CN105345000B - 一种选区激光熔化成型设备及其容积可调节成型室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选区激光熔化成型设备及其容积可调节成型室，所述成型室包括：用于提供选区激光熔化成型所需的工作环境的箱体，用于调节所述箱体容积的可调节组件，以及用于驱动所述可调节组件的驱动件；所述箱体设有顶部开口，其中一个侧壁设有开合门，各侧壁的内侧和开合门上设有下限位组件；所述可调节组件能在所述驱动件的作用下通过所述顶部开口移动至所述下限位组件，并与所述箱体的底壁、侧壁和开合门共同形成密闭的腔室本发明的选区激光熔化成型室通过所述可调节组件实现了箱体中的容积的调节，可调节容积的选区激光熔化成型室解决了现有成型室由于容积不可调节而造成的惰性气体充气时间长、浪费严重和成本大的问题。

Description

一种选区激光熔化成型设备及其容积可调节成型室
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成型加工技术领域，特别是涉及一种选区激光熔化成型设备及其容积可调节成型室。
背景技术
在选区激光熔化加工成型过程中，需要通过高纯度的氩气或氮气等惰性气体进行保护。SLM加工过程中需要将金属粉末完全熔化，存在一个复杂的物理化学冶金反应过程。研究实践表明，如果在大气环境下进行SLM快速成型加工，由于氧化作用的存在，成型件的表面质量、成型精度与内部性能都会受到极大的影响：由于表面氧化作用，成型件的表面粗糙度增加；成型件内部氧化物的增加会影响其机械和物理性能。因此，进行金属，特别是活性金属材料，SLM快速成型，都是在密封的成型室内进行，并且在成型室内部充满高纯度的氩气或氮气。
目前，使用的成型室容积均是固定的，成型室内部集成有刮板及其导向系统，成型室的尺寸主要由刮板系统和工件的最大高度决定。例如，当快速成型机的成型高度为200mm时，那么成型室的高度至少大于200mm，考虑拿取工件时操作的方便性和安全性，成型室的高度将远大于200mm。过大的成型室会导致气体填充时间的增加，同时，难以保证高纯度的成型气氛。以成型室内部尺寸为900*600*300mm为例，如果充气速度为20L/min，气体充满整个成型室所用的时间约为8min，但这仅仅是理想的充气过程，实际上还有空气排出和保证成型室气体纯度，填充时间将远大于8min，并且，在处理钛和铝等活性材料时，在这么大的空间内保证氧气含量低于百万分之50(50ppm)是很困难的。另外，目前成型气体主要使用纯度为99.99％的高纯度氩气和氮气，这些气体的价格昂贵，在开启成型室开合门时，会造成较大的气体浪费。
在保证保护气体纯度的情况下，减少气体的填充体积，将会减小充气的使用时间以及气体的使用量，这有助于提高整体的加工效率，降低加工成本。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种选区激光熔化成型设备及其容积可调节成型室，以解决上述现有技术存在的成型室容积不可调所造成的惰性气体充气时间长、浪费严重和成本大的技术问题。
一种容积可调节成型室，用于选区激光熔化成型设备，包括：
用于提供选区激光熔化成型所需的工作环境的箱体，用于调节所述箱体容积的可调节组件，以及用于驱动所述可调节组件的驱动件；
所述箱体设有顶部开口，其中一个侧壁设有开合门，各侧壁的内侧和开合门上设有下限位组件；
所述可调节组件能在所述驱动件的作用下通过所述顶部开口移动至所述下限位组件，并与所述箱体的底壁、侧壁和开合门共同形成密闭的腔室。
根据实施例，本发明还可以具有如下技术特征：
所述可调节组件为连杆机构，所述连杆机构包括设于所述箱体顶部用于横向位移的直线滑块和直线导轨，设于所述箱体内部用于竖直位移的顶盖和导向机构，铰接于所述顶盖和所述直线滑块之间的连杆，以及设于所述直线滑块上用于连接驱动件的推杆。
所述顶盖作用在下限位组件上时所述连杆与竖直方向之间的夹角θ在0<θ<＝arctanf之间，f为连杆机构的当量摩擦系数；当夹角满足这一条件时，可实现自锁，此时夹角θ非常小，所以驱动件驱动连杆机构的驱动力FX只需很小的力便能够获得满足于顶盖与下限位组件之间密封所需的较大的压力FY，具有进一步的技术效果。
所述顶盖下表面上环设有顶盖密封条，用于在紧贴于所述下限位组件的密封面上时在所述顶盖下表面与所述下限位组件的密封面之间形成密封。
所述下限位组件包括环设于所述箱体侧壁内侧的第一下限位部件和设于所述开合门上的第二下限位部件，所述开合门环设有开合门密封条。
所述第一下限位部件对应于所述开合门的端部设有密封斜面，用于与所述开合门上的所述第二下限位部件之间形成密封。
所述第二下限位部件两端设有与所述开合门、所述第一下限位部件和所述第二下限位部件三者之间分别形成密封面的密封块。
所述密封块包括与所述端部的密封斜面贴合的第一密封面，和与所述第二下限位部件端面贴合的第二密封面，以及与所述开合门贴合的第三密封面，所述第一密封面、所述第二密封面和所述第三密封面上开设有用于提高密封效果的楔形槽。
本发明还提供一种选区激光熔化成型设备，包括成型室，所述成型室为前述任一项所述的容积可调节成型室。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明的容积可调节成型室通过所述可调节组件实现了箱体中的容积的调节，可调节容积的选区激光熔化成型室解决了现有成型室由于容积不可调节而造成的惰性气体充气时间长、浪费严重和成本大的问题。
优选方案中，采用了连杆机构作为调整容积的可调节组件，结构简单，安装方便；驱动件驱动着直线滑块横向移动，驱动力为FX，通过连杆再驱动顶盖竖直移动，作用于顶盖上的压力FY＝FX/tanθ，θ为连杆与竖直方向的夹角，当顶盖压紧在下限位组件上时，θ角很小，所以FX只需很小的力便能获得较大的压力FY，所以所需的驱动件功率较小；为了做到良好的密封效果，在顶盖下环设有密封条，结合开合门上的密封条以及密封块一起达到很好的密封效果。
附图说明
图1是本发明具体实施方式二的箱体结构示意图；
图2是本发明具体实施方式二的连杆机构的结构示意图。
图3是本发明具体实施方式二的连杆机构的位移关系和作用力关系示意图。
图4是本发明具体实施方式二的顶盖的结构示意图。
图5是本发明具体实施方式二的开合门的结构示意图。
图6是本发明具体实施方式二的密封块的结构示意图。
图7是本发明具体实施方式二的整体结构示意图一。
图8是本发明具体实施方式二的整体结构示意图二。
附图中的标记
110 箱体
111 侧壁
112 窗口
113 顶部
114 顶部开口
115 第一下限位部件
116 端部
117 密封斜面
120 连杆机构
121 顶盖
122 顶盖密封条
123 连杆
124 直线导轨
125 直线滑块
126 推杆
130 开合门
131 开合门板
132 开合门密封条
133 密封块
134 第二下限位部件
1331 楔形槽
具体实施方式
为便于准确理解，以下是后文中将出现的技术术语的准确定义：
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
实施例一：
本实施例提出了一种容积可调节成型室，用于选区激光熔化成型设备，其包括：用于提供选区激光熔化成型所需的工作环境的箱体，用于调节所述箱体容积的可调节组件，以及用于驱动所述可调节组件的驱动件；所述箱体设有顶部开口，其中一个侧壁设有开合门，各侧壁的内侧和开合门上设有下限位组件；所述可调节组件能在所述驱动件的作用下通过所述顶部开口移动至所述下限位组件，并与所述箱体的底壁、侧壁和开合门共同形成密闭的腔室。
其中，所述可调节组件为连杆机构，所述连杆机构包括设于所述箱体顶部用于横向位移的直线滑块和直线导轨，设于所述箱体内部用于竖直位移的顶盖和导向机构，铰接于所述顶盖和所述直线滑块之间的连杆，以及设于所述直线滑块上用于连接驱动件的推杆，同时，较好的做法是，所述顶盖作用在下限位组件上时所述连杆与竖直方向之间的夹角θ在0<θ<＝arctanf之间，f为连杆机构的当量摩擦系数。
一个较佳的具体做法是：所述顶盖下表面上环设有顶盖密封条，用于在紧贴于所述下限位组件的密封面上时在所述顶盖下表面与所述下限位组件的密封面之间形成密封。所述下限位组件包括环设于所述箱体侧壁内侧的第一下限位部件和设于所述开合门上的第二下限位部件，所述开合门环设有开合门密封条。所述第一下限位部件对应于所述开合门的端部设有密封斜面，用于与所述开合门上的所述第二下限位部件之间形成密封。所述第二下限位部件两端设有与所述开合门、所述第一下限位部件和所述第二下限位部件三者之间分别形成密封面的密封块。所述密封块包括与所述端部的密封斜面贴合的第一密封面，和与所述第二下限位部件端面贴合的第二密封面，以及与所述开合门贴合的第三密封面，所述第一密封面、所述第二密封面和所述第三密封面上开设有用于提高密封效果的楔形槽。
本实施例还提供一种选区激光熔化成型设备，包括成型室，所述成型室为前述任一项所述的容积可调节成型室。
实施例二：
本实施例提出了一种容积可调节成型室，根据刮板系统和工件高度设计出成型室所述箱体110的总体尺寸，如图1所示，箱体110为多块钢板通过焊接或螺栓连接的长方体，所述箱体110顶部113开设有顶部开口114，所述箱体110的侧壁111上开设有用于作业操作的窗口112，所述箱体110的侧壁内侧设有第一下限位部件115，所述第一下限位部件115的端部116设有密封斜面117。
在箱体110上安装有用于调节所述箱体110容积的连杆机构120，如图2所示，所述连杆机构120包括设于所述箱体110顶部113用于横向位移的直线滑块125和直线导轨124，设于所述箱体110内部用于竖直位移的顶盖121和导向机构(图中未示意)，以及铰接于所述顶盖121和所述直线滑块125之间的连杆123，所述直线滑块125还与直线导轨124相配合，整个连杆机构120通过直线导轨124安装在所述箱体110顶部113的外壁上，所述直线滑块125上固设有推杆126，推杆126上连接有提供动力的驱动件(图中未示意)，此处的驱动件为气缸，在满足驱动力的情况下，还可以为其他驱动件，如油缸，丝杆螺母结构，在所述顶盖121侧边上设有用于顶盖121竖直滑动的导向机构(图中未示意)，所述连杆机构120的顶盖121设于所述箱体110中，顶盖121的尺寸大小与箱体110尺寸相适应。
如图3所示，Δx为横向移动的直线滑块125的移动位移，所述连杆123与竖直位移方向的夹角为θ，y为顶盖121在所述箱体110中的总行程，Δy为所述顶盖121竖直方向的移动位移，则：
Δx＝f(y,Δy,tanθ)
＝sqrt(y2tan2θ+2y*Δy-Δy2)-ytanθ；
驱动件在横向对横向位移的直线滑块125施加推力Fx，可实现顶盖121在竖直方向上的运动，并且在竖直方向施加密封所需的压力Fy，则：
FY＝FX/tanθ；
由于连杆机构120作用在下限位组件时，θ角很小，一般在0<θ<＝arctanf之间，f为连杆机构的当量摩擦系数，所以当Y方向运动到下限位置时，在X方向只需施加一个很小的力就能在Y方向上提供一个较大的压力，具有省力的功能，相比于直接通过气缸驱动顶盖121而言，在选择气缸功率时，可以选用较小功率的气缸。
如图4所示，所述顶盖121下表面上环设有顶盖密封条122，用于在紧贴于所述下限位组件的密封面上时在所述顶盖121下表面与所述下限位组件的密封面之间形成密封，所述顶盖121通过所述顶盖密封条122作用于所述下限位组件的上表面上，顶盖密封条122在竖直方向的压力的作用下，发生形变以实现密封，如图5所示，所述箱体110的侧壁111上铰接有用于密封的开合门130，所述开合门130上设有第二下限位部件134，环设于所述开合门130上的开合门密封条132，所述第二下限位部件134两端设有用于对所述开合门130，所述第一下限位部件115和所述第二下限位部件134三者之间进行密封的密封块133，所述开合门130上还设有与窗口112配合的开合门板131。
如图6所示，所述密封块133包括与所述端部116的密封斜面117贴合的第一密封面，和与所述第二下限位部件134端面贴合的第二密封面，以及与所述开合门130贴合的第三密封面，所述第一密封面、所述第二密封面和所述第三密封面上开设有用于提高密封效果的楔形槽1331。
如图7和图8所示，开合门130的一端通过铰链与箱体110连接，可以实现开合门130的开启和关闭，当开合门130关闭时，开合门板131与窗口112配合，开合门130与箱体110之间通过卡扣(图中未示意)进行夹紧，开合门130与箱体110之间产生一个夹紧力。如图8所示，当开合门130关闭时，开合门密封条132产生变形并实现密封，此外，安装在开合门130的第二下限位部件134两端上的密封块133在开合门关闭后其第一密封面与所述端部116的密封斜面117相配合，同时在压力的作用下，密封块133的第一密封面、第二密封面与第三密封面发生形变，由于在密封块133上的第一密封面、第二密封面与第三密封面开设有楔形槽1331，所以使得密封块133的形变更为容易，能达到更好的密封效果。
本实施例中，为了在下限位以下形成一个密闭空间，必须通过所述箱体110、所述开合门130和所述顶盖121三者相互作用达到密封的效果，所述顶盖121通过顶盖密封条122作用于所述下限位组件上表面上，隔断密封空间与箱体110的顶部113的空气流通，因为在侧壁111开设有一个窗口112，所以在必须采用特殊的措施进行密封，所述开合门130通过开合门密封条132作用于所述箱体110箱壁上，隔断密闭空间通过窗口112进行空气流通的可能，在所述开合门130的第二下限位部件134位置，为了防止密闭空间通过开合门130与下限位组件上通过所述密封斜面117往外漏气，在所述第一下限位部件115的所述端部116与所述第二下限位部件134之间通过所述密封块133进行密封，通过开合门130、箱体110和顶盖121三者可以达到很好的密封效果。
本实施例具体工作流程为：
首先，在进行选区激光熔化成型前，气缸驱动直线滑块125，使顶盖121处于上限位置，打开开合门，在现有的选区激光熔化装置的送料缸内加入金属粉末，安装成型基板；
然后关闭开合门130，夹紧卡扣，驱动件驱动直线滑块125，使顶盖121处于下限位置，同时使顶盖121与下限位置的钢板之间处于压紧状态，确保成型空间的密封性；
本实施例还提供一种选区激光熔化成型设备，包括成型室，所述成型室为前述任一项所述的容积可调节成型室，其工作过程为如下：
接下来将成型空间的空气排出，形成真空，将氩气或氮气充入成型空间直至获得合适的保护气体浓度；
再接着，开始成型加工，直至加工完成；
最后将顶盖上升到顶部开口，清理金属粉末，打开开合门并取出成型工件。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (4)

1.一种容积可调节成型室，用于选区激光熔化成型设备，其特征在于，包括：
用于提供选区激光熔化成型所需的工作环境的箱体，用于调节所述箱体容积的可调节组件，以及用于驱动所述可调节组件的驱动件；
所述箱体设有顶部开口，其中一个侧壁设有开合门，各侧壁的内侧和开合门上设有下限位组件；
所述可调节组件能在所述驱动件的作用下通过所述顶部开口移动至所述下限位组件，并与所述箱体的底壁、侧壁和开合门共同形成密闭的腔室；
所述可调节组件为连杆机构，所述连杆机构包括设于所述箱体顶部用于横向位移的直线滑块和直线导轨，设于所述箱体内部用于竖直位移的顶盖和导向机构，铰接于所述顶盖和所述直线滑块之间的连杆，以及设于所述直线滑块上用于连接驱动件的推杆，所述驱动件在横向对横向位移的所述直线滑块施加推力，使所述顶盖在竖直方向上的运动，并且在竖直方向施加密封所需的压力；
所述下限位组件包括环设于所述箱体侧壁内侧的第一下限位部件和设于所述开合门上的第二下限位部件，所述开合门环设有开合门密封条；所述第一下限位部件对应于所述开合门的端部设有密封斜面，用于与所述开合门上的所述第二下限位部件之间形成密封；所述第二下限位部件两端设有与所述开合门、所述第一下限位部件和所述第二下限位部件三者之间分别形成密封面的密封块；所述密封块包括与所述端部的密封斜面贴合的第一密封面，和与所述第二下限位部件端面贴合的第二密封面，以及与所述开合门贴合的第三密封面，所述第一密封面、所述第二密封面和所述第三密封面上开设有用于提高密封效果的楔形槽。
2.如权利要求1所述的容积可调节成型室，其特征在于：所述顶盖作用在下限位组件上时所述连杆与竖直方向之间的夹角θ在0<θ<＝arctanf之间，f为连杆机构的当量摩擦系数。
3.如权利要求2所述的一种容积可调节成型室，其特征在于：所述顶盖下表面上环设有顶盖密封条，用于在紧贴于所述下限位组件的密封面上时在所述顶盖下表面与所述下限位组件的密封面之间形成密封。
4.一种选区激光熔化成型设备，包括成型室，其特征在于：所述成型室为权利要求1-3中任一项所述的容积可调节成型室。
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