CN106541134A - 一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备 - Google Patents

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Abstract

一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，包括真空手套箱，真空手套箱上部连接有激光光路系统，真空手套箱下部连接有可升降推拉式成型缸系统，可升降推拉式成型缸系统左右两侧分别连接有两个快速可拆卸粉末收集装置，真空手套箱左侧通过隔离保护锁紧装置和真空过渡舱连接，真空过渡舱左侧设有舱门压紧装置，真空手套箱左下侧设有保护气体入口，真空手套箱右侧通过真空管道与真空泵组连接，真空管道上设置有真空管道阀门，真空手套箱右侧设有真空保护阀门，真空手套箱激光选区融化增材制造设备与中央控制系统相连，本发明在真空环境中进行激光选区熔化加工，提高了成型件的质量,提高了工作效率。

Description

一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备。
背景技术
近几年来，得益于激光选区融化技术在增材制造领域的突出优势，特别是其在金属件直接成形中具有极大的研究及应用价值,激光选区融化技术逐渐成为增材制造领域的研究热点之一。
在激光选区融化技术中普遍的采用保护气氛常压保护的方法控制3D打印过程中的氧含量，在高精度的气体净化系统中氧含量甚至可以控制在1-10ppm左右，这对于降低3D打印过程中，尤其是金属零件等在打印过程中的氧化起到了极好的作用。然而对于常压保护气氛来讲，其也面临着一些困难：(1)对氧含量控制要求更高的3D打印航空及医疗零件来讲，如何彻底避免制造过程中的除了材料元素自身以外所造成的氧化，从而提高零件的整体性能，是一个亟待解决的关键问题；(2)在激光扫描过程中，金属粉末间隙中存在的保护气体由于受到局部高温造成体积膨胀，从而造成金属熔池熔液飞溅及形成气泡等缺陷，从而导致金属零件的精度及机械性能降低；(3)对于部分高熔点金属来讲，在常压状态下其较高的熔点对于激光选区融化技术来讲也是一个难点；(4)循环的保护气氛带走了较大的热量，使得激光选区融化制造过程中加工零件温度梯度较大，从而导致残余应力的产生。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，本设备可以在真空无氧环境中进行激光选区熔化加工，能够彻底避免除材料自身元素以外的制造过程中氧化现象；降低因为金属粉末间隙中存在保护气体在局部高温环境中体积膨胀所造成金属熔池熔液飞溅及形成气泡等缺陷；降低部分高熔点金属制造过程的熔点，降低加工难度；避免保护气氛对流与传热所造成的加工过程中零件表面温度梯度大而引起的残余应力。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，包括真空手套箱1，真空手套箱1上部连接有激光光路系统3，真空手套箱1下部连接有可升降推拉式成型缸系统14，可升降推拉式成型缸系统14左右两侧分别连接有两个快速可拆卸粉末收集装置16，真空手套箱1左侧通过隔离保护锁紧装置19和真空过渡舱21连接，真空过渡舱21左侧设有舱门压紧装置22，真空手套箱1左下侧设有保护气体入口20，真空手套箱1右侧通过真空管道11与真空泵组13连接，真空管道11上设置有真空管道阀门12，真空手套箱1右侧设有真空保护阀门23。
所述的基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备与中央控制系统相连。
所述的真空手套箱1上部和粉末存储仓7连通，粉末存储仓7通过自适应管道9与上供粉系统10连接，粉末存储仓7与真空手套箱1内部的可移动两侧供粉铺粉系统8相配合。
所述的真空手套箱1内部上侧分别设置有温度传感器4、压力传感器5、氧含量传感器6。
所述的可升降推拉式成型缸系统14与真空手套箱1之间设置了通过螺钉连接的可拆卸真空保护隔离板15。
所述的隔离保护锁紧装置19包括锁紧板24，锁紧板24上下两侧分别设置有锁紧板轨道26，锁紧板轨道26固在真空手套箱1上，每一个锁紧板轨道26上分别设置有两个压紧气缸27，锁紧板24朝向真空手套箱1一侧设置有把手25，通过锁紧板24的开合实现真空手套箱1和真空过渡舱21的密封与连通。
所述的真空手套箱1前部设计为真空玻璃窗18，真空玻璃窗18设有两个手套圆形窗口2，手套圆形窗口2通过真空密封装置17和真空玻璃窗18连接。
所述的真空密封装置17包括真空密封箱体28，真空密封箱体28连接在真空玻璃窗18上，真空密封箱体28内部设有一块可移动真空挡板30，可移动真空挡板30与真空玻璃窗18之间通过锁紧螺钉29锁紧，可移动真空挡板30上设有连通真空密封箱体28外侧的手动推杆31，可移动真空挡板30与真空玻璃窗18之间设有橡胶密封圈32。
使用一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备的加工方法，包括以下步骤：
第一步，物料及设备准备：将成型工作基板安装在可升降推拉式成型缸系统14上，通过可升降推拉式成型缸系统14的升降功能、水平移动调节功能使得成型缸与真空手套箱1下部工作台完成正确定位，并锁紧；然后通过上供粉系统10和自适应管道9将加工需要的粉末输送至粉末存储仓7，同时通过粉末存储仓7将所需粉末预存至可移动两侧供粉铺粉系统8内部；
第二步，抽真空：关闭真空过渡舱21与真空手套箱1之间舱门，顺序动作为：拉动把手25将锁紧板24沿着锁紧板轨道26移动至真空过渡舱21与真空手套箱1接口处，启动压紧气缸27将锁紧板24锁死密封，实现隔离保护锁紧装置19的密封功能，将此动作顺序反转即实现隔离保护锁紧装置19连通功能；将真空手套箱1上橡胶手套从手套圆形窗口2掏出，推动手动推杆31带动可移动真空挡板30移至真空玻璃窗18与手套圆形窗口2连通处，旋转4个锁紧螺钉29，使得真空移动挡板30压紧在真空玻璃窗18上，实现真空密封装置17的真空密封功能，将此动作顺序反转后即可实现真空密封装置17的导通功能；将粉末存储仓7与自适应管道9接口处锁死；
通过中央控制系统启动真空管道阀门12和真空泵组13开始抽真空，压力传感器5检测真空手套箱1内真空度，经过中央控制系统数据处理后反馈给真空泵组13及真空管道阀门12，最终使得真空手套箱1内到达0.1pa真空度；
第三步，激光选区熔化加工：通过中央控制系统发出指令给各组件部分顺序动作，具体为：激光光路系统3发出激光，开始SLM加工；
激光选区熔化加工过程中温度传感器4、压力传感器5、氧含量传感器6实时检测过程工艺参数，并通过中央控制系统中进行数据处理及存储；
可移动两侧供粉铺粉系统8在加工过程中分别通过旋转供粉轴向刮板两侧定量供粉，然后开始铺粉工作，当可移动两侧供粉铺粉系统8内预存粉末使用相应量后，可移动两侧供粉铺粉系统8完成一次向右运动铺粉后停泊在起点位置，粉末存储仓7开始对可移动两侧供粉铺粉系统8定量供粉，如此循环动作保证加工过程顺利进行；
第四步，通入平衡气氛：完成加工后，通过保护气体入口20给真空手套箱1内通入保护气氛；
第五步，取出工件：取出工件有两种方式，第一种方式，工件由真空过渡舱21运出，先开启隔离保护锁紧装置19连通功能，通过橡胶手套将工件送入真空过渡舱21中，然后开启隔离保护锁紧装置19的密封功能，打开舱门压紧装置22，将工件从真空过渡舱21中取出，此种方式适用于重量较轻，体积较小，数量较少的工件；
第二种方式，工件由可升降推拉式成型缸系统14移出，具体为：通过手套圆形窗口2将可拆卸真空保护隔离板15安装在成型缸上方的真空手套箱1工作平台上，并通过螺钉锁紧；通过可升降推拉式成型缸系统14的升降功能和水平移动功能，完成成型缸的移出功能，随后将工件从成型缸内取出，此种方法适用于重量及体积较大，或数量较多的工件；
第六步，清扫收尾：成形工件移出后，将真空手套箱1成型室内散落粉末收集入快速可拆卸粉末收集装置16内，取下罐体进行粉末后处理；关闭设备及各部分电源，加工完成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明设备采用真空箱体保护结构可以实现SLM加工过程中真空无氧环境，避免了加工零件氧化的问题，从而提高零件整体性能；降低因为金属粉末间隙中存在保护气体在局部高温环境中体积膨胀所造成金属熔池熔液飞溅及形成气泡等缺陷；降低部分高熔点金属熔点；避免零件在激光加工过程中热量的散失。
本发明设备通过真空手套箱1结构与真空过渡舱21结合，在进行加工准备时即拥有手套操作的便利性，同时又拥有真空过渡舱对无氧环境的保护作用和物料输送的便捷性。
可升降推拉式成型缸系统14与真空手套箱1之间设置了可拆卸真空保护隔离板15，既可以实现在加工前后成型缸的升降移出功能，从而加快成型缸内工件的拆卸及清理工作，扩大了使用人员的操作空间，加快了整个加工过程的工作效率，同时又尽量减少破坏真空手套箱1内的无氧环境。
真空手套箱1上设计的真空密封装置17通过真空密封箱体28、锁紧螺钉29、可移动真空挡板30、手动推杆31、橡胶密封圈32联合动作可以快速实现手套操作与真空密封隔离功能。
真空过渡舱21与可升降推拉式成型缸系统14相结合，使得加工后工件取出方式可以针对不同实际情况选择经过真空过渡舱21取出或经过可升降推拉式成型缸14取出，使得设备操作更灵活，选择双重化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为隔离保护锁紧装置19结构示意图。
图3为真空密封装置17结构示意图，图(a)是正视图，图(b)是图(a)的A-A截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，包括真空手套箱1，真空手套箱1上部设置有激光光路系统3，激光光路系统3包含准直器、扩束镜、振镜、激光器等；真空手套箱1下部连接有可升降推拉式成型缸系统14，可升降推拉式成型缸系统14依靠具有升降及锁紧功能的电动气缸和水平方向的滑动轨道，从而实现其上下方向升降及水平方向移动功能；可升降推拉式成型缸系统14左右两侧分别连接有两个快速可拆卸粉末收集装置16，快速可拆卸粉末收集装置16中部采用真空球阀实现快速可拆卸粉末收集装置16上下两部分的导通与关闭；真空手套箱1左侧通过隔离保护锁紧装置19和真空过渡舱21连接，真空过渡舱21左侧设有舱门压紧装置22，通过旋转法兰盘从而实现真空过渡舱21舱门的密封与导通；真空手套箱1左下侧设有保护气体入口20，保护气体入口20上设有真空球阀开关；真空手套箱1右侧通过真空管道11与真空泵组13连接，真空管道11上设置有真空管道阀门12，真空手套箱1右侧设有真空保护阀门23。
所述的基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备与中央控制系统相连。
所述的真空手套箱1上部和粉末存储仓7连通，粉末存储仓7上部通过自适应管道9与上供粉系统10相连，粉末存储仓7与自适应管道9接口处设有控制其连通与密封的真空电磁阀，粉末存储仓7与真空手套箱1内部的可移动两侧供粉铺粉系统8相配合，粉末存储仓7可以定时定量向可移动两侧供粉铺粉系统8输送粉末。
所述的真空手套箱1内部上侧分别设置有温度传感器4、压力传感器5、氧含量传感器6。
所述的可升降推拉式成型缸系统14与真空手套箱1之间设置了通过螺钉连接的可拆卸真空保护隔离板15。
如图2所示，所述的隔离保护锁紧装置19包括锁紧板24，锁紧板24上下两侧分别设置有锁紧板轨道26，锁紧板24在锁紧板轨道26上滑动，锁紧板轨道26通过螺钉紧固在真空手套箱1上，每一个锁紧板轨道26上分别设置有两个压紧气缸27，压紧气缸27工作时将锁紧板24压紧，从而实现真空手套箱1与真空过渡舱21的密封功能，锁紧板24朝向真空手套箱1一侧设置有把手25，压紧气缸关闭时，通过锁紧板24上的把手25将压紧板24移位，通过锁紧板24的开合实现真空手套箱1和真空过渡舱21的密封与连通。
所述的真空手套箱1前部设计为真空玻璃窗18，真空玻璃窗18设有两个手套圆形窗口2，手套圆形窗口2通过真空密封装置17和真空玻璃窗18连接。
如图3所示，所述的真空密封装置17包括真空密封箱体28，真空密封箱体28通过螺钉连接在真空玻璃窗18上，真空密封箱体28内部设有一块可移动真空挡板30，可移动真空挡板30与真空玻璃窗18之间通过4个锁紧螺钉29锁紧，可移动真空挡板30上设有连通真空密封箱体28外侧的手动推杆31，可移动真空挡板30与真空玻璃窗18之间设有橡胶密封圈32,通过真空密封箱体28、锁紧螺钉29、可移动真空挡板30、手动推杆31、橡胶密封圈32联合动作可以快速实现手套操作与真空密封隔离功能。
使用一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备的加工方法，包括以下步骤：
第一步，物料及设备准备：将成型工作基板安装在可升降推拉式成型缸系统14上，通过可升降推拉式成型缸系统14的升降功能、水平移动调节功能使得成型缸与真空手套箱1下部工作台完成正确定位，并锁紧；然后通过上供粉系统10和自适应管道9将加工需要的粉末输送至粉末存储仓7，同时通过粉末存储仓7将所需粉末预存至可移动两侧供粉铺粉系统8内部；
第二步，抽真空：关闭真空过渡舱21与真空手套箱1之间舱门，顺序动作为：拉动把手25将锁紧板24沿着锁紧板轨道26移动至真空过渡舱21与真空手套箱1接口处，启动压紧气缸27将锁紧板24锁死密封，实现隔离保护锁紧装置19的密封功能，将此动作顺序反转即实现隔离保护锁紧装置19连通功能；将真空手套箱1上橡胶手套从手套圆形窗口2掏出，推动手动推杆31带动可移动真空挡板30移至真空玻璃窗18与手套圆形窗口2连通处，旋转4个锁紧螺钉29，使得真空移动挡板30压紧在真空玻璃窗18上，实现真空密封装置17的真空密封功能，将此动作顺序反转后即可实现真空密封装置17的导通功能；将粉末存储仓7与自适应管道9接口处锁死；
通过中央控制系统启动真空管道阀门12和真空泵组13开始抽真空，压力传感器5检测真空手套箱1内真空度，经过中央控制系统数据处理后反馈给真空泵组13及真空管道阀门12，最终使得真空手套箱1内到达0.1pa真空度；
第三步，激光选区熔化加工：通过中央控制系统发出指令给各组件部分顺序动作，具体为：激光光路系统3发出激光，开始SLM加工；
激光选区熔化加工过程中温度传感器4、压力传感器5、氧含量传感器6实时检测过程工艺参数，并通过中央控制系统中进行数据处理及存储；
可移动两侧供粉铺粉系统8在加工过程中分别通过旋转供粉轴向刮板两侧定量供粉，然后开始铺粉工作，当可移动两侧供粉铺粉系统8内预存粉末使用相应量后，可移动两侧供粉铺粉系统8完成一次向右运动铺粉后停泊在起点位置，粉末存储仓7开始对可移动两侧供粉铺粉系统8定量供粉，如此循环动作保证加工过程顺利进行；
第四步，通入平衡气氛：完成加工后，通过保护气体入口20给真空手套箱1内通入保护气氛；
第五步，取出工件：取出工件有两种方式，第一种方式，工件由真空过渡舱21运出，先开启隔离保护锁紧装置19连通功能，通过橡胶手套将工件送入真空过渡舱21中，然后开启隔离保护锁紧装置19的密封功能，打开舱门压紧装置22，将工件从真空过渡舱21中取出，此种方式适用于重量较轻，体积较小，数量较少的工件；
第二种方式，工件由可升降推拉式成型缸系统14移出，具体为：通过手套圆形窗口2将可拆卸真空保护隔离板15安装在成型缸上方的真空手套箱1工作平台上，并通过螺钉锁紧；通过可升降推拉式成型缸系统14的升降功能和水平移动功能，完成成型缸的移出功能，随后将工件从成型缸内取出，此种方法适用于重量及体积较大，或数量较多的工件；
第六步，清扫收尾：成形工件移出后，将真空手套箱1成型室内散落粉末收集入快速可拆卸粉末收集装置16内，取下罐体进行粉末后处理；关闭设备及各部分电源，加工完成。

Claims (9)

1.一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，包括真空手套箱(1)，其特征在于：真空手套箱(1)上部连接有激光光路系统(3)，真空手套箱(1)下部连接有可升降推拉式成型缸系统(14)，可升降推拉式成型缸系统(14)左右两侧分别连接有两个快速可拆卸粉末收集装置(16)，真空手套箱(1)左侧通过隔离保护锁紧装置(19)和真空过渡舱(21)连接，真空过渡舱(21)左侧设有舱门压紧装置(22)，真空手套箱(1)左下侧设有保护气体入口(20)，真空手套箱(1)右侧通过真空管道(11)与真空泵组(13)连接，真空管道(11)上设置有真空管道阀门(12)，真空手套箱(1)右侧设有真空保护阀门(23)。
2.根据权利要求1所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备与中央控制系统相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的真空手套箱(1)上部和粉末存储仓(7)连通，粉末存储仓(7)通过自适应管道(9)与上供粉系统(10)连接，粉末存储仓(7)与真空手套箱(1)内部的可移动两侧供粉铺粉系统(8)相配合。
4.根据权利要求1所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的真空手套箱(1)内部上侧分别设置有温度传感器(4)、压力传感器(5)、氧含量传感器(6)。
5.根据权利要求1所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的可升降推拉式成型缸系统(14)与真空手套箱(1)之间设置了通过螺钉连接的可拆卸真空保护隔离板(15)。
6.根据权利要求1所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的隔离保护锁紧装置(19)包括锁紧板(24)，锁紧板(24)上下两侧分别设置有锁紧板轨道(26)，锁紧板轨道(26)固在真空手套箱(1)上，每一个锁紧板轨道(26)上分别设置有两个压紧气缸(27)，锁紧板(24)朝向真空手套箱(1)一侧设置有把手(25)，通过锁紧板(24)的开合实现真空手套箱(1)和真空过渡舱(21)的密封与连通。
7.根据权利要求1所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的真空手套箱(1)前部设计为真空玻璃窗(18)，真空玻璃窗(18)设有两个手套圆形窗口(2)，手套圆形窗口(2)通过真空密封装置(17)和真空玻璃窗(18)连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备，其特征在于：所述的真空密封装置(17)包括真空密封箱体(28)，真空密封箱体(28)连接在真空玻璃窗(18)上，真空密封箱体(28)内部设有一块可移动真空挡板(30)，可移动真空挡板(30)与真空玻璃窗(18)之间通过锁紧螺钉(29)锁紧，可移动真空挡板(30)上设有连通真空密封箱体(28)外侧的手动推杆(31)，可移动真空挡板(30)与真空玻璃窗(18)之间设有橡胶密封圈(32)。
9.使用一种基于真空无氧环境的手套箱式激光选区融化设备的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，物料及设备准备：将成型工作基板安装在可升降推拉式成型缸系统(14)上，通过可升降推拉式成型缸系统(14)的升降功能、水平移动调节功能使得成型缸与真空手套箱(1)下部工作台完成正确定位，并锁紧；然后通过上供粉系统(10)和自适应管道(9)将加工需要的粉末输送至粉末存储仓(7)，同时通过粉末存储仓(7)将所需粉末预存至可移动两侧供粉铺粉系统(8)内部；
第二步，抽真空：关闭真空过渡舱(21)与真空手套箱(1)之间舱门，顺序动作为：拉动把手(25)将锁紧板(24)沿着锁紧板轨道(26)移动至真空过渡舱(21)与真空手套箱(1)接口处，启动压紧气缸(27)将锁紧板(24)锁死密封，实现隔离保护锁紧装置(19)的密封功能，将此动作顺序反转即实现隔离保护锁紧装置(19)连通功能；将真空手套箱(1)上橡胶手套从手套圆形窗口(2)掏出，推动手动推杆(31)带动可移动真空挡板(30)移至真空玻璃窗(18)与手套圆形窗口(2)连通处，旋转4个锁紧螺钉(29)，使得真空移动挡板(30)压紧在真空玻璃窗(18)上，实现真空密封装置(17)的真空密封功能，将此动作顺序反转后即实现真空密封装置(17)的导通功能；将粉末存储仓(7)与自适应管道(9)接口处锁死；
通过中央控制系统启动真空管道阀门(12)和真空泵组(13)开始抽真空，压力传感器(5)检测真空手套箱(1)内真空度，经过中央控制系统数据处理后反馈给真空泵组(13)及真空管道阀门(12)，最终使得真空手套箱(1)内到达0.1pa真空度；
第三步，激光选区熔化加工：通过中央控制系统发出指令给各组件部分顺序动作，具体为：激光光路系统(3)发出激光，开始SLM加工；
激光选区熔化加工过程中温度传感器(4)、压力传感器(5)、氧含量传感器(6)实时检测过程工艺参数，并通过中央控制系统中进行数据处理及存储；
可移动两侧供粉铺粉系统(8)在加工过程中分别通过旋转供粉轴向刮板两侧定量供粉，然后开始铺粉工作，当可移动两侧供粉铺粉系统(8)内预存粉末使用相应量后，可移动两侧供粉铺粉系统(8)完成一次向右运动铺粉后停泊在起点位置，粉末存储仓(7)开始对可移动两侧供粉铺粉系统(8)定量供粉，如此循环动作保证加工过程顺利进行；
第四步，通入平衡气氛：完成加工后，通过保护气体入口(20)给真空手套箱(1)内通入保护气氛；
第五步，取出工件：取出工件有两种方式，第一种方式，工件由真空过渡舱(21)运出，先开启隔离保护锁紧装置(19)连通功能，通过橡胶手套将工件送入真空过渡舱(21)中，然后开启隔离保护锁紧装置(19)的密封功能，打开舱门压紧装置(22)，将工件从真空过渡舱(21)中取出，此种方式适用于重量较轻，体积较小，数量较少的工件；
第二种方式，工件由可升降推拉式成型缸系统(14)移出，具体为：通过手套圆形窗口(2)将可拆卸真空保护隔离板(15)安装在成型缸上方的真空手套箱(1)工作平台上，并通过螺钉锁紧；通过可升降推拉式成型缸系统(14)的升降功能和水平移动功能，完成成型缸的移出功能，随后将工件从成型缸内取出，此种方法适用于重量及体积较大，或数量较多的工件；
第六步，清扫收尾：成形工件移出后，将真空手套箱(1)成型室内散落粉末收集入快速可拆卸粉末收集装置(16)内，取下罐体进行粉末后处理；关闭设备及各部分电源，加工完成。
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