CN107952960B

CN107952960B - 充气及排气系统、增材制造设备以及充气及排气方法

Info

Publication number: CN107952960B
Application number: CN201610901805.2A
Authority: CN
Inventors: 王华明; 汤海波; 张述泉; 张凌云
Original assignee: Beijing Yu Ding Material Manufacturing Research Institute Co Ltd
Current assignee: Beijing Yuding Additive Manufacturing Research Institute Co ltd
Priority date: 2016-10-16
Filing date: 2016-10-16
Publication date: 2019-10-15
Anticipated expiration: 2036-10-16
Also published as: CN107952960A

Abstract

本发明提供了一种充气及排气系统，其包括形成成形腔的密闭装置以及用于保持及释放气体的柔性装置，密闭装置设置有出气口、进气口、第一通孔以及第二通孔，其中，出气口用于将成形腔内的空气排出腔体外，进气口用于使惰性惰性气体能够经由进气口进入成形腔，第一通孔用于以密封的方式将接入装置的一部分接纳在密闭装置的成形腔内，柔性装置的主体部分经由第二通孔以密封的方式设置在密闭装置的成形腔内，其中，柔性装置设置有位于密闭装置外部的用于充入气体及抽出气体的充气及抽气口。本发明还提供了一种增材制造设备以及一种充气及排气方法。

Description

充气及排气系统、增材制造设备以及充气及排气方法

技术领域

本发明属于激光增材制造设备技术领域，具体而言，涉及充气及排气系统、包括这种充气及排气系统的增材制造设备以及充气及排气方法。

背景技术

增材制造技术，又称3D打印，根据美国材料与实验协会(ASTM)的定义：增材制造(3D Printing)是借助三维数字模型设计，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方法将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。激光熔化沉积技术，作为增材制造技术的一种，相对传统的加工制备方法而言，无需零件毛坯制备，无需锻压模具加工，无需大型或超大型锻铸工业基础设施及相关配套设施；材料利用率高，机加工量小，数控机加工时间短；生产制造周期短；工序少，工艺简单，具有高度的柔性与快速反应能力。另外，采用该技术还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度材料高性能金属零件的直接制造，适用于大型结构件复杂的功能性零件的加工制造，在航空航天、核电、石化、船舶等领域具有广阔的发展前景，受到国内外的高度关注。

然而，在空气氛围下进行激光熔化沉积，材料的表面易被氧化，表层氧化物会导致工件表面起伏不平，并且氧化物杂质严重影响成形件内部的冶金结合，危害成形件的质量、性能。因此在激光熔化沉积(激光增材制造)系统中，除了激光器、送粉系统以及控制系统，还需要有一个惰性气体保护的成形腔，保证金属构件在激光成形的过程中成形腔(下文中也称之为成形腔)内的氧含量控制在要求范围内，避免氧气与金属在高温条件下发生氧化反应，进而影响成形件的最终质量。

激光熔化沉积具有高度的柔性，可成形的结构件高度主要取决于成形腔的大小，因此为满足大型结构件的生产需要，成形腔一般都具有较大的体积，根据激光成形要求，在激光熔化沉积之前，需要先将成形腔内通入惰性气体，将成形腔内的空气排出腔外，直到成形腔内的氧含量达到要求。现有的充气及排气方法通常都是先将成形腔内的气体抽出，然后通入惰性气体，整个充气及排气时间非常长，这使得成形腔内保持低氧气氛的难度增加，严重影响了生产进程、导致生产效率低、成本提高，并且造成不必要资源浪费。

因此，急需一种可以显著缩短成形腔充气及排气时间、降低惰性气体消耗量、减少资源浪费、提高生产效率的成形腔高效充气及排气技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种充气及排气系统，其包括形成成形腔的密闭装置以及用于保持及释放气体的柔性装置，所述密闭装置设置有出气口、进气口、第一通孔以及第二通孔，其中，所述出气口用于使空气能够经由所述出气口排出所述成形腔，所述进气口用于使惰性气体能够经由所述进气口进入所述成形腔，所述第一通孔用于以密封的方式将接入装置的一部分接纳在所述密闭装置的所述成形腔内，所述柔性装置的主体部分经由所述第二通孔以密封的方式设置在所述密闭装置的成形腔内，其中，所述柔性装置设置有位于所述密闭装置外部的用于充入气体及抽出气体的充气及抽气口。

通过这种充气及排气系统，可以显著缩短成形腔充气及排气时间、降低惰性气体消耗量、减少资源浪费、提高生产效率。

根据本发明的另一方面，所述柔性装置为柔性气囊，其例如由橡胶、乳胶、塑料、牛津布、PVC、铝箔、PA或PE制成。

根据本发明的另一方面，所述惰性气体是氩气、氦气或氮气，充入所述柔性装置的气体是空气或其他气体。

根据本发明的另一方面，所述密闭装置还设置有用于对所述成形腔内的氧含量进行检测的氧气检测装置。

本发明还提供了一种增材制造设备，其包括前面描述的充气及排气系统，其中，所述增材制造设备还包括激光器系统和送粉系统。

本发明还提供了一种充气及排气方法，所述充气及排气方法是通过前面描述的充气及排气系统来执行的，所述充气及排气方法包括如下步骤：

1)从所述充气及抽气口向所述柔性装置内部充入气体，直至所述柔性装置膨胀至基本充满所述成形腔，从而使所述成形腔内的大部分空气经由所述出气口被驱出所述成形腔；

2)从所述进气口向所述成形腔内充入惰性气体，直至存在于所述成形腔的内壁与所述柔性装置的外壁之间的空气经由所述出气口被完全驱出所述成形腔；以及

3)从所述充气及抽气口将所述柔性装置内部的气体抽出，在此过程中始终向所述成形腔内充入惰性气体。

与现有增材制造技术中所用充气及排气系统或成形腔充气及排气方法相比，本发明具有如下有益技术效果：

(1)大大缩短成形腔充气及排气时间。现有的排气过程需要花费很长时间，这降低了生产效率。而采用本发明的充气及排气系统或充气及排气方法，在成形前，先将空气通入预置在成形腔内的柔性装置比如柔性气囊中，柔性气囊膨胀过程中，将整个成形腔内的空气赶到腔外，然后再通入惰性气体，将成型腔壁和柔性气囊之间的剩余空气赶出腔外。这样大大缩短排气时间，提高生产效率。

(2)可以大幅度节约保护气体的使用量。在激光增材制造过程开始之前，需要在成形腔内充惰性气体(如氩气，氦气等)，使得腔体内的氧含量低于50ppm，以保证在成形过程中不会受环境空气的影响，因而需要大量的惰性气体。而这种柔性高效充气及排气方法，充气及排气过程所用惰性气体的量会大大降低，降低生产成本。

根据本发明的另一方面，重复执行上述步骤1)～步骤3)，直至所述成形腔内充满惰性气体。

根据本发明的另一方面，重复执行上述步骤1)～步骤3)，直至所述成形腔内部的氧含量达到激光熔化沉积合金时所要求的范围。

根据本发明的另一方面，所述充气及排气方法用于增材制造过程。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了激光熔化沉积过程开始前柔性装置、比如柔性气囊的初始状态。

图2是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了向柔性气囊内充入空气的状态。

图3是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了柔性气囊基本充满整个成形腔的状态。

图4是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了向成形腔内充入惰性保护气、同时抽出柔性气囊内部空气的状态。

图5是本发明实施方式的增材制造设备的结构示意图，其示出了完成成形腔内充满惰性气体、柔性气囊重新恢复到初始收缩的状态。

图中附图标记说明：1-底座；2-X轴；3-Y轴；4-平面平台；5-成形腔壁；6-激光器系统及送粉系统；7-工作台；8-柔性气囊。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

现在将参照图1至图5来描述根据本发明的实施方式的增材制造设备、充气及排气系统以及充气及排气方法。

如图1所示，增材制造设备包括用于发射激光束及给送粉末的激光器系统及送粉系统6(即，接入装置)以及充气及排气系统。具体地，充气及排气系统包括形成成形腔的密闭装置以及用于保持及释放气体的柔性装置、比如柔性气囊8，所述密闭装置设置有出气口、进气口(比如Ar气(氩气)进气口)、第一通孔以及第二通孔，所述出气口用于使空气能够经由所述出气口排出所述成形腔，所述进气口用于使惰性气体、比如Ar气能够经由所述进气口、比如Ar气进气口进入所述成形腔，所述第一通孔用于以密封的方式将所述增材制造设备的激光器系统及送粉系统6的一部分接纳在所述密闭装置的所述成形腔内，所述柔性装置、比如柔性气囊8经由所述第二通孔以密封的方式设置在所述密闭装置的成形腔内，所述柔性装置、比如柔性气囊8设置有位于所述密闭装置(比如成形腔壁5)外部的用于充入气体及抽出气体的充气及抽气口。

特别地，柔性气囊8由橡胶、乳胶、塑料、牛津布、PVC、铝箔、PA或PE制成。惰性气体也可以是惰性气体或氮气，惰性气体可以是氦气，充入柔性气囊8的气体是空气或其他气体。

特别地，密闭装置还设置有用于对成形腔内的氧含量进行检测的氧气检测装置(O₂检测装置)。

此外，增材制造设备还可以包括底座1、X轴2、Y轴3、平面平台4以及工作台7。密封系统可以设置在平面平台4上，从而能够沿X轴方向和Y轴方向移动。激光熔化沉积合金将沉积在工作台7上。

现在参照图1至图5来描述充气及排气方法，其例如用于增材制造过程，所述充气及排气方法是通过前面描述的充气及排气系统来执行的，所述充气及排气方法包括如下步骤：

1)如图2中所示，从充气及抽气口向所述柔性装置、比如柔性气囊8内部充入气体，柔性气囊8不断膨胀，对成形腔内部的空气进行挤压，直至柔性气囊8膨胀至基本充满所述成形腔，从而使所述成形腔内的大部分空气经由所述出气口被驱出所述成形腔；

2)如图3中所示，当柔性气囊8充满整个成形腔时，从所述进气口、比如Ar气进气口向所述成形腔内充入惰性气体、比如Ar气，直至存在于所述成形腔的内壁与柔性装置8的外壁之间的空气经由所述出气口被完全驱出所述成形腔；以及

3)从充气及抽气口将柔性气囊8内部的气体抽出，在此过程中始终向所述成形腔内充入惰性气体。具体地，如图4中所示，柔性气囊8内部气体被逐渐抽出，柔性气囊8逐渐收缩，成形腔内部惰性气体逐渐增加。进一步地，如图5中所示，柔性气囊8内部气体被完全抽出，恢复初始收缩状态，而成形腔内部充满惰性气体、比如Ar气。

特别地，重复执行上述步骤1)～步骤3)，直至所述成形腔内充满惰性气体。

此外，采用设置在所述成形腔内的氧气检测装置来检测所述成形腔内部的氧含量。当内部惰性气体充满整个成形腔后，持续通入惰性气体，根据氧气检测装置，观察成形腔内部氧含量。如果内部氧含量达不到工作要求时，重复上述步骤1)～步骤3)，通过多次充气及排气，最终使得成形腔内部的氧含量控制在激光熔化沉积合金时所要求的范围。

通过上述方法，改变了现有成形腔在充气及排气过程中的固有缺陷，大大缩短了充气及排气时间，显著提高了充气及排气效率，并且大幅度节约了保护气体的使用量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种充气及排气系统，其特征在于，所述充气及排气系统包括：

形成成形腔的密闭装置，所述密闭装置设置有出气口、进气口、第一通孔以及第二通孔，其中，所述出气口用于使空气能够经由所述出气口排出所述成形腔，所述进气口用于使惰性气体能够经由所述进气口进入所述成形腔，所述第一通孔用于以密封的方式将接入装置的一部分接纳在所述密闭装置的所述成形腔内；以及用于保持及释放气体的柔性装置，所述柔性装置的主体部分经由所述第二通孔以密封的方式设置在所述密闭装置的所述成形腔内，其中，所述柔性装置设置有位于所述密闭装置外部的用于充入气体及抽出气体的充气及抽气口；所述柔性装置用于以充入气体在成形腔内膨胀的方式将空气由所述出气口驱出所述成形腔。

2.根据权利要求1所述的充气及排气系统，其特征在于，所述柔性装置为柔性气囊。

3.根据权利要求2所述的充气及排气系统，其特征在于，所述柔性气囊由橡胶、乳胶、塑料、牛津布、PVC、铝箔、PA或PE制成。

4.根据权利要求1所述的充气及排气系统，其特征在于，所述惰性气体是氩气、氦气或氮气，充入所述柔性装置的气体是空气或其他气体。

5.根据权利要求1所述的充气及排气系统，其特征在于，所述密闭装置还设置有用于对所述成形腔内的氧含量进行检测的氧气检测装置。

6.一种增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备包括根据权利要求1至5中的任一项所述的充气及排气系统，其中，所述接入装置为所述增材制造设备的激光器系统和送粉系统。

7.一种充气及排气方法，所述充气及排气方法是通过根据权利要求1至5中的任一项所述的充气及排气系统来执行的，其特征在于，所述充气及排气方法包括如下步骤：

2)从所述进气口向所述成形腔内充入惰性气体，直至存在于所述成形腔的内壁与所述柔性装置的外壁之间的空气经由所述出气口被完全驱出所述成形腔；

8.根据权利要求7所述的充气及排气方法，其特征在于，重复执行上述步骤1)～步骤3)，直至所述成形腔内充满惰性气体。

9.根据权利要求7所述的充气及排气方法，其特征在于，重复执行上述步骤1)～步骤3)，直至所述成形腔内部的氧含量达到激光熔化沉积合金时所要求的范围。

10.根据权利要求7所述的充气及排气方法，其特征在于，所述充气及排气方法用于增材制造过程。