CN105458261A - 一种活性金属激光选区烧结密封装置及烧结气体保护方法 - Google Patents

一种活性金属激光选区烧结密封装置及烧结气体保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种活性金属激光选区烧结密封装置，包括密封工作仓（1）、惰性气体输送管道（2）、过滤器（4）、控制模块，以及分别与控制模块相连接的第一净化柱（3）、风机（5）、电控阀门（6）、真空泵（7）、温度传感器（8）、压力传感器（9）、水分传感器（10）、氧分传感器（11）；基于本发明所设计技术方案进行连接设置，构成活性金属激光选区烧结密封装置；同时，本发明还涉及基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护法，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，可以快速有效安全地对活性金属激光烧结快速成型。

Description

一种活性金属激光选区烧结密封装置及烧结气体保护方法
技术领域
本发明涉及一种活性金属激光选区烧结密封装置及烧结气体保护方法，属于金属3D打印技术领域。
背景技术
激光选区烧结技术SLM是激光金属3D打印领域的重要分支，用于个性化、小批量的快速制造。成型材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、铝合金，钛基合金、钴铬合金和贵重金属等。激光束快速烧结金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合、高精度的近乎致密金属零件。主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域。
针对活性金属的激光选区烧结过程中，水含量和氧含量是影响成型质量的关键因素。目前市场上的激光选区烧结设备，对于水氧含量的控制，均在1000ppm（0.1%）以上，主要有两种工艺方式，第一种是利用高纯氩气/氮气稀释密封工作舱内的氧含量，造成气体浪费和准备时间过长；第二种是利用真空泵抽真空，然后注入氩气/氮气，循环操作若干次后，达到1000ppm氧含量要求。这两种工艺方法对水含量未控制，且氧含量要求较低，浪费惰性气体等，并不适合镁合金，钛合金，铝合金等活性金属的激光烧结工艺要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种活性金属激光选区烧结密封装置，采用全新结构设计，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，有利于活性金属快速成型技术的应用。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种活性金属激光选区烧结密封装置，包括密封工作仓、惰性气体输送管道、过滤器、控制模块，以及分别与控制模块相连接的第一净化柱、风机、电控阀门、真空泵、温度传感器、压力传感器、水分传感器、氧分传感器；其中，惰性气体输送管道与密封工作仓相连通，且电控阀门设置于惰性气体输送管道上，控制惰性气体输送管道的通断；第一净化柱上设置进气口、出气口，第一净化柱的进气口通过管道经过滤器与密封工作仓相连通，第一净化柱的出气口通过管道经风机与密封工作仓相连通；真空泵气嘴通过管道与密封工作仓相连通；温度传感器、压力传感器、水分传感器和氧分传感器设置于密封工作仓内。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括与所述控制模块相连接的第二净化柱，第二净化柱上设置进气口、出气口，所述第一净化柱的进气口和第二净化柱的进气口通过管道汇聚后，再通过管道经所述过滤器与所述密封工作仓相连通，所述第一净化柱的出气口和第二净化柱的出气口通过管道汇聚后，再通过管道经所述风机与所述密封工作仓相连通。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一净化柱和第二净化柱中的净化材料均为铜触媒和分子筛。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括止回阀，所述真空泵气嘴通过管道经止回阀与密封工作仓相连通。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括与所述控制模块相连接的泄压阀，泄压阀的气嘴经管道与所述密封工作仓相连通。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括与所述控制模块相连接的减压阀，所述惰性气体输送管道上沿惰性气体进气口指向所连密封工作仓的方向上，依次设置减压阀、电控阀门。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电控阀门为电磁阀。
作为本发明的一种优选技术方案：所述风机为高速变频风机。
作为本发明的一种优选技术方案：所述惰性气体为氩气或氮气。
本发明所述一种活性金属激光选区烧结密封装置采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的活性金属激光选区烧结密封装置，采用全新结构设计，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，有利于活性金属快速成型技术的应用。
与此相应，本发明还要解决的技术问题是提供一种基于本发明所设计活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，可以快速有效安全地对活性金属激光烧结快速成型。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法，包括所述密封工作仓气体置换方法，包括如下步骤：
步骤001.控制或保持真空泵工作，针对密封工作仓进行抽真空操作，并进入步骤002；
步骤002.检测密封工作仓中的绝对压力，并判断密封工作仓中的绝对压力是否小于等于预设压力阈值，是则进入步骤003，否则返回步骤001；
步骤003.控制真空泵停止工作，并进入步骤004；
步骤004.经惰性气体输送管道向密封工作仓中输送指定惰性气体，并进入步骤005；
步骤005.检测密封工作仓中的压强，并判断密封工作仓中压强是否等于大气压强，是则进入步骤006，否则返回步骤004；
步骤006.检测密封工作仓中的氧水含量，并判断密封工作仓中的氧水含量是否小于第一预设氧水含量阈值，是则进入步骤008；否则进入步骤007；
步骤007.停止向密封工作仓中输送指定惰性气体，并返回步骤001；
步骤008.控制或保持所述风机工作，将密封工作仓中的气体由密封工作仓抽出，经管道先经过所述过滤器，再分别经第一净化柱、第二净化柱后，返回输送至密封工作仓中，并进入步骤009；
步骤009.检测密封工作仓中的氧水含量，并判断密封工作仓中的氧水含量是否小于第二预设氧水含量阈值，是则密封工作仓气体置换方法结束；否则返回步骤008；其中，第二预设氧水含量阈值小于第一预设氧水含量阈值。
本发明所述一种基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的一种基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法，基于本发明全新设计基于活性金属激光选区烧结密封装置的结构，设计气体置换方法，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，可以快速有效安全地对活性金属激光烧结快速成型。
附图说明
图1是本发明设计的活性金属激光选区烧结密封装置的结构示意图；
图2是本发明设计的基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法的流程示意图。
其中，1.密封工作仓，2.惰性气体输送管道，3.第一净化柱，4.过滤器，5.风机，6.电控阀门，7.真空泵，8.温度传感器，9.压力传感器，10.水分传感器，11.氧分传感器，12.第二净化柱，13.止回阀，14.泄压阀，15.减压阀。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所设计的一种活性金属激光选区烧结密封装置在实际应用过程当中，具体包括密封工作仓1、惰性气体输送管道2、过滤器4、止回阀13、控制模块，以及分别与控制模块相连接的第一净化柱3、第二净化柱12、高速变频风机、电磁阀、真空泵7、温度传感器8、压力传感器9、水分传感器10、氧分传感器11、泄压阀14、减压阀15；其中，惰性气体输送管道2与密封工作仓1相连通，且惰性气体输送管道2上沿惰性气体进气口指向所连密封工作仓1的方向上，依次设置减压阀15、电磁阀，控制惰性气体输送管道2的通断，实际应用当中，惰性气体输送管道2用于向密封工作仓1输送指定惰性气体，这里指定惰性气体可以采用氩气或氮气；第一净化柱3上设置进气口、出气口，第二净化柱12上设置进气口、出气口，第一净化柱3的进气口和第二净化柱12的进气口通过管道汇聚后，再通过管道经过滤器4与密封工作仓1相连通，第一净化柱3的出气口和第二净化柱12的出气口通过管道汇聚后，再通过管道经高速变频风机与密封工作仓1相连通；实际应用中，第一净化柱3和第二净化柱12中的净化材料均为铜触媒和分子筛；真空泵7气嘴通过管道经止回阀13与密封工作仓1相连通，实际应用中，真空泵7选用的极限真空度-970mbar；温度传感器8、压力传感器9、水分传感器10和氧分传感器11设置于密封工作仓1内；实际应用中，压力传感器9的量程为：-1000mbar~100mbar；泄压阀14的气嘴经管道与所述密封工作仓1相连通。上述技术方案所设计的活性金属激光选区烧结密封装置，采用全新结构设计，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，有利于活性金属快速成型技术的应用。
上述所设计实际应用中的活性金属激光选区烧结密封装置中，设计采用PLC触摸屏用于人工向控制模块进行发送控制指令，包括控制操作、氧水含量显示、箱体压力稳定控制以及净化柱的还原再生等功能；控制模块可以采用单片机进行实现；并且所设计结构当中，应用到了减压阀、泄压阀、电磁阀和止回阀四种阀门，其中，减压阀是通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门；从流体力学的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的；然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在一定的误差范围内保持恒定。泄压阀又名安全阀（safetyvalve），根据系统的工作压力能自动启闭，一般安装于封闭系统的设备或管路上保护系统安全。当设备或管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动；用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数；电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证；简单来说，通电时，电磁阀中电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁阀中电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭；电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。止回阀是指依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣，用来防止介质倒流的阀门。
如图2所示，基于上述所设计活性金属激光选区烧结密封装置的实际应用结构，本发明还进一步设计了基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法，包括所述密封工作仓1气体置换方法，包括如下步骤：
步骤001.控制或保持真空泵7工作，针对密封工作仓1进行抽真空操作，并进入步骤002。
步骤002.基于设置于密封工作仓1中的压力传感器9，检测密封工作仓1中的绝对压力，并判断密封工作仓1中的绝对压力是否小于等于预设压力阈值0.01Mpa，是则进入步骤003，否则返回步骤001。
步骤003.控制真空泵7停止工作，并进入步骤004。
步骤004.经惰性气体输送管道2向密封工作仓1中输送指定惰性气体，并进入步骤005。
步骤005.基于设置于密封工作仓1中的压力传感器9，检测密封工作仓1中的压强，并判断密封工作仓1中压强是否等于大气压强，是则进入步骤006，否则返回步骤004。
步骤006.基于设置于密封工作仓1中的水分传感器10和氧分传感器11，检测密封工作仓1中的氧水含量，并判断密封工作仓1中的氧水含量是否小于第一预设氧水含量阈值500ppm，是则进入步骤008；否则进入步骤007。
步骤007.停止向密封工作仓1中输送指定惰性气体，并返回步骤001。
步骤008.启动或保持净化系统工作，即控制或保持所述风机5工作，将密封工作仓1中的气体由密封工作仓1抽出，经管道先经过所述过滤器4，再分别经第一净化柱3、第二净化柱12后，返回输送至密封工作仓1中，由此形成循环，再进入步骤009。
本发明所设计活性金属激光选区烧结密封装置中的净化系统，通过过滤器4气体中的烟尘；并且设计有第一净化柱3、第二净化柱12，在实际应用中，可以先进控制模块控制第一净化柱3和第二净化柱12中的其中一个净化柱工作，当该净化柱净化达到饱和时，通过控制模块控制启动另一个净化柱进行工作。
步骤009.基于设置于密封工作仓1中的水分传感器10和氧分传感器11，检测密封工作仓1中的氧水含量，并判断密封工作仓1中的氧水含量是否小于第二预设氧水含量阈值10ppm，是则密封工作仓1气体置换方法结束；否则返回步骤008。
上述技术方案所设计一种基于活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法，基于本发明全新设计基于活性金属激光选区烧结密封装置的结构，设计气体置换方法，大大降低了金属3D打印机的准备时间及氧水含量指标，可以快速有效安全地对活性金属激光烧结快速成型。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：包括密封工作仓（1）、惰性气体输送管道（2）、过滤器（4）、控制模块，以及分别与控制模块相连接的第一净化柱（3）、风机（5）、电控阀门（6）、真空泵（7）、温度传感器（8）、压力传感器（9）、水分传感器（10）、氧分传感器（11）；其中，惰性气体输送管道（2）与密封工作仓（1）相连通，且电控阀门（6）设置于惰性气体输送管道（2）上，控制惰性气体输送管道（2）的通断；第一净化柱（3）上设置进气口、出气口，第一净化柱（3）的进气口通过管道经过滤器（4）与密封工作仓（1）相连通，第一净化柱（3）的出气口通过管道经风机（5）与密封工作仓（1）相连通；真空泵（7）气嘴通过管道与密封工作仓（1）相连通；温度传感器（8）、压力传感器（9）、水分传感器（10）和氧分传感器（11）设置于密封工作仓（1）内。
2.根据权利要求1所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：还包括与所述控制模块相连接的第二净化柱（12），第二净化柱（12）上设置进气口、出气口，所述第一净化柱（3）的进气口和第二净化柱（12）的进气口通过管道汇聚后，再通过管道经所述过滤器（4）与所述密封工作仓（1）相连通，所述第一净化柱（3）的出气口和第二净化柱（12）的出气口通过管道汇聚后，再通过管道经所述风机（5）与所述密封工作仓（1）相连通。
3.根据权利要求2所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：所述第一净化柱（3）和第二净化柱（12）中的净化材料均为铜触媒和分子筛。
4.根据权利要求2所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：还包括止回阀（13），所述真空泵（7）气嘴通过管道经止回阀（13）与密封工作仓（1）相连通。
5.根据权利要求2所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：还包括与所述控制模块相连接的泄压阀（14），泄压阀（14）的气嘴经管道与所述密封工作仓（1）相连通。
6.根据权利要求2所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：还包括与所述控制模块相连接的减压阀（15），所述惰性气体输送管道（2）上沿惰性气体进气口指向所连密封工作仓（1）的方向上，依次设置减压阀（15）、电控阀门（6）。
7.根据权利要求6所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：所述电控阀门（6）为电磁阀。
8.根据权利要求2所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：所述风机（5）为高速变频风机。
9.根据权利要求2-8中任意一项所述一种活性金属激光选区烧结密封装置，其特征在于：所述惰性气体为氩气或氮气。
10.一种基于权利要求2至9中任意一项所述一种活性金属激光选区烧结密封装置的烧结气体保护方法，包括所述密封工作仓（1）气体置换方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤001.控制或保持真空泵（7）工作，针对密封工作仓（1）进行抽真空操作，并进入步骤002；
步骤002.检测密封工作仓（1）中的绝对压力，并判断密封工作仓（1）中的绝对压力是否小于等于预设压力阈值，是则进入步骤003，否则返回步骤001；
步骤003.控制真空泵（7）停止工作，并进入步骤004；
步骤004.经惰性气体输送管道（2）向密封工作仓（1）中输送指定惰性气体，并进入步骤005；
步骤005.检测密封工作仓（1）中的压强，并判断密封工作仓（1）中压强是否等于大气压强，是则进入步骤006，否则返回步骤004；
步骤006.检测密封工作仓（1）中的氧水含量，并判断密封工作仓（1）中的氧水含量是否小于第一预设氧水含量阈值，是则进入步骤008；否则进入步骤007；
步骤007.停止向密封工作仓（1）中输送指定惰性气体，并返回步骤001；
步骤008.控制或保持所述风机（5）工作，将密封工作仓（1）中的气体由密封工作仓（1）抽出，经管道先经过所述过滤器（4），再分别经第一净化柱（3）、第二净化柱（12）后，返回输送至密封工作仓（1）中，并进入步骤009；
步骤009.检测密封工作仓（1）中的氧水含量，并判断密封工作仓（1）中的氧水含量是否小于第二预设氧水含量阈值，是则密封工作仓（1）气体置换方法结束；否则返回步骤008；其中，第二预设氧水含量阈值小于第一预设氧水含量阈值。
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