CN107695349A - 用于3d打印的惰性气体动态平衡系统以及平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的惰性气体动态平衡系统，其包括：密封箱体，其用于为所述3D打印提供密闭的操作空间；气路循环组件，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前为所述密封箱体提供惰性气体，在所述密封箱体内形成惰性气体氛围以及循环气路；以及净化组件，其连通所述密封箱体，用于对所述惰性气体氛围中的气体进行净化。上述惰性气体动态平衡系统能够给金属粉末的打印提供良好的惰性气体氛围，可打印各种易受氧化的金属粉末材料，从而保证了打印的层片表面质量，最终保证了整个样件的良好打印效果。

Description

用于3D打印的惰性气体动态平衡系统以及平衡方法

技术领域

本发明涉及激光3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印的惰性气体动态平衡系统以及平衡方法。

背景技术

针对金属粉末3D打印技术领域，由于很多粉末材料对气氛环境有较高要求，特别是钛合金或铝合金粉末在空气环境下打印极易被氧化，因此产生表面质量差、飞溅大、致密度差等缺陷，从而最终导致样件打印失败。而对气氛环境要求较高的粉末材料一般都采用在真空环境下进行激光打印，但真空环境由于箱体内外压差较大，会对激光防护玻璃、手套口和箱体连接处各部分均有较高要求，特别是对振镜系统的保护镜片，由于压差原因，保护镜片需能承受较大压力，若保护镜片受压发生微小变形，对样件的打印尺寸和精度有较大影响，严重时可能会导致样件打印失败。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于3D打印的惰性气体动态平衡系统以及平衡方法，尤其适用于选择性激光熔化SLM金属粉末3D打印过程，其能够对金属粉末的打印提供良好的惰性气体氛围，可打印各种易受氧化的金属粉末材料，从而保证了打印的层片表面质量，最终保证了整个样件的良好打印效果。

本发明解决上述技术问题所提供的方案如下：

一方面，提供了用于3D打印的惰性气体动态平衡系统，其包括：

密封箱体，其用于为所述3D打印提供密闭的操作空间；

气路循环组件，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前为所述密封箱体提供惰性气体，在所述密封箱体内形成惰性气体氛围以及循环气路；

以及净化组件，其连通所述密封箱体，用于对所述惰性气体氛围中的气体进行净化。

优选的，所述密封箱体一侧设有门板；且所述门板上设置有用于观察所述密封箱体内部的观察窗，以及用于对位于所述密封箱体内部的工件进行操作的手套口。

优选的，所述气路循环组件包括：

进气口连接件，其与所述密封箱体连通，用于供所述惰性气体流入所述密封箱体，以此对所述密封箱体内的已有气体进行置换，并在所述密封箱体内形成所述惰性气体氛围；

出气口连接件，其一端与所述密封箱体连通，另一端与所述净化组件连通；循环动力系统，其用于将所述惰性气体氛围中的气体从所述出气口连接件；

带入到所述净化组件中进行净化，且将被所述净化组件净化后的气体重新输送至所述密封箱体内，形成循环气路。

优选的，所述净化组件包括：

净化柱，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，吸附所述循环动力系统带入的、所述惰性气体氛围中的气体中含有的水和氧；

以及除尘罐，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时，对所述密封箱体内的惰性气体氛围中的气体进行除尘处理。

优选的，所述惰性气体动态平衡系统还包括：

分析仪，其连接所述净化柱，用于检测在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，所述惰性气体氛围中的气体中的水含量以及氧含量，且当检测到的所述水含量低于第一预设值，所述氧含量低于第二预设值时产生反馈信号，并将所述反馈信号反馈给所述净化柱，所述净化柱根据所述反馈信号停止吸附所述惰性气体氛围中的气体中的水和氧。

优选的，所述手套口连接有橡胶手套。

优选的，所述门板上还设有手套箱盖板，其用于对所述手套口进行密封。

优选的，所述惰性气体动态平衡系统还包括：

压力传感器，其用于检测所述密封箱体内的压力，并产生压力信号值；

真空泵，其用于根据所述压力信号值抽取所述密封箱体内的、所述惰性气体氛围中气体或向所述密封箱体内输入所述惰性气体，由此保持所述密封箱体内的气体平衡。

另一方面，还提供了一种利用上述动态平衡系统实现3D打印的惰性气体动态平衡的方法,其包括如下步骤：

S1、使惰性气体流入所述密封箱体，对所述密封箱体内的已有气体进行置换，并在所述密封箱体内形成所述惰性气体氛围；

S2、通过所述循环动力系统将所述惰性气体氛围中的气体带入到所述净化柱中，在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，通过所述净化柱吸附所述惰性气体氛围中的气体中含有的水和氧，且将经过所述净化柱的所述惰性气体氛围中的气体重新输送至所述密封箱体内，形成循环气路，直至所述惰性气体氛围中的气体的水含量低于第一预设值，所述氧含量低于第二预设值；

S3、3D打印时，通过所述除尘罐对所述密封箱体内的惰性气体氛围中的气体进行除尘处理，且经过所述除尘罐的惰性气体氛围中的气体重新流入所述密封箱体内。

本发明技术方案所带来的效果：

本发明中的惰性气体动态平衡系统可在不抽真空的条件下，对极易受氧化的金属粉末进行激光打印，该系统可提供良好的惰性气体氛围，可打印各种金属粉末材料，从而保证了打印的层片表面质量，最终保证了整个样件良好的打印效果。

附图说明

图1是实施例一中惰性气体动态平衡系统的整体结构示意图；

图2是实施例一中不包括气路柜体的惰性气体动态平衡系统的整体结构示意图；

图3是实施例一中手套口的结构示意图；

图4是实施例一中气路柜体的结构示意图；

图5是实施例一中主体框架的结构示意图；

图6是实施例一中密封箱体的结构示意图；

图7是实施例一中门板的结构示意图；

图8是实施例一中手套箱盖板6的结构示意图；

图9是实施例一中进气口接头以及出气口接头的结构示意图；

图10是实施例一中进气口连接件以及出气口连接件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明的用于3D打印的惰性气体动态平衡系统可适用于选择性激光熔化SLM金属粉末3D打印，如图1-2所示，其包括：

密封箱体3，其用于为所述3D打印提供密闭的操作空间；

气路循环组件，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前为所述密封箱体提供惰性气体，在所述密封箱体内形成惰性气体氛围以及循环气路；

以及净化组件，其连通所述密封箱体，用于对所述惰性气体氛围中的气体进行净化。

本实施例中，为保证整体结构的稳固，以及便于移动所述系统，所述惰性气体动态平衡系统还设置有主体框架2，所述密封箱体3安装在所述主体框架2内。

如图3-4所示，所述密封箱体3一侧设有门板4，且所述门板4还设有与所述门板4形状匹配的密封圈，以保证关闭箱体门板4时，密封箱体3能具有更好的气密性效果；且所述门板4上设置有用于观察所述密封箱体3内部的观察窗5，以及用于对位于所述密封箱体3内部的工件进行操作的手套口7。具体的，所述观察窗5由激光防护玻璃制成，可对打印过程进行观看，同时，所述手套口7有2个，且均连接有橡胶手套，由此，可在不打开密封箱体门板4的条件下对打印的样件进行操作，以减少细小的金属粉末对人体的伤害。为进一步保证整个密封箱体3的气密性，所述门板4下方还装配有用于对所述手套口7进行密封的手套箱盖板6，且优选的，所述手套箱盖板6四周还设有与所述手套箱盖板6形状匹配的密封圈，以进一步加强密封效果。

进一步的，所述气路循环组件包括：

进气口连接件8，其与所述密封箱体3连通，用于供所述惰性气体流入所述密封箱体3，以此对所述密封箱体内的已有气体进行置换，并在所述密封箱体内形成所述惰性气体氛围；具体的，为保证气密性，所述进气口连接件8的一端通过进气口接头81连接惰性气体气源，另一端连通所述密封箱体3；

出气口连接件9，其一端与所述密封箱体3连通，另一端通过出气口接头91与所述净化组件连通；

循环动力系统10，其用于将所述惰性气体氛围中的气体从所述出气口连接件9带入到所述净化组件中进行净化，且将被所述净化组件净化后的气体重新输送至所述密封箱体3内，形成循环气路。本实施例中，所述循环动力系统10可为循环风机，同时为便于安装，满足安装距离以及空间的需要，所述进气口连接件8和/或出气口连接件9通过金属波纹管等连接管件与密封箱体3连通，此外，还可设置阀门组件(如电磁阀等)来控制整个循环气路中的气体循环。

更进一步的，所述净化组件包括：

净化柱12，其连通所述密封箱体3，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，吸附所述循环动力系统10带入的、所述惰性气体氛围中的气体中含有的水分子和氧分子；

以及除尘罐11，其连通所述密封箱体3，用于在进行所述3D打印时，对所述密封箱体3内的惰性气体氛围中的气体进行除尘处理。

由此，除尘罐11可通过相应管路连接和阀门组件控制形成独立可循环的除尘系统，可对打印过程进行除尘处理；同样的，净化柱12也可通过相应管路连接和阀门组件(如电磁阀等)控制形成独立可循环的净化系统，除尘系统和净化系统同时运行，可对密封箱体3内气体的水、氧分子进行净化，使水、氧分子含量低于一定的数值，且可对打印过程中产生的飞溅或烟雾进行除尘处理，以此来提供良好的打印惰性气体氛围。

并且，经过所述净化柱12以及除尘罐11处理后的气体在所述循环动力系统10的带动下再次进入到所述密封箱体3内。此外，为便于组装，所述惰性气体动态平衡系统还设置有气路柜体1，所述循环动力系统10、除尘罐11以及净化柱12均安装在所述气路柜体1内，且所述气路柜体1设置在所述主体框架2的一侧。

同样的，也可通过设置阀门组件(如电磁阀等)控制所述除尘罐11、净化柱12中的气体流动。

进一步的，为控制所述密封箱体3内的气体的水、氧含量，以及实时调节所述密封箱体3内的压力，所述惰性气体动态平衡系统还包括：

分析仪，其连接所述净化柱12，用于精确检测在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，所述惰性气体氛围中的气体中的水含量以及氧含量，且当检测到的所述水含量低于第一预设值，所述氧含量低于第二预设值时产生反馈信号，并将所述反馈信号反馈给所述净化柱12，所述净化柱12根据所述反馈信号停止吸附所述惰性气体氛围中的气体中的水和氧；

压力传感器，其用于检测所述密封箱体3内的压力，并产生压力信号值；

真空泵13，其用于根据所述压力信号值以及预设的平衡压力值抽取所述密封箱体3内的、所述惰性气体氛围中气体或向所述密封箱体3内输入所述惰性气体，由此动态的保持所述密封箱体3内的气体平衡。

上述惰性气体动态平衡系统的工作流程如下：

首次使用上述惰性气体动态平衡系统时，先对密封箱体3进行气密性检测，然后设置好一定压力差，通过进气口连接件8自动充入高纯惰性气体，以对密封箱体3内部进行气体置换清洗；清洗完成后，循环动力系统10开启，在循环动力系统10带动下，密封箱体3内的气体经过净化系统中的净化柱12，净化柱12吸附箱体内微量的水、氧分子，直至箱体内的水、氧分子含量低于某一数值，此时净化系统停止循环。

SLM金属粉末3D打印机开始工作，送粉、铺粉，打印层片，打印过程中除尘循环系统一直开启，除尘罐11将打印过程中产生的烟雾或飞溅进行除尘处理。压力传感器实时检测打印过程中密封箱体3的压力，密封箱体3内压力高于或低于设置的平衡压力时，真空泵13开始工作，抽取或补充一定的惰性气体，保证密封箱体压力处于动态平衡状态。

特别的，对极易氧化的金属粉末材料，在打印过程中，可同时开启净化循环系统和除尘循环系统，以保证更好的惰性气体氛围，直至整个样件打印完成。

实施例二：

另一方面，本发明还提供了一种利用上述动态平衡系统实现3D打印的惰性气体动态平衡的方法,其包括如下步骤：

S1、使惰性气体流入所述密封箱体，对所述密封箱体内的已有气体进行置换，并在所述密封箱体内形成所述惰性气体氛围；

S2、通过所述循环动力系统将所述惰性气体氛围中的气体带入到所述净化柱中，在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，通过所述净化柱吸附所述惰性气体氛围中的气体中含有的水分子和氧分子，且将经过所述净化柱的所述惰性气体氛围中的气体重新输送至所述密封箱体内，形成循环气路，直至所述惰性气体氛围中的气体的水含量低于第一预设值，所述氧含量低于第二预设值；

S3、3D打印时，通过所述除尘罐对所述密封箱体内的惰性气体氛围中的气体进行除尘处理，且经过所述除尘罐的惰性气体氛围中的气体重新流入所述密封箱体内。

同时，在进行步骤S1-S3时，还同时通过压力传感器检测所述密封箱体3内的压力，并产生压力信号值，且将所述压力信号值传递给真空泵13，真空泵13根据所述压力信号值以及预设的平衡压力值抽取所述密封箱体3内的、所述惰性气体氛围中气体或向所述密封箱体3内输入所述惰性气体，由此动态的保持所述密封箱体3内的气体平衡。

综上所述，本发明能够达到以下有益效果：

1、本发明中的惰性气体动态平衡系统可在不抽真空的条件下，对极易受氧化的金属粉末进行激光打印，该系统可提供良好的惰性气体氛围，可打印各种金属粉末材料，从而保证了打印的层片表面质量，最终保证了整个样件良好的打印效果。

2、本发明中的惰性气体动态平衡系统带有净化循环系统和除尘循环系统，净化循环系统对密封箱体内的水、氧分子进行净化处理，除尘循环系统可对打印过程中产生的飞溅或烟雾进行除尘处理，两个循环系统同时运行，保证了良好的惰性气体氛围。

3、本发明中的惰性气体动态平衡系统带有精准的水、氧分析仪、压力传感器和真空泵，水、氧分析仪可实时检测密封箱体的水、氧分子含量，压力传感器实时检测密封箱体的压力状况，根据需要的平衡箱体压力，压力过大时，真空泵会抽走部分气体，压力较小时会补充一部分气体，从而一直保证箱体内的惰性气体处于动态平衡状态。

4、本发明中的惰性气体动态平衡系统在密封箱体门板处还带有方便操作的手套口，可在不破坏惰性气体氛围条件下，在箱体外部对已经打印的样件进行操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于3D打印的惰性气体动态平衡系统，其特征在于，包括：

密封箱体，其用于为所述3D打印提供密闭的操作空间；

气路循环组件，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前为所述密封箱体提供惰性气体，在所述密封箱体内形成惰性气体氛围以及循环气路；

以及净化组件，其连通所述密封箱体，用于对所述惰性气体氛围中的气体进行净化。

2.如权利要求1所述的动态平衡系统,其特征在于，所述密封箱体一侧设有门板；且所述门板上设置有用于观察所述密封箱体内部的观察窗，以及用于对位于所述密封箱体内部的工件进行操作的手套口。

3.如权利要求1所述的动态平衡系统,其特征在于，所述气路循环组件包括：

进气口连接件，其与所述密封箱体连通，用于供所述惰性气体流入所述密封箱体，以此对所述密封箱体内的已有气体进行置换，并在所述密封箱体内形成所述惰性气体氛围；

出气口连接件，其一端与所述密封箱体连通，另一端与所述净化组件连通；

循环动力系统，其用于将所述惰性气体氛围中的气体从所述出气口连接件带入到所述净化组件中进行净化，且将被所述净化组件净化后的气体重新输送至所述密封箱体内，形成循环气路。

4.如权利要求3所述的动态平衡系统,其特征在于，所述净化组件包括：

净化柱，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，吸附所述循环动力系统带入的、所述惰性气体氛围中的气体中含有的水和氧；

以及除尘罐，其连通所述密封箱体，用于在进行所述3D打印时，对所述密封箱体内的惰性气体氛围中的气体进行除尘处理。

5.如权利要求4所述的动态平衡系统,其特征在于，所述惰性气体动态平衡系统还包括：

分析仪，其连接所述净化柱，用于检测在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，所述惰性气体氛围中的气体中的水含量以及氧含量，且当检测到的所述水含量低于第一预设值，所述氧含量低于第二预设值时产生反馈信号，并将所述反馈信号反馈给所述净化柱，所述净化柱根据所述反馈信号停止吸附所述惰性气体氛围中的气体中的水和氧。

6.如权利要求2所述的动态平衡系统,其特征在于，所述手套口连接有橡胶手套。

7.如权利要求2所述的动态平衡系统,其特征在于，所述门板上还设有手套箱盖板，其用于对所述手套口进行密封。

8.利用权利要求1-7任一项所述的动态平衡系统,其特征在于，所述惰性气体动态平衡系统还包括：

压力传感器，其用于检测所述密封箱体内的压力，并产生压力信号值；

真空泵，其用于根据所述压力信号值抽取所述密封箱体内的、所述惰性气体氛围中气体或向所述密封箱体内输入所述惰性气体，由此保持所述密封箱体内的气体平衡。

9.利用如权利要求5所述的动态平衡系统实现3D打印的惰性气体动态平衡的方法,其特征在于，包括如下步骤：

S1、使惰性气体流入所述密封箱体，对所述密封箱体内的已有气体进行置换，并在所述密封箱体内形成所述惰性气体氛围；

S2、通过所述循环动力系统将所述惰性气体氛围中的气体带入到所述净化柱中，在进行所述3D打印时/在进行所述3D打印前，通过所述净化柱吸附所述惰性气体氛围中的气体中含有的水和氧，且将经过所述净化柱的所述惰性气体氛围中的气体重新输送至所述密封箱体内，形成循环气路，直至所述惰性气体氛围中的气体的水含量低于第一预设值，所述氧含量低于第二预设值；

S3、3D打印时，通过所述除尘罐对所述密封箱体内的惰性气体氛围中的气体进行除尘处理，且经过所述除尘罐的惰性气体氛围中的气体重新流入所述密封箱体内。