CN105618751B - 一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统 - Google Patents

一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，包括：选择性激光熔化装置本体、多级粉尘收集装置、净化装置、风循环装置、氩气源和中央控制装置，其中，选择性激光熔化装置本体放置于一密闭箱体内，该密闭箱体与多级粉尘收集装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环。本发明的有益之处在于：系统中的气氛水含量达到≤1PPM指标、氧含量达到≤1PPM指标，达到超高纯气氛环境，加工的产品可直接使用。

Description

一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统
技术领域
本发明涉及一种选择性激光熔化系统，具体涉及一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，属于3D打印技术领域。
背景技术
选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是令金属件直接成型的一种方法，是快速成型技术的最新发展。
选择性激光熔化技术基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。采用传统的机加工手段无法制造出来的形状结构复杂的金属零件，是激光快速成型技术应用的主要方向之一。
选择性激光熔化技术具有如下的一些优点：
(1)能直接制成终端金属产品，不用任何后处理工艺或简单的表面处理，通过简单的CAD造型和材料选择即可直接加工出可直接使用的零件，极大地缩短了产品开发周期；
(2)能得到具有非平衡态过饱和固溶体及均匀细小金相组织的实体，致密度几乎能达到100％，零件机械性能与锻造工艺所得相当；
(3)使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束加工金属，使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度(达0.1mm)以及良好的表面粗糙度(Ra 30-50μm)；
(4)由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能，而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了；
(5)适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构，如空腔、三维网格以及用传统方法无法制造的复杂工件。
然而经长期使用发现，选择性激光熔化技术也存在着一定的缺点，例如：
(1)现阶段所有的选择性激光熔化设备均采用流动气体保护，这种方法在成形钛合金、铝合金等金属是容易增加成形对象的氧含量，并且在成型过程中，器件周围的水分也很大，对于特别的金属，氮含量也高，最终对零部件的性能造成影响；
(2)采用流动气体保护，一直在不停消耗惰性气体，大幅度增加了生产成本；
(3)现阶段的选择性激光熔化设备，其除尘、净化、温度不能联合控制，对产品后期的生产效果造成很大的影响；
(4)现阶段的选择性激光熔化设备，其水氧含量要求不高，一般≤50PPM即可工作，使得加工后的产品还需要进行简单的打磨抛光处理，不能一次性得到最终产品，并且由于采用流动气体保护，使得加工区域不能很好的保证为≤50PPM的环境，气氛环境不稳定；
(5)现阶段的选择性激光熔化设备，在金属熔化过程中会产生大量的烟尘及粉尘，造成对加工气氛环境的破坏，影响产品的生产效果。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，该系统不仅能够提供超高纯气氛环境，而且能够大幅降低惰性气体的消耗量，同时还能够实现除尘、净化、温度联合控制，对提高产品后期的生产效果有积极的作用。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，包括：选择性激光熔化装置本体(1)，其特征在于，还包括：多级粉尘收集装置(2)、净化装置(3)、风循环装置(5)、氩气源(8)和中央控制装置(9)；
前述中央控制装置(9)与多级粉尘收集装置(2)、净化装置(3)、风循环装置(5)和氩气源(8)信号连接，对他们的工作进行控制；
前述选择性激光熔化装置本体(1)放置于一密闭箱体内，前述密闭箱体上安装有：压力传感器(11)、氧含量传感器(12)和水含量传感器(13)，三种传感器均与前述中央控制装置(9)信号连接；
前述氩气源(8)向放置选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体内直接冲入氩气；
前述密闭箱体与多级粉尘收集装置(2)和风循环装置(5)形成闭环，多级粉尘收集装置(2)从密闭箱体的出气口收集气体，从多级粉尘收集装置(2)出来的洁净的气体直接进入风循环装置(5)中，或者经净化装置(3)净化后再进入风循环装置(5)中，从风循环装置(5)出来的气体流回放置选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体内。
前述的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，还包括：高效过滤装置(4)，从净化装置(3)出来的气体经前述高效过滤装置(4)过滤后再进入到风循环装置(5)中。
前述的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，还包括：冷却装置(6)，从风循环装置(5)出来的气体经前述冷却装置(6)冷却后再将氩气源(8)中的氩气带入密闭箱体中。
前述的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，用于放置前述选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体上设置有两个以上手套口(10)，前述手套口(10)上有手套。
前述的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，用于放置前述选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体上设置有真空过渡舱(7)。
本发明的有益之处在于：
(1)用于放置选择性激光熔化装置本体的密闭箱体与多级粉尘收集装置和风循环装置形成闭环，氩气源中的氩气在该闭环内循环，使得系统中的气氛水含量达到≤1PPM指标、氧含量达到≤1PPM指标，达到超高纯气氛环境，加工的产品可以直接使用；
(2)在闭环中增设的冷却装置，使得系统中的气氛保持恒定的工作温度，箱体内的水分子是存在与惰性气体中的，惰性气体的温度越高，水分子越活跃，蒸发量越高，惰性气体的温度越低，水分子就会凝结在箱体的壁面上，惰性系统内的水分子就少了，水含量就低了；
(3)在密闭箱体上设置手套口和真空过渡舱，手套口使得在加工好产品时不会破坏超高纯气氛环境，从真空过渡舱拿出产品，缩短了加工时间，节约了用气成本；
(4)在中央控制装置的控制下，整个系统实现了气氛的全自动净化功能，使用十分方便。
附图说明
图1是手套箱的组成示意图；
图2是本发明的选择性激光熔化系统的组成示意图。
图中附图标记的含义：1-选择性激光熔化装置本体、2-多级粉尘收集装置、3-净化装置、4-高效过滤装置、5-风循环装置、6-冷却装置、7-真空过渡舱、8-氩气源、9-中央控制装置、10-手套口、11-压力传感器、12-氧含量传感器、13-水含量传感器、14-阀门、15-阀门、16-阀门、17-阀门、18-进气阀门。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其借鉴了手套箱的设计原理，可以实现气氛的全自动净化功能，从而提供超高纯气氛环境。
一、手套箱的组成
为了方便大家理解本发明的设计思路，首先介绍手套箱的组成。
参照图1，手套箱包括：主箱体、净化装置(分子筛和铜触媒)和循环装置(风机)。
主箱体为封闭箱体，与净化装置和循环装置形成闭环系统。主箱体内为惰性气体，在循环装置的带动下，净化装置对主箱体内的惰性气体进行净化，使主箱体内惰性气体的水含量达到≤1PPM指标、氧含量达到≤1PPM指标。
为了方便物料进出主箱体内部，主箱体上设有过渡舱传递物料，过渡舱通过抽真空及补主箱体内部气源的方式，使主箱体内惰性气体的水含量达到≤1PPM指标、氧含量达到≤1PPM指标。
为了方便操作主箱体内的实验物品，主箱体上还设有两个以上的手套口，手套口上有手套，与主箱体成为密闭系统。
二、本发明的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统的组成
参照图2，本发明的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统包括：选择性激光熔化装置本体1、多级粉尘收集装置2、净化装置3、高效过滤装置4、风循环装置5、冷却装置6、氩气源8和中央控制装置9。
1、选择性激光熔化装置本体
选择性激光熔化装置本体1放置于一密闭箱体内，该密闭箱体上安装有：压力传感器11、氧含量传感器12和水含量传感器13，三种传感器均与中央控制装置9信号连接。
为了方便打印操作和取出打印后的物品，放置选择性激光熔化装置本体1的密闭箱体上设置有两个以上手套口10，手套口10上套有手套，手套与密闭箱体成为密闭系统。
为了方便打印后的物品进出密封箱体的内部，放置选择性激光熔化装置本体1的密封箱体上还设有真空过渡舱7以传递物料，真空过渡舱7通过抽真空及补密闭箱体内部气源的方式，使密闭箱体内惰性气体的水含量达到≤1PPM指标、氧含量达到≤1PPM指标。
2、多级粉尘收集装置
多级粉尘收集装置2用于初级除尘，其与密闭箱体的出气口连通。
多级粉尘收集装置2可以选用离心螺旋式除尘装置，具体的型号有CP1200、CP1600。
多级粉尘收集装置2的过滤效果可以达到100％，并且收集到的粉尘(钛合金粉末)可以再利用。
3、净化装置
净化装置3用于净化从多级粉尘收集装置2流出的气体，其与多级粉尘收集装置2的出口连通。
净化装置3可选的类型有分子筛和铜触媒，具体的型号有GP20G、GP20、GP200、GP2100、GP2200、GP2400、GP6400。
4、高效过滤装置
因为净化装置3自身会产生细微粉尘，所以需要增设相应的装置-高效过滤装置4把细微粉尘过滤掉，保证进入到放置选择性激光熔化装置本体1的密封箱体的气体的洁净度。
高效过滤装置4与净化装置3的出口连通，从净化装置3出来的气体经高效过滤装置4过滤后再进入到风循环装置5中。
高效过滤装置4采用百级过滤器，可以选用风机滤器机组，具体的型号有DWZQ-570、DWZQ-1170、DWZQ-1220。
5、风循环装置
风循环装置5用于带动闭环系统中的气体流动。
风循环装置5可以选用西门子公司生产的风机，具体的型号有2BH1300-7AH15、2BH1600-7AH16、2BH1600-7AH26。
6、冷却装置
冷却装置6用于冷却即将返回放置选择性激光熔化装置本体1的密封箱体内的气体，使得选择性激光熔化系统中的气氛保持恒定的工作温度，箱体内的水分子是存在与惰性气体中的，惰性气体的温度越高，水分子越活跃，蒸发量越高，惰性气体的温度越低，水分子就会凝结在箱体的壁面上，惰性系统内的水分子就少了，水含量就低了。
冷却装置6与风循环装置5的出口连通。从风循环装置5出来的气体经冷却装置6冷却后再返回放置选择性激光熔化装置本体1的密封箱体内。
7、氩气源
氩气源8通过进气阀门18向放置选择性激光熔化装置本体1的密闭箱体内直接冲入氩气。
8、中央控制装置
中央控制装置9与多级粉尘收集装置2、净化装置3、高效过滤装置4、风循环装置5、冷却装置6和氩气源8信号连接，对他们的工作进行控制。
用于放置选择性激光熔化装置本体1的密闭箱体与多级粉尘收集装置2、风循环装置5和冷却装置6形成闭环，多级粉尘收集装置2从密闭箱体的出气口收集气体，从多级粉尘收集装置2出来的洁净的气体直接进入风循环装置5中，或者经净化装置3净化和经高效过滤装置4过滤后再进入风循环装置5中，从风循环装置5出来的气体经冷却装置6冷却后流回放置选择性激光熔化装置本体1的密闭箱体内。
三、本发明的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统的工作过程
首先通过进气阀门18把氩气源8中的气体充入选择性激光熔化装置本体1所在的密闭箱体中，在中央控制装置9的调控下，使该密闭箱体中气氛的压力达到平衡，然后通过风循环装置5使密闭箱体中的气体依次经过多级粉尘收集装置2、净化装置3、高效过滤装置4、风循环装置5和冷却装置6，最后回到密闭箱体中；经过多次循环后，当氧含量传感器12测得密闭箱体内氧含量≤1PPM、水含量传感器13测得密闭箱体内水含量≤1PPM时，由中央控制装置9控制阀门14和阀门17关闭、控制阀门15和阀门16开启，同时，由中央控制装置9调节风循环装置5的流速，使密闭箱体内的气氛均匀的流动，此时选择性激光熔化装置本体1即可开始工作；打印后的合格产品通过手套口10放进真空过渡舱7内，然后通过3次抽真空，补选择性激光熔化装置本体1中的气体后，将产品拿出来。
由此可见，由于放置选择性激光熔化装置本体1的密闭箱体与多级粉尘收集装置2和风循环装置5形成了闭环，氩气源8中的氩气在该闭环内循环，所以使得系统中的水含量达到≤1PPM指标、氧含量达到≤1PPM指标，达到超高纯气氛环境，加工得到的产品可以直接使用。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，包括：选择性激光熔化装置本体(1)，其特征在于，还包括：多级粉尘收集装置(2)、净化装置(3)、高效过滤装置(4)、风循环装置(5)、冷却装置(6)、氩气源(8)和中央控制装置(9)；
所述中央控制装置(9)与多级粉尘收集装置(2)、净化装置(3)、高效过滤装置(4)、风循环装置(5)、冷却装置(6)和氩气源(8)信号连接，对他们的工作进行控制；
所述选择性激光熔化装置本体(1)放置于一密闭箱体内，所述密闭箱体上安装有：压力传感器(11)、氧含量传感器(12)和水含量传感器(13)，三种传感器均与所述中央控制装置(9)信号连接；
所述氩气源(8)向放置选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体内直接冲入氩气；
所述密闭箱体与多级粉尘收集装置(2)和风循环装置(5)形成闭环，氩气源(8)中的氩气在该闭环内循环，多级粉尘收集装置(2)从密闭箱体的出气口收集气体，从多级粉尘收集装置(2)出来的洁净的气体依次经净化装置(3)、高效过滤装置(4)净化过滤后进入风循环装置(5)中，从风循环装置(5)出来的气体经冷却装置(6)冷却后再将氩气源(8)中的氩气带入选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体内。
2.根据权利要求1所述的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，用于放置所述选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体上设置有两个以上手套口(10)，所述手套口(10)上套有手套。
3.根据权利要求2所述的超高纯气氛保护的选择性激光熔化系统，其特征在于，用于放置所述选择性激光熔化装置本体(1)的密闭箱体上设置有真空过渡舱(7)。
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