具(3)放置的水平打印台(4)和对待修复模具(3)进行临时固定的临时固定件组成；所述机加工装置(27)位于水平打印台(4)上方；所述临时固定件布设在水平打印台(4)上；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、对所述等离子体发生器的位置进行调整的打印位置调整装置、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置(1)和用于连续向所述等离子体发生器内送入打印材料的送粉器(2)组成，所述等离子体发生器位于水平打印台(4)上方；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；所述等离子体发生器内设置有供所述粉末流通的粉末流通通道(14)，所述粉末流通通道(14)与所述等离子体发生器内的放电室(13‑4)内部相通且其与所述进气口连通，所述粉末流通通道的外端口为进粉口(22)，所述送粉器(2)的送粉口通过送粉管(6)与进粉口(22)连接；所述打印位置调整装置包括带动所述等离子体发生器在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等离子体发生器与所述水平移动装置同步移动并相应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，所述等离子体发生器安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打印距离调节装置上；所述监控系统包括对所述水平移动装置进行控制的水平移动控制器(24)、对所述等离子束流加工系统在待修复模具(3)上的加工位置处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)，所述水平移动控制器(24)与所述水平移动装置连接，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。...

【技术特征摘要】
1.一种模具等离子3D打印再制造设备，其特征在于：由监控系统、
等离子束流加工系统、对待修复模具(3)进行机加工的机加工装置(27)、
供待修复模具(3)放置的水平打印台(4)和对待修复模具(3)进行临
时固定的临时固定件组成；所述机加工装置(27)位于水平打印台(4)
上方；所述临时固定件布设在水平打印台(4)上；
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、对所述等离子体发生器的位置进行调整的打印位置调整装
置、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置(1)和用于连续向
所述等离子体发生器内送入打印材料的送粉器(2)组成，所述等离子体
发生器位于水平打印台(4)上方；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；所述等离子体发生器内设置
有供所述粉末流通的粉末流通通道(14)，所述粉末流通通道(14)与所
述等离子体发生器内的放电室(13-4)内部相通且其与所述进气口连通，
所述粉末流通通道的外端口为进粉口(22)，所述送粉器(2)的送粉口
通过送粉管(6)与进粉口(22)连接；所述打印位置调整装置包括带动
所述等离子体发生器在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等
离子体发生器与所述水平移动装置同步移动并相应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，所述等离子
体发生器安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打
印距离调节装置上；
所述监控系统包括对所述水平移动装置进行控制的水平移动控制器
(24)、对所述等离子束流加工系统在待修复模具(3)上的加工位置处
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)，所述水平移动控制器(24)
与所述水平移动装置连接，所述打印距离调节控制器(10)与所述打印距

\t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。
2.按照权利要求1所述的一种模具等离子3D打印再制造设备，其特
征在于：所述待修复模具(3)为存在局部缺陷和/或表面磨损缺陷的模具，
所述局部缺陷为待修复模具(3)的成型面上存在破损或开裂，所述表面
磨损缺陷为待修复模具(3)的成型面存在磨损；所述水平打印台(4)的
上方设置有对待修复模具(3)上存在的缺陷进行检测的超声波检测装置
(28)或三维激光扫描仪。
3.按照权利要求1或2所述的一种模具等离子3D打印再制造设备，
其特征在于：所述送粉器(2)包括上部开有进料口的外壳和安装在所述
外壳内的送粉轮，所述送粉轮由驱动电机(19)进行驱动；所述送粉口位
于所述外壳下部；
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(25)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。
4.按照权利要求1或2所述的一种模具等离子3D打印再制造设备，
其特征在于：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

\t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)。
5.按照权利要求4所述的一种模具等离子3D打印再制造设备，其特
征在于：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；所述粉末流通通道(14)与枪体(13-1)呈倾斜
布设且其前端伸入至喷口(13-5)内，所述粉末流通通道(14)为直线式
通道且其包括布设在枪体(13-1)内的后侧通道和布设在阳极喷嘴(13-2)
内的前侧通道。
6.按照权利要求1或2所述的一种模具等离子3D打印再制造设备，
其特征在于：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；
所述水平打印台(4)为安装在打印台位置调整装置上且能上下移动
的移动平台；
所述监控系统还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)，所述位置调整控制器(15)与所述打印台位置调整装置
连接。
7.一种利用如权利要求1所述再制造设备对模具进行等离子3D打印
再制造的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、模具缺陷检测：先将待修复模具(3)放置于水平打印台(4)
上，并使待修复模具(3)的成型面朝上；再对待修复模具(3)上存在的
缺陷进行检测，并对检测出各缺陷的位置分别进行记录；
所述待修复模具(3)上存在的缺陷为局部缺陷和/或表面磨损缺陷，

\t所述局部缺陷为待修复模具(3)的成型面上存在破损或开裂，所述表面
磨损缺陷为待修复模具(3)的成型面存在磨损；
步骤二、模具修复：采用所述模具等离子3D打印再制造设备，对步
骤一中检测出的待修复模具(3)上存在的缺陷分别进行修复，过程如下：
步骤201、局部缺陷修复判断：根据步骤一中的模具缺陷检测结果，
判断是否需进行局部缺陷修复：当步骤一中检测出待修复模具(3)上存
在所述局部缺陷时，需对待修复模具(3)进行局部缺陷修复，并进入步
骤202；否则，进入步骤203；
步骤202、局部缺陷修复：根据步骤一中的模具缺陷检测结果，对待
修复模具(3)上存在的各局部缺陷分别进行修复，直至完成待修复模具
(3)上存在的所有局部缺陷的修复过程；
所述待修复模具(3)上所有局部缺陷的修复方法均相同；对待修复
模具(3)上存在的任一个所述局部缺陷进行修复时，包括以下步骤：
步骤2021、缺陷部位去除：采用所述机加工装置(27)对待修复模具
(3)上当前所修复局部缺陷所处区域进行去除，获得与当前所修复局部
缺陷对应的待填充区域；
步骤2022、等离子3D打印：采用所述等离子束流加工系统，对步骤
2021中所述待填充区域进行等离子3D打印，完成当前所修复局部缺陷的
修复过程；
步骤203、表面磨损缺陷修复判断：根据步骤一中的模具缺陷检测结
果，判断是否需进行表面磨损缺陷修复：当步骤一中检测出待修复模具(3)
上存在表面磨损缺陷时，需对待修复模具(3)进行表面磨损缺陷修复，
并进入步骤204；否则，完成待修复模具(3)的再制造过程；
步骤204、表面磨损缺陷修复：根据步骤一中的模具缺陷检测结果，
采用所述等离子束流加工系统，对待修复模具(3)的成型面上的磨损区
域进行修复，完成待修复模具(3)的再制造过程。
8.按照权利要求7所述的对模具进行等离子3D打印再制造的方法，
其特征在于：步骤一中进行模具缺陷检测时，采用水平打印台(4)上方
设置的超声波检测装置(28)或三维激光扫描仪对待修复模具(3)上存
在的缺陷进行检测；
步骤二中完成模具修复后，获得修复后模具；之后，采用机加工装置
(27)对所述修复后模具进行精加工。
9.按照权利要求7或8所述的对模具进行等离子3D打印再制造的方
法，其特征在于：步骤204中进行表面磨损缺陷修复时，过程如下：
步骤2041、三维立体模型获取及分层切片处理：采用所述数据处理设
备且调用所述图像处理模块获取待修复模具(3)的成型面上磨损区域的
三维立体模型，再调用分层切片模块对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：华云峰，程国君，郝勇，魏志宇，
申请(专利权)人：中研智能装备有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13