CN105643105B - 激光熔化成形保护循环除尘系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光熔化成形保护循环除尘系统及方法，系统包括上腔体和下腔体；下腔体的排气口连通到上腔体的进气口；上腔体的排气口连通到下腔体进气口，第2输气管路的端部延伸到下腔体的腔内，在位于下腔体腔内的第2输气管路上安装有第2电磁阀；对于位于下腔体腔外部的第2输气管路上，依次串联有粉尘过滤器、风机和第1电磁阀；另外，上腔体还连通有保护气管路，在保护气管路上安装有第3电磁阀。优点为：(1)可实时控制成形腔内为低氧含量，从而可避免熔体瞬间氧化的现象，提高激光熔化成形率；(2)可及时将激光作用于金属粉末所产生的烟雾状微尘吸入到粉尘过滤器中，防止烟雾状微尘对后续成形质量的影响，提高了成形率。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末激光熔化增材制造技术领域，具体涉及一种激光熔化成形保护循环除尘系统及方法。
背景技术
“3D打印”技术，也称为增量制造技术，产生于上个世纪80年代的美国，CAD(计算机辅助设计)、CNC(数字化控制)、自动控制、激光等技术的发展是其产生的前因，至今发展不到30年。“3D打印”技术是全球先进制造领域兴起的一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的制造技术。在此领域，我国与世界发达国家之间的技术差距较小，几乎位于同一起跑线上。之所以称之为增量制造，依据其与传统切削等材料“去除”制造工艺不同，该技术通过将粉末、液体、薄片等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体，因此被通俗叫做“3D打印”技术。该技术将三维实体整体成形，改变为若干二维平面的叠加成形，大大降低了制造复杂度。理论上，但凡能够在计算机上设计的结构模型，即可应用该技术在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计原型变为实物。目前，该技术在国防、航空航天、汽车、生物医学、模具、铸造、农业、家电、工艺美术、动漫等领域发挥着重要的作用。
未来制造业的发展水平依然是衡量一个国家整体实力的关键标志之一，而未来制造技术在数控技术、计算机、机械、材料等关联技术发展的带动下，必然走向数字化和智能化。“3D打印”技术作为整个先进制造技术当中数字化和智能化较为突出的一类，其发展也会在不同层面深刻地对制造业整体构成影响。首先，“3D打印”技术的应用领域将不断扩大(广度)；其次，“3D打印”技术在各个应用领域的应用层面不断深入(深度)；再者，3D打印技术自身的物化形式(装备与工艺)将更加丰富。由此，该技术必然会逐步渗透到国防、航空航天、汽车、生物医学等诸多领域，影响着上述各个领域的设计理论和理念，并配合其他传统技术，完善甚至更新某些司空见惯的制造方案，致使制造更为智能、简捷、绿色的产品性能更加贴近理想状态。
在3D打印技术产业当中，激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术处于高端，是未来极具发展潜力的一项金属零部件激光直接成形技术。
然而，现有技术中，在SLM成形过程中，成形腔直接在空气环境中，激光熔化金属粉末的瞬间温度达到2000℃以上，而且光斑非常细小，因此，熔体存在瞬间氧化的现象，导致无法成形。不但如此，当激光作用于金属粉末时，金属粉末中的低熔点或易挥发成分也会瞬时升华，产生烟雾状的微尘，成形时间稍久即构成对后续成形质量的影响。可见，现有SLM成形过程，存在成形质量精度有限以及成形率低的不足。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种激光熔化成形保护循环除尘系统及方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种激光熔化成形保护循环除尘系统，包括上腔体(1)和下腔体(2)；所述上腔体(1)为激光熔化成形腔体，所述上腔体(1)与所述下腔体(2)之间相互连通；
另外，所述下腔体(2)的排气口通过第1输气管路(3)连通到所述上腔体(1)的进气口；所述上腔体(1)的排气口通过第2输气管路(4)连通到所述下腔体(2)的进气口，并且，所述第2输气管路(4)的端部延伸到所述下腔体(2)的腔内，在位于所述下腔体(2)腔内的第2输气管路(4)上安装有第2电磁阀(5)；对于位于所述下腔体(2)腔外部的第2输气管路(4)上，按从上腔体(1)排气口到下腔体(2)进气口的方向，依次串联有粉尘过滤器(6)、风机(7)和第1电磁阀(8)；
另外，所述上腔体(1)还连通有保护气管路(9)，在所述保护气管路(9)上安装有第3电磁阀(10)；
另外，所述上腔体(1)还安装有氧气表(11)。
优选的，还包括控制器；所述控制器分别与所述第2电磁阀(5)、所述粉尘过滤器(6)、所述风机(7)、所述第1电磁阀(8)、所述第3电磁阀(10)以及所述氧气表(11)电连接。
优选的，所述第1电磁阀(8)为常闭电磁阀；所述第2电磁阀(5)为常开电磁阀；所述第3电磁阀(10)为常闭电磁阀。
本发明还提供一种激光熔化成形保护循环除尘方法，包括以下步骤：
步骤1，控制器控制第1电磁阀(8)打开、第2电磁阀(5)和第3电磁阀(10)关闭；
步骤2，控制器启动风机(7)运行5～20秒，在风机(7)的作用下，下腔体(2)内的气体通过第1输气管路(3)被吸入到上腔体(1)，上腔体(1)内的气体又被吸入到第2输气管路(4)，最终通过第2输气管路(4)上的第1电磁阀(8)被排放到外界大气中，使上腔体(1)和下腔体(2)的内部气压处于-20KPa到0KPa的范围内；
步骤3，然后，控制器停止运行风机(7)，并控制第1电磁阀(8)关闭，第2电磁阀(5)继续处于关闭状态，并打开第3电磁阀(10)，以5-15L/min的流速，通过保护气管路(9)向上腔体(1)内通入保护气，保护气通入时间为5-60秒，在结束通入保护气后，停留3～30s，使上腔体(1)的内部气压达到常压状态；
步骤4，重复步骤1-步骤3，重复次数为1～5次，直到上腔体(1)所安装的氧气表(11)所显示的氧含量在预定范围内时，结束执行步骤1-步骤3，从而完成腔内气体初步净化过程；
步骤5，然后，控制器控制第1电磁阀(8)、第2电磁阀(5)和第3电磁阀(10)均处于关闭状态，控制器启动风机(7)，上腔体(1)为激光熔化成形腔体，上腔体(1)内的激光熔化成形器件开始进行零件成形的工艺；
在风机(7)的作用下，使下腔体(2)、第1输气管路(3)、上腔体(1)和第2输气管路(4)形成内循环，因此，上腔体(1)进行零件成形时产生的烟尘，通过气流带动，能够及时被吸入到粉尘过滤器(6)中，并通过粉尘过滤器(6)过滤掉零件成形所产生的烟尘；
步骤6，在上腔体(1)内进行零件成形的过程中，控制器通过氧气表(11)上传的数据，能够实时检测到上腔体(1)的腔内氧含量值；
控制器实时判断上腔体(1)的腔内氧含量值是否低于预设极大值，如果低于，则打开第3电磁阀(10)，以5-15L/min的流速，通过保护气管路(9)向上腔体(1)内通入保护气，直到上腔体(1)的腔内氧含量值低于预设极大值。
优选的，步骤3中，通过保护气管路(9)向上腔体(1)内通入的保护气为不活泼气体。
优选的，所述不活泼气体为氮气、CO2或氩气。
优选的，步骤4中，氧含量的预定范围为：质量含量为0.001％～0.8％。
本发明提供的激光熔化成形保护循环除尘系统及方法具有以下优点：
(1)在控制器的控制下，氧气表反馈信息与保护气通断形成维持低氧气目标含量回路，在整个激光熔化成形过程中，可实时控制成形腔内为低氧含量，从而可避免熔体瞬间氧化的现象，提高激光熔化成形率；
(2)在整个激光熔化成形过程中，在风机的作用，可及时将激光作用于金属粉末所产生的烟雾状微尘吸入到粉尘过滤器中，并通过粉尘过滤器及时过滤掉零件成形所产生的烟尘，防止烟雾状微尘对后续成形质量的影响，提高了成形率；
(3)系统只配置一台风机，兼有除尘和腔内预抽真空的功能，从而降低了系统成本，简化了系统结构复杂度。
附图说明
图1为本发明提供的激光熔化成形保护循环除尘系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
结合图1，本发明提供一种激光熔化成形保护循环除尘系统，包括上腔体1和下腔体2；上腔体1与下腔体2之间相互连通；对于3D打印机来讲，上腔体1为激光熔化成形腔体，下腔体2指与上腔体1连通，用于提供3D打印成形的相关辅助设备。
另外，下腔体2的排气口通过第1输气管路3连通到上腔体1的进气口；上腔体1的排气口通过第2输气管路4连通到下腔体2的进气口，并且，第2输气管路4的端部延伸到下腔体2的腔内，在位于下腔体2腔内的第2输气管路4上安装有第2电磁阀5，通过控制第2电磁阀5的打开或关闭状态，可控制下腔体2内部气体是否可被吸入到第2电磁阀5。
对于位于下腔体2腔外部的第2输气管路4上，按从上腔体1排气口到下腔体2进气口的方向，依次串联有粉尘过滤器6、风机7和第1电磁阀8，其中，粉尘过滤器6可对吸入到第2输气管路4的烟尘进行粉尘过滤；通过控制第1电磁阀8的打开或关闭状态，可控制第2输气管路4是否与外界大气相通。
另外，上腔体1还连通有保护气管路9，在保护气管路9上安装有第3电磁阀10；通过控制第3电磁阀10的打开或关闭状态，可控制保护气管路是否向上腔体输入保护气。
另外，上腔体1还安装有氧气表11，通过氧气表的读数，可获知上腔体1内部的含氧量。
另外，为实现整个系统的自动控制，还包括控制器；控制器分别与第2电磁阀5、粉尘过滤器6、风机7、第1电磁阀8、第3电磁阀10以及氧气表11电连接。实际应用中，第1电磁阀8为常闭电磁阀；第2电磁阀5为常开电磁阀；第3电磁阀10为常闭电磁阀。
本发明还提供一种激光熔化成形保护循环除尘方法，包括以下步骤：
步骤1，控制器控制第1电磁阀8打开、第2电磁阀5和第3电磁阀10关闭；
当第1电磁阀8为常闭电磁阀、第2电磁阀5为常开电磁阀、第3电磁阀10为常闭电磁阀时，控制第1电磁阀8打开是指：对第1电磁阀8通电；控制第2电磁阀5关闭是指：对第2电磁阀5通电；控制第3电磁阀10关闭是指：控制第3电磁阀断电。
步骤2，控制器启动风机7运行5～20秒，在风机7的作用下，下腔体2内的气体通过第1输气管路3被吸入到上腔体1，上腔体1内的气体又被吸入到第2输气管路4，最终通过第2输气管路4上的第1电磁阀8被排放到外界大气中，使上腔体1和下腔体2的内部气压处于-20KPa到0KPa的微负压范围内；
步骤3，然后，控制器停止运行风机7，并控制第1电磁阀8关闭，第2电磁阀5继续处于关闭状态，并打开第3电磁阀10，以5-15L/min的流速，通过保护气管路9向上腔体1内通入保护气，保护气通入时间为5-60秒，在结束通入保护气后，停留3～30s，使上腔体1的内部气压达到常压状态；
由于现有的3D打印机在进行激光熔化成形时，所处环境为空气，因此，熔体存在瞬间氧化的现象，而本发明中，通过向上腔体通入保护气，保证上腔体为低氧状态，从而可避免熔体瞬间氧化的现象，提高激光熔化成形率。具体的，本发明所通入的保护气，只要为非氧的不活泼气体即可，包括但不限于氮气、CO2或氩气等。
步骤4，重复步骤1-步骤3，重复次数为1～5次，直到上腔体1所安装的氧气表11所显示的氧含量在预定范围内时，结束执行步骤1-步骤3，从而完成腔内气体初步净化过程；
实际应用中，氧含量的预定范围为：质量含量为0.001％～0.8％，即可避免熔体瞬间氧化。
步骤5，然后，控制器控制第1电磁阀8、第2电磁阀5和第3电磁阀10均处于关闭状态，控制器启动风机7，上腔体1为激光熔化成形腔体，上腔体1内的激光熔化成形器件开始进行零件成形的工艺；
在风机7的作用下，使下腔体2、第1输气管路3、上腔体1和第2输气管路4形成内循环，因此，上腔体1进行零件成形时产生的烟尘，通过气流带动，能够及时被吸入到粉尘过滤器6中，并通过粉尘过滤器6过滤掉零件成形所产生的烟尘；
步骤6，在上腔体1内进行零件成形的过程中，由于上腔体气密性等限制，必然会存在部分空气渗入到上腔体而导致上腔体氧含量上升的问题，因此，控制器通过氧气表11上传的数据，能够实时检测到上腔体1的腔内氧含量值，并实时判断上腔体1的腔内氧含量值是否低于预设极大值，即0.8％质量含量，如果低于，则打开第3电磁阀10，以5-15L/min的流速，通过保护气管路9向上腔体1内通入保护气，直到上腔体1的腔内氧含量值低于预设极大值，从而实时保证上腔体1的腔内氧含量处于预设定的安全范围内。
由此可见，本发明提供的激光熔化成形保护循环除尘系统及方法，具有以下优点：
(1)在控制器的控制下，氧气表反馈信息与保护气通断形成维持低氧气目标含量回路，在整个激光熔化成形过程中，可实时控制成形腔内为低氧含量，从而可避免熔体瞬间氧化的现象，提高激光熔化成形率；
(2)在整个激光熔化成形过程中，在风机的作用，可及时将激光作用于金属粉末所产生的烟雾状微尘吸入到粉尘过滤器中，并通过粉尘过滤器及时过滤掉零件成形所产生的烟尘，防止烟雾状微尘对后续成形质量的影响，提高了成形率；
(3)系统只配置一台风机，兼有除尘和腔内预抽真空的功能，从而降低了系统成本，简化了系统结构复杂度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光熔化成形保护循环除尘方法，其特征在于，用于激光熔化成形保护循环除尘系统中；激光熔化成形保护循环除尘系统包括上腔体(1)和下腔体(2)；所述上腔体(1)为激光熔化成形腔体，所述上腔体(1)与所述下腔体(2)之间相互连通；
另外，所述下腔体(2)的排气口通过第1输气管路(3)连通到所述上腔体(1)的进气口；所述上腔体(1)的排气口通过第2输气管路(4)连通到所述下腔体(2)的进气口，并且，所述第2输气管路(4)的端部延伸到所述下腔体(2)的腔内，在位于所述下腔体(2)腔内的第2输气管路(4)上安装有第2电磁阀(5)；对于位于所述下腔体(2)腔外部的第2输气管路(4)上，按从上腔体(1)排气口到下腔体(2)进气口的方向，依次串联有粉尘过滤器(6)、风机(7)和第1电磁阀(8)；
另外，所述上腔体(1)还连通有保护气管路(9)，在所述保护气管路(9)上安装有第3电磁阀(10)；
另外，所述上腔体(1)还安装有氧气表(11)；
激光熔化成形保护循环除尘方法包括以下步骤：
步骤1，控制器控制第1电磁阀(8)打开、第2电磁阀(5)和第3电磁阀(10)关闭；
步骤2，控制器启动风机(7)运行5～20秒，在风机(7)的作用下，下腔体(2)内的气体通过第1输气管路(3)被吸入到上腔体(1)，上腔体(1)内的气体又被吸入到第2输气管路(4)，最终通过第2输气管路(4)上的第1电磁阀(8)被排放到外界大气中，使上腔体(1)和下腔体(2)的内部气压处于-20KPa到0KPa的范围内；
步骤3，然后，控制器停止运行风机(7)，并控制第1电磁阀(8)关闭，第2电磁阀(5)继续处于关闭状态，并打开第3电磁阀(10)，以5-15L/min的流速，通过保护气管路(9)向上腔体(1)内通入保护气，保护气通入时间为5-60秒，在结束通入保护气后，停留3～30s，使上腔体(1)的内部气压达到常压状态；
步骤4，重复步骤1-步骤3，重复次数为1～5次，直到上腔体(1)所安装的氧气表(11)所显示的氧含量在预定范围内时，结束执行步骤1-步骤3，从而完成腔内气体初步净化过程；
步骤5，然后，控制器控制第1电磁阀(8)、第2电磁阀(5)和第3电磁阀(10)均处于关闭状态，控制器启动风机(7)，上腔体(1)为激光熔化成形腔体，上腔体(1)内的激光熔化成形器件开始进行零件成形的工艺；
在风机(7)的作用下，使下腔体(2)、第1输气管路(3)、上腔体(1)和第2输气管路(4)形成内循环，因此，上腔体(1)进行零件成形时产生的烟尘，通过气流带动，能够及时被吸入到粉尘过滤器(6)中，并通过粉尘过滤器(6)过滤掉零件成形所产生的烟尘；
步骤6，在上腔体(1)内进行零件成形的过程中，控制器通过氧气表(11)上传的数据，能够实时检测到上腔体(1)的腔内氧含量值；
控制器实时判断上腔体(1)的腔内氧含量值是否低于预设极大值，如果低于，则打开第3电磁阀(10)，以5-15L/min的流速，通过保护气管路(9)向上腔体(1)内通入保护气，直到上腔体(1)的腔内氧含量值低于预设极大值。
2.根据权利要求1所述的激光熔化成形保护循环除尘方法，其特征在于，步骤3中，通过保护气管路(9)向上腔体(1)内通入的保护气为不活泼气体。
3.根据权利要求2所述的激光熔化成形保护循环除尘方法，其特征在于，所述不活泼气体为氮气、CO2或氩气。
4.根据权利要求1所述的激光熔化成形保护循环除尘方法，其特征在于，步骤4中，氧含量的预定范围为：质量含量为0.001％～0.8％。
5.根据权利要求1所述的激光熔化成形保护循环除尘方法，其特征在于，还包括控制器；所述控制器分别与所述第2电磁阀(5)、所述粉尘过滤器(6)、所述风机(7)、所述第1电磁阀(8)、所述第3电磁阀(10)以及所述氧气表(11)电连接。
6.根据权利要求1所述的激光熔化成形保护循环除尘方法，其特征在于，所述第1电磁阀(8)为常闭电磁阀；所述第2电磁阀(5)为常开电磁阀；所述第3电磁阀(10)为常闭电磁阀。
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