CN105252004B - 一种应用于3d打印密封舱内烟尘检测与净化的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化的方法及设备，包括一个用于对密封舱内气体进行循环净化的气体循环净化系统、一个用于检测密封舱内烟气浓度的烟尘浓度检测装置、一个用于检测密封舱内氧气含量的氧气检测装置、一个控制装置；通过不断调节烟尘过滤器电机转速来保持密封舱内气体纯净度，另外控制装置不断检测烟尘浓度检测装置的信号并作出相应的控制指令，同时将烟尘浓度检测的信号、烟尘过滤器电机转速等级以及第一与第二压力传感器的压力差信号传送到显示器。本设备可以大大提高金属3D打印设备的成型稳定性和零件质量，保证了加工过程的安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及激光选区熔化金属3D打印加工成型设备，尤其涉及一种应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化的方法及设备。
背景技术
选区激光熔化加工成型过程中，特别是使用粉末作为成型材料的激光选区熔化过程，如金属粉末。在激光聚焦后对金属粉末的加工过程中，由于气流、激光冲击以及铺粉装置的扰动，密封舱会产生大量烟尘。如果不及时将烟尘清理干净，大量烟尘一方面附着在透镜上，另一方面直接减弱激光照射到成型面上的能力，从而影响各层金属粉末表面对于激光能量的吸收。另外大量烟尘聚集在密封舱内严重影响人员对实验进程的观察，而且烟尘长时间附着在密封舱内壁将大大降低密封舱的使用寿命和密封性。而且散逸出来的烟尘对环境和人员健康带来巨大危害。
金属SLM成型需要完全熔化金属粉末材料，金属材料与氧接触发生氧化，甚至会燃烧(如纯钛粉末)，材料中有C、Si、Mn、Ti、Ca等元素时，他们与氧气的结合更容易形成稳定杂质相。
通过对不锈钢粉末(新粉、旧粉)、纯钛粉末分别在氮气和氩气保护条件下进行成型实验，发现激光与粉末发生作用瞬间都会产生烟尘。观察发现使用新的不锈钢粉末产生烟尘明显减少，纯钛粉末产生烟尘比较新不锈钢粉末产生烟尘少。烟尘的主要来源是金属粉末中的C元素、低熔点合金元素以及杂质元素燃烧、气化造成，粉末的长期反复使用对烟尘问题的程度有累积作用，即新的不锈钢粉末虽然产生少量烟尘，但烟尘对粉末产生污染，长期累积造成激光与粉末作用时产生烟尘越来越严重。目前所有的厂商或者科研机构还无法从根本上解决烟尘问题。烟尘存在的主要负面作用包括：(1)污染透光镜片；(2)污染粉末；(3)污染铺粉导轨；(4)污染密封舱内壁；(5)妨碍人员对成型过程的观察。
首先，烟尘存在一个很严重的后果是对透镜镜片产生污染，特别是低速扫描时，激光能量输入大，产生的烟尘量也大，漂浮的烟尘会粘附在透光镜片，导致激光透过镜片时的功率衰减严重，大部分激光能量以热能的方式作用在镜片上，镜片会很快发热、发烫，直到爆裂。烟尘对透光镜片污染严重时，导致激光入射到粉床表面的功率不足，粉末熔化不充分，成型过程必须反复停机手工清除透镜片上的烟尘，所以烟尘污染透光镜片后对SLM的成型效率和成型件质量等方面影响很大。其次，烟尘产生后小部分被保护气吹到粉床以外，大部分仍然飘落到没有使用的粉床表面，与粉末混合在一起，加重了粉末的污染程度。再次，目前SLM设备多采用半开放式铺粉导轨安装方式，即由于铺粉臂的存在，导致了密封舱与铺粉导轨之间存在细长的开口，加工过程中扬起的烟尘和烟尘会进入导轨内部引起导轨润滑性降低，甚至导致导轨的磨损，从而使导轨精度降低直至无法使用。最后，加工过程产生的烟尘一部分被保护气吹走，其余部分会粘附在密封舱内壁，特别是观察窗口内壁。随着烟尘的累积，在下次加工时会有部分烟尘脱落，一部分飘落到粉末上污染粉末，一部分飘落到成型面上影响加工质量。而粘附在观察窗口侧的烟尘会严重影响对加工过程的监控。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化的方法及设备，可自动检测烟尘浓度、自动调节除尘速度等级和自动进行气体循环净化。
本发明通过下述技术方案实现：
一种应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备，包括密封舱4、密封舱气体供给装置、用于对密封舱4内气体进行循环净化的气体循环净化系统、用于检测密封舱4内烟气浓度的烟尘浓度检测装置、用于检测密封舱4内氧气含量的氧气检测装置、控制装置20；
所述控制装置20分别通过电缆11连接气体循环净化系统、烟尘浓度检测装置、氧气检测装置；
所述气体循环净化系统包括烟尘净化器16，该烟尘净化器16进气管路连接密封舱4的气体循环进气口13，烟尘净化器16出气管路连接密封舱4的气体循环出气口10；在气体循环进气口13管路上设置有第一压力传感器15，在气体循环出气口10的管路上设置有第二压力传感器19。
所述烟尘浓度检测装置包括设置在密封舱4侧壁上电磁阀8和与其连接的烟尘浓度检测仪主机24。
所述电磁阀8上设有用于吹离烟尘浓度检测仪主机24镜头上粉末的风机23。
所述氧气检测装置包括设置在密封舱4侧壁上的测氧仪电磁阀7和与其连接的测氧仪主机22。
所述密封舱4的侧壁设有压力传感器6和用于显示压力数据的压力传感器显示器21；所述烟尘净化器16包括滤芯17及烟尘过滤器电机18。
所述密封舱气体供给装置包括保护气瓶1，保护气瓶1通过供气管道连接密封舱4的保护气进气口电磁阀3，在供气管道上设置有供气管道电磁阀2；所述密封舱4上还设有排气口电磁阀9。所述密封舱4的前部设有密封门5和密封门检测传感器14。
所述控制装置20连接显示装置12。
上述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，包括如下步骤：
启动设备，关闭密封门5，密封门检测传感器14检测到密封门关闭到位，启动烟尘浓度检测装置和气体循环净化系统；
开始实时检测密封舱4内部的烟尘浓度数据，烟尘浓度检测装置将检测的数据通过电缆11实时传送到控制装置20，控制装置20开始分析和处理获取的烟尘浓度数据，当密封舱4内部气体中烟尘浓度逐渐上升到预设值后，控制装置20开始向烟尘过滤器电机18发送相应等级转速命令，烟尘净化器16开始除尘工作，其中气体中的粉尘经过滤芯17进行除尘过程，除完烟尘后的气体经过气体循环出气口10返回到密封舱4内部，完成气体循环烟尘浓度检测与净化过程。
所述烟尘浓度检测装置对烟尘浓度具体检测步骤为：当开始检测密封舱4内烟尘浓度时，打开电磁阀8，然后开启烟尘浓度检测仪主机24，此时开始检测密封舱4内部的烟尘浓度含量；烟尘浓度检测仪主机24将测得的信号实时通过电缆11传送到控制装置20进行数据分析与处理，根据分析结果向烟尘过滤器电机18发送相应等级的转速命令，并将相应的烟尘过滤器电机18转速与等级信息发送到显示装置12进行显示。
所述气体循环净化系统的具体循环净化步骤为：第一压力传感器15和第二压力传感器19开启，密封舱4内的高烟尘气体从气体循环进气口13进入烟尘净化器16，经过滤芯17过滤的保护气体从气体循环出气口10进入密封舱4，完成一个循环；此时第一压力传感器15与第二压力传感器19分别监测进气气压与出气气压，第一压力传感器15与第二压力传感器19之间存在压力差；当滤芯17因烟尘堵塞时，导致第一压力传感器15的压力值与第二压力传感器19的压力值大于设定的阈值，此时向控制装置20发送滤芯17更换警报，并将更换警报信息发送到显示装置12，提示操作人员更新滤芯17。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明包含了一个用于对密封舱4内气体进行循环净化的气体循环净化系统、一个用于检测密封舱4内烟气浓度的烟尘浓度检测装置、一个用于检测密封舱4内氧气含量的氧气检测装置。加工开始之前先将密封舱内气体含氧量和压力降低到预设水平；然后开启气体循环净化系统，激光选区熔化成型加工开始后，通过烟尘净化器将密封舱内的含尘量较大的气体净化后从另一端重新通入密封舱，这样不仅节省了保护气体的使用量从而降低了加工成本，而且可以大大减少排入空气中的烟尘，降低了空气污染。
本发明烟尘浓度检测装置。实时检测密封舱内烟尘浓度，当烟尘浓度超过预设值时启动循环净化除尘，直到烟尘浓度降低到预设水平以下。该烟尘浓度检测装置的使用能够为激光选区熔化成型过程提供安全、稳定的环境，提高成型质量。
本发明可以通过设置烟尘浓度检测装置的不同数值来调节除尘速度。将烟尘浓度检测装置从低到高设置为12个不同浓度等级，对应烟尘过滤器电机的12个转速等级，检测到的浓度越高电机转速越快。可以自动根据当前加工环境选择除尘策略，从而保证了粉尘含量迅速降低到最低，保证成型过程顺利进行。
本发明在除尘系统的进气口和出气口分别设置了第一与第二压力传感器，第一与第二传感器之间设有阈值差，当第一与第二压力传感器之间的差值超过预设的压力差阈值，则说明烟尘过滤器滤芯需要更换，并向控制装置发出警告信号，并在显示器中显示滤芯更换提示。保障了成型过程高质高量的顺利进行。
附图说明
图1为本发明应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备结构示意图。
图2为图1局部结构细化示意图。
图3为烟尘过滤器电机转速与烟尘浓度检测值之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图所示。本发明一种应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备，包括密封舱4、密封舱气体供给装置、用于对密封舱4内气体进行循环净化的气体循环净化系统、用于检测密封舱4内烟气浓度的烟尘浓度检测装置、用于检测密封舱4内氧气含量的氧气检测装置、控制装置20；
所述控制装置20分别通过电缆11连接气体循环净化系统、烟尘浓度检测装置、氧气检测装置；
所述气体循环净化系统包括烟尘净化器16，该烟尘净化器16进气管路连接密封舱4的气体循环进气口13，烟尘净化器16出气管路连接密封舱4的气体循环出气口10；在气体循环进气口13管路上设置有第一压力传感器15，在气体循环出气口10的管路上设置有第二压力传感器19。
所述烟尘浓度检测装置包括设置在密封舱4侧壁上电磁阀8和与其连接的烟尘浓度检测仪主机24。烟尘浓度检测装置的量程为0-12g/m3,灵敏度为2mg/m3。
所述电磁阀8上设有用于吹离烟尘浓度检测仪主机24镜头上粉末的风机23。
所述氧气检测装置包括设置在密封舱4侧壁上的测氧仪(灵敏度为10ppm)电磁阀7和与其连接的测氧仪主机22。当开始检测密封舱4内气体含氧量时，打开测氧仪电磁阀7和测氧仪主机22，此时测氧仪主机22开始实时监测密封舱4内气体中的含氧量，并将检测的数据通过电缆11发送到控制装置20，控制装置20进行分析处理后发送到显示装置12进行显示。
所述密封舱4的侧壁设有压力传感器6和用于显示压力数据的压力传感器显示器21，压力传感器6用于实时检测密封舱4内部压强；所述烟尘净化器16包括滤芯17及烟尘过滤器电机18。
所述密封舱气体供给装置包括保护气瓶1，保护气瓶1通过供气管道连接密封舱4的保护气进气口电磁阀3，在供气管道上设置有供气管道电磁阀2；所述密封舱4上还设有排气口电磁阀9。所述密封舱4的前部设有密封门5和密封门检测传感器14。所述控制装置20连接显示装置12。保护气采用如氮气、氩气等。
气体循环净化系统工作时，根据烟尘浓度检测装置检测密封舱4内烟尘浓度水平，对应开启烟尘过滤器电机18的转速等级，烟尘浓度越高烟尘过滤器电机18的转速等级越高，转速越高则尘过滤器电机18的越快，含烟尘的气体通过烟尘净化器16后从密封舱右侧流入密封舱形成气体循环流动，保证了成型过程中形成的烟尘被吹离激光辐射正下方，从而减少了烟尘对激光功率的影响；气体循环管路的直径由烟尘净化器功率决定；该第一压力传感器15和第二压力传感器19在非加工状态时关闭。加工状态时第一压力传感器15和第二压力传感器19用于实时检测进气口与出气口的压力，当压力大于设定的压力差阈值时，说明烟尘净化器16中滤芯17吸附了过多的烟尘导致通透性与过滤性变差，因此需要更换，此时控制装置20发出滤芯17更换报警，并在显示装置12中显示滤芯17损坏需要更换的提示。第一压力传感器15和第二压力传感器19的量程为-30kPa～30kPa，灵敏度为0.01kPa。
上述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，包括如下步骤：
启动设备，关闭密封门5，密封门检测传感器14检测到密封门关闭到位，启动烟尘浓度检测装置和气体循环净化系统；
开始实时检测密封舱4内部的烟尘浓度数据，烟尘浓度检测装置将检测的数据通过电缆11实时传送到控制装置20，控制装置20开始分析和处理获取的烟尘浓度数据，当密封舱4内部气体中烟尘浓度逐渐上升到预设值后，控制装置20开始向烟尘过滤器电机18发送相应等级转速命令，烟尘净化器16开始除尘工作，其中气体中的粉尘经过滤芯17进行除尘过程，除完烟尘后的气体经过气体循环出气口10返回到密封舱4内部，完成气体循环烟尘浓度检测与净化过程。
所述烟尘浓度检测装置对烟尘浓度具体检测步骤为：当开始检测密封舱4内烟尘浓度时，打开电磁阀8，然后开启烟尘浓度检测仪主机24，此时开始检测密封舱4内部的烟尘浓度含量；烟尘浓度检测仪主机24将测得的信号实时通过电缆11传送到控制装置20进行数据分析与处理，根据分析结果向烟尘过滤器电机18发送相应等级的转速命令，并将相应的烟尘过滤器电机18转速与等级信息发送到显示装置12进行显示。
所述气体循环净化系统的具体循环净化步骤为：第一压力传感器15和第二压力传感器19开启，密封舱4内的高烟尘气体从气体循环进气口13进入烟尘净化器16，经过滤芯17过滤的保护气体从气体循环出气口10进入密封舱4，完成一个循环；此时第一压力传感器15与第二压力传感器19分别监测进气气压与出气气压，第一压力传感器15与第二压力传感器19之间存在压力差；随着滤芯17及烟尘过滤器电机18的工作状态不同，其压力差不断改变，当滤芯17因为过多烟尘堵塞时，导致第一压力传感器15的压力值与第二压力传感器19的压力值大于设定的阈值(比如20bar，该阈值可根据实际加工要求和对烟尘浓度的要求不同而设为不同数值，其中对烟尘浓度要求越高则数值越低，反之数值越高)，此时向控制装置20发送滤芯17更换警报，并将更换警报信息发送到显示装置12，提示操作人员及时更新滤芯17，从而保证成型过程顺利进行。
当烟尘浓度降到满足要求并且滤芯17状态正常时，开始继续成型过程，直至加工结束。如果中间检测到烟尘浓度和压力差不满足要求时则重复上述过程，直至整个成型过程完全结束。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，包括一烟尘检测与净化设备，其包括密封舱(4)、密封舱气体供给装置、一个用于对密封舱(4)内气体进行循环净化的气体循环净化系统、一个用于检测密封舱(4)内烟气浓度的烟尘浓度检测装置、一个用于检测密封舱(4)内氧气含量的氧气检测装置、一个控制装置(20)；
所述控制装置(20)分别通过电缆(11)连接气体循环净化系统、烟尘浓度检测装置、氧气检测装置；
所述气体循环净化系统包括烟尘净化器(16)，该烟尘净化器(16)进气管路连接密封舱(4)的气体循环进气口(13)，烟尘净化器(16)出气管路连接密封舱(4)的气体循环出气口(10)；在气体循环进气口(13)管路上设置有第一压力传感器(15)，在气体循环出气口(10)的管路上设置有第二压力传感器(19)；
烟尘检测与净化如下步骤：
启动设备，关闭密封门(5)，密封门检测传感器(14)检测到密封门关闭到位，启动烟尘浓度检测装置和气体循环净化系统；
开始实时检测密封舱(4)内部的烟尘浓度数据，烟尘浓度检测装置将检测的数据通过电缆(11)实时传送到控制装置(20)，控制装置(20)开始分析和处理获取的烟尘浓度数据，当密封舱(4)内部气体中烟尘浓度逐渐上升到预设值后，控制装置(20)开始向烟尘过滤器电机(18)发送相应等级转速命令，烟尘净化器(16)开始除尘工作，其中气体中的粉尘经过滤芯(17)进行除尘过程，除完烟尘后的气体经过气体循环出气口(10)返回到密封舱(4)内部，完成气体循环烟尘浓度检测与净化过程。
2.根据权利要求1所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对 密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于：
所述烟尘浓度检测装置对烟尘浓度具体检测步骤为：
当开始检测密封舱(4)内烟尘浓度时，打开电磁阀(8)，然后开启烟尘浓度检测仪主机(24)，此时开始检测密封舱(4)内部的烟尘浓度含量；烟尘浓度检测仪主机(24)将测得的信号实时通过电缆(11)传送到控制装置(20)进行数据分析与处理，根据分析结果向烟尘过滤器电机(18)发送相应等级的转速命令，并将相应的烟尘过滤器电机(18)转速与等级信息发送到显示装置(12)进行显示。
3.根据权利要求1所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于：
所述气体循环净化系统的具体循环净化步骤为：
第一压力传感器(15)和第二压力传感器(19)开启，密封舱(4)内的高烟尘气体从气体循环进气口(13)进入烟尘净化器(16)，经过滤芯(17)过滤的保护气体从气体循环出气口(10)进入密封舱(4)，完成一个循环；此时第一压力传感器(15)与第二压力传感器(19)分别监测进气气压与出气气压，第一压力传感器(15)与第二压力传感器(19)之间存在压力差；当滤芯(17)因烟尘堵塞时，导致第一压力传感器(15)的压力值与第二压力传感器(19)的压力值大于设定的阈值，此时向控制装置(20)发送滤芯(17)更换警报，并将更换警报信息发送到显示装置(12)，提示操作人员更新滤芯。
4.根据权利要求1所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于，所述烟尘浓度检测装置包括设置在密封舱(4)侧壁上电磁阀(8)和与其连接的烟尘浓度检测仪主机(24)。
5.根据权利要求2所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于，所述电磁阀(8)上设有用于吹离烟尘浓度检测仪主机(24)镜头上粉末的风机(23)。
6.根据权利要求1所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于，所述氧气检测装置包括设置在密封舱(4)侧壁上的测氧仪电磁阀(7)和与其连接的测氧仪主机(22)。
7.根据权利要求2应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于，所述密封舱(4)的侧壁设有压力传感器(6)和用于显示压力数据的压力传感器显示器(21)；所述烟尘净化器(16)包括滤芯(17)及烟尘过滤器电机(18)。
8.根据权利要求1所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于，所述密封舱气体供给装置包括保护气瓶(1)，保护气瓶(1)通过供气管道连接密封舱(4)的保护气进气口电磁阀(3)，在供气管道上设置有供气管道电磁阀(2)；所述密封舱(4)上还设有排气口电磁阀(9)，所述密封舱(4)的前部设有密封门(5)和密封门检测传感器(14)。
9.根据权利要求1所述应用于3D打印密封舱内烟尘检测与净化设备对密封舱内烟尘检测与净化方法，其特征在于，所述控制装置(20)连接显示装置(12)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |