CN109014203A - 金属粉末slm成形过程动态回收修复系统 - Google Patents

金属粉末slm成形过程动态回收修复系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，由SLM成形设备、金属粉末筛分设备、金属粉末修复设备、气氛保护及冷却干燥设备及计算机控制设备构成；SLM成形设备将激光系统、成形平台系统、铺粉系统、粉末回收系统以及气氛保护系统通过密封舱集成，粉末回收系统连接金属粉末筛分设备，金属粉末筛分设备通过气氛保护及冷却干燥设备与金属粉末修复设备连接，金属粉末修复设备又连接到SLM成形设备的铺粉系统，计算机控制设备与SLM成形设备的激光系统、铺粉系统及成形平台系统相连，控制各系统协调工作；本系统提高了三维打印的打印质量，避免了烟尘对成形设备的污染；同时，高度自动化的成形系统减少了人力物力的消耗，提高了零件的打印效率，为量化生产SLM成形零件提供了新的思路。

Description

金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统
技术领域
本发明属于三维产品快速成型技术领域，涉及金属粉末SLM成形过程中的动态回收与修复，具体是一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统。
背景技术
三维产品快速成型是将计算机中设计的三维构件模型离散成二维层片，在二维层片上按程序沿模型选择性成型，最终成为真实的三维产品的方法。选择性激光熔化 (SLM)成形是快速成型领域极具发展潜力的一种成型方法，SLM成形方法是在激光束聚焦的能量加热下，粉末铺层熔化，经冷却凝固层层叠加堆砌成形，其制造的零件致密性可达到100%，性能甚至超过普通铸件。SLM成型技术的优势在于其高度自动化、高精度成形，从而能达到对材料的微观组织的设计及控制。尤其在生产复杂构件时可一次成形，对局部结构设计增加强度，且避免了二次加工，缩短生产周期。但是，由于现有技术的不足，SLM成形自动化程度局限于成形过程中，为保证粉末的质量，而在粉末的提供和回收方面消耗了大量的人力和物力，因为金属粉末的特性如球形度、粒度分布等对SLM成形零件有很大的影响。设计高度自动化的SLM粉末供给回收系统，可提高零件的性能，同时节约粉末成本。
在现有的SLM粉末回收利用的方法中，对回收的粉末利用率不高，在回收过程中造成金属粉末变形，变形的粉末会降低粉末的流动性，对铺层产生影响，从而降低了SLM成形零件的质量，严重的甚至造成球化现象严重，导致SLM加工中断，零件报废。因此，粉末的回收问题限制了SLM粉末循环自动化的发展。如果解决了SLM粉末回收利用过程中的金属粉末变形问题，将有助于SLM自动化成形的实现和发展，减少金属粉末的浪费，提高SLM成形质量。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，能够解决SLM粉末回收利用过程中金属粉末变形的问题，减少金属粉末的浪费，提高SLM成形质量。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：
一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，由SLM成形设备、金属粉末筛分设备、金属粉末修复设备、气氛保护及冷却干燥设备及计算机控制设备构成；所述SLM成形设备是将激光系统、成形平台系统、铺粉系统、粉末回收系统以及气氛保护系统通过密封舱集成；所述粉末回收系统连接金属粉末筛分设备，金属粉末筛分设备通过气氛保护及冷却干燥设备与金属粉末修复设备连接，金属粉末修复设备又连接到SLM成形设备的铺粉系统，所述计算机控制设备与SLM成形设备的激光系统、铺粉系统及成形平台系统相连，控制各系统协调工作。
所述激光系统采用200W Nd-YAG短波长激光器，通过RTC4控制卡控制X、Y轴振镜扫描系统，从而控制激光器在成形平台系统的聚焦位置，完成成形平台的一层铺粉熔化成形，成形平台系统升降台和铺粉系统的伺服电机由PLC控制器控制，完成成形平台的铺粉，所述伺服电机采用Baldor VSSEWDM3541电机；粉末回收系统由集粉缸、风扇、真空泵及滤网构成；气氛保护系统由氩气提供装置、增压器，氩气储存罐及供气箱组成，供气箱上设置有排气口和压力表。
所述金属粉末筛分设备由筛分储料罐、超声波双精度筛分设备及真空泵构成，储料罐上部设置有可打开添加金属粉末的密封盖以及与粉末回收系统连接的进料口，下部设置有控制粉末进入筛分设备进入量的控制阀，超声波双精度筛分设备内部设置超声振动发生装置和筛粉网，设备上还设置有大颗粒出料口、小颗粒出料口、中等颗粒出料口，各出料口上还设置有排气孔，中等颗粒出料口上连接中等颗粒集料箱，中等颗粒集料箱连接一真空泵。
所述气氛保护及冷却干燥设备由氩气供给设备和液氮冷却干燥设备构成，氩气供给设备由氩气提供装置、增压器，氩气储存罐及供气箱组成，供气箱上设置有排气口和压力表，液氮冷却干燥设备由干燥箱和冷凝器构成，干燥箱和冷凝器通过循环管道连接，冷凝器上还连接有真空管。
所述金属粉末修复设备由修复储料罐，等离子旋转电极成形装置和金属粉末冷却及储料装置组成，修复储料罐上接有粉料进料口和气氛循环及净化装置，等离子旋转电极成形装置由雾化室、电极装置及等离子炬发生装置构成，金属粉末冷却及储料装置下端接有真空泵。
金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的工作流程如下：
第一步，将金属粉末添加于金属粉末筛分设备的筛分储料罐中，经过超声波双精度筛分设备的筛分，筛分为三个级别粒径尺寸的金属粉末颗粒，其中大颗粒等级的颗粒和小颗粒等级的颗粒被分别回收，在真空泵的作用下被筛分出的中等级别的金属粉末被输送到气氛保护及干燥设备；
第二步，输送到气氛保护及干燥设备的金属粉末在氩气的保护之下，经过冷却干燥后，被送至金属粉末修复设备的修复储料罐；
第三步，被送到修复储料罐的金属粉末在雾化喷嘴的控制下，定量定点的喷入雾化室的旋转电极装置的电极处，电极前的金属粉末颗粒经过等离子炬作用，金属粉末颗粒被熔化的金属液旋转包裹，经过这种运动的金属颗粒，再经过快速冷却，共同形成了良好致密度、球形度和松装密度的金属粉末，经过等离子旋转电极成形修复后的金属粉末在真空泵作用下，被输送到SLM成形设备的铺粉系统中；
第四步，铺粉系统通过电机驱动，在成形平台系统进行铺粉，激光经过计算机控制下的激光扫描振镜完成对铺粉层熔化成形，完成成形后，成形平台系统的成形缸在计算机控制下，通过电机驱动下降一定高度，铺粉系统继续在上一层成形层上铺粉，之后重复激光系统对铺粉层的熔化成形，最终获得成形零件；在零件SLM成形过程中，一部分多余金属粉末被铺粉系统推送到粉末回收系统的集粉缸中，在风扇和真空泵的共同作用下，金属粉末被吸入输粉管道，且由于滤网的设置，金属粉末不会从气孔中被吹出，并保证了成形密封舱内的气压稳定；在成形结束后，上升成形缸，将剩余金属粉末人工收集到粉末回收系统的集粉缸中，完成金属粉末的回收；
第五步，回收的金属粉末在真空泵的作用下，被输送到金属粉末筛分设备的筛分储料罐中，与新加入的金属粉末混合并继续完成筛分、气氛保护、冷却干燥、粉末修复，直至下一次的SLM成形使用。
进一步的，第一步中，对于不同材料，可以更换筛分装置中的筛网，以接近等离子旋转电极成形修复粒径分布，提高修复质量。同时，如果购置的金属粉末球形度好，可以不经过修复的过程，直接放置于金属粉末修复设备的修复储料罐中。
进一步的，第二步中,氩气保护气氛的气压应适宜，相对于其它设备气压，在氩气提供装置处提供较高的气压可以保证氩气的循环，氩气提供装置提供的氩气气压为150kPa,等离子旋转电极成形修复设备雾化室的气压控制在100kPa, SLM密封舱内的气压控制在100kPa.
进一步的，第三步中，金属粉末的喷入量为1.0–3.0× 10−6 m3·s−1，等离子炬加热温度和电极旋转速度视金属粉末的材料而定。等离子炬加热温度需达到金属的初融温度；电极旋转速度需根据金属材料的物理性能：液态金属的粘度μ（Pa·s），熔化速率Q（m3·s-1），密度ρ（kg·m-3），金属颗粒转速ω（rad·s-1），液态金属的表面张力γ（N·m-1），是密度。r0（m）是旋转杆的直径，采用经验离心模型统计方程
可以得到Hinze-Milborn(Hi)常数。根据Hi常数的大小，选择液态金属旋转的三种经验离心模型:Hi <0.07时，颗粒旋转主要符合DDF（direct drop formation）模型，采用拟合的低粘度金属液体低速旋转平均粒径公式计算出电极旋转速度ω
；
当如果0.07 < Hi < 1.33，颗粒旋转模型为LD(ligament disintegration)模型,对于液体粘度小于20mPa·s的金属，Hi通常介于0.07 和1.33，所以选择根据LD模型设置粒径分布的修复参数，采用拟合的低粘度金属液体平均粒径公式计算出电极旋转速度ω
；
如果Hi > 1.33,颗粒旋转模型为FD(film disintegration) 模型。根据FD模型设置粒径分布的修复参数，采用拟合的高速度旋转金属液体平均粒径公式计算出电极旋转速度ω
。
其中DDF模型的球形度更稳定，LD模型和FD模型的球形度不够稳定，会出现片状化，低粘度材料应采用更低的转速以趋紧DDF模型，获得更稳定的球形度。
进一步的，第四步中,计算机首先需要对三维CAD模型进行离散分层切片，生成激光路径，计算机再对加工数据进行处理，控制激光和振镜控制卡，从而控制激光器和振镜，实现SLM成形。同时，计算机与PLC控制器实现数据交换，其中PLC控制器主要控制成形升降台、铺粉伺服电机和送粉阀等。最终实现计算机对SLM成形设备的整体控制。铺粉系统的金属粉末是由铺粉系统上层的供粉缸提供，由于供粉缸气压很大，特别设计了排气装置，以保证供粉缸的安全。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种高度自动化，且可重复使用加工后剩余的金属粉末的SLM成形过程动态回收修复方法和系统；发明采用超声波双精度筛分设备对金属粉末进行筛分，得到粒径分布合适的金属粉末；采用气氛保护和冷却干燥设备，除去气氛中的水蒸气，同时避免粉末氧化，提高修复及SLM成形的质量；采用等离子雾化金属粉末修复设备对变形开裂的金属粉末颗粒进行修复，得到球形度高、松装密度好的金属粉末；最后采用改进的SLM成形设备成形产品，提高了打印质量，避免了烟尘对设备的污染。同时，高度自动化的成形系统减少了人力物力的消耗，提高了零件的打印质量，为量化生产SLM成形零件提供了新的思路。本发明金属SLM成形合金，适用于不锈钢、镍基合金、钴基合金等金属粉末。
附图说明
图1是本发明金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的运行流程图。
图2是本发明金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统中金属粉末筛分设备的示意图。
图3是本发明金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统中气氛保护及冷却干燥设备的示意图。
图4是本发明金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统中金属粉末修复设备的示意图。
图5是本发明中金属粉末修复设备的等离子旋转电极成形修复过程结构原理图。
图6是本发明中金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统SLM成形设备的结构示意图。
图中1.1、SLM成形设备；1.2、激光系统；1.3、铺粉系统；1.4、成形平台系统；1.5、粉末回收系统；1.6、气氛保护系统；1.7、计算机控制设备；1.8、金属粉末筛分设备；1.9、气氛保护及冷却干燥设备；1.10、金属粉末修复设备；
2.1、筛分储料罐；2.2、控制阀；2.3、超声波双精度筛分设备；2.4、大颗粒出料口；2.5、小颗粒出料口；2.6、中等颗粒出料口；2.7、中等颗粒集料箱；2.8、真空泵；2.9、排气孔；2.10、排气孔；2.11、排气孔；2.12、密封盖；2.13、进料口；2.14、筛粉网；2.15、超声振动发生装置；
3.1、真空管；3.2、冷凝器；3.3、干燥箱；3.4、冷凝器；3.5、氩气提供装置；3.6、增压器；3.7、氩气储存罐；3.8、供气箱；3.9、排气口；3.10、压力表；
4.1、粉末进料口；4.2、修复储料罐；4.3、等离子旋转电极成形装置；4.4、等离子旋转电极成形粉末储料罐；4.5、真空泵；4.6、气氛循环及净化装置；4.7、雾化室；4.8、电极装置；4.9、等离子炬发生装置；
5.1、雾化喷嘴；5.2、电极棒；5.3、芯轴；5.4、Cu阳极；5.5、W阴极；5.6、金属液滴；5.7、金属颗粒表面流体线；
6.1、Nd-YAG激光发生装置；6.2、气氛净化入口；6.3、供粉管道；6.4、铺粉系统；6.5、排气装置；6.6、成形缸；6.7、过滤网；6.8、排气装置；6.9、粉末回收管道；6.10、排气孔；6.11、吹风口；6.12、铺粉系统滑动轨道；6.13、烟尘过滤装置；6.14、氩气提供装置；6.15、气压测控装置；6.16、与外界相连的滤口；6.17、气氛净化输送口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，如图1所示，由SLM成形设备1.1、金属粉末筛分设备1.8、气氛保护及冷却干燥设备1.9、金属粉末修复设备1.10、及计算机控制设备1.7构成。
其中SLM成形设备1.1是将激光系统1.2、铺粉系统1.3、成形平台系统1.4、粉末回收系统1.5以及气氛保护系统1.6通过密封舱集成的；激光系统1.2采用200W Nd-YAG短波长激光器，通过RTC4控制卡控制X、Y轴振镜扫描系统，从而控制激光器在成形平台系统1.4的聚焦位置，完成成形平台的一层铺粉熔化成形，成形平台系统1.4的成形缸和铺粉系统1.3由伺服电机控制在成形平台铺粉，所述伺服电机采用Baldor VSSEWDM3541电机；粉末回收系统1.5由集粉缸、风扇、真空泵及滤网构成；气氛保护系统1.6由氩气提供装置、增压器，氩气储存罐及供气箱组成，供气箱上设置有排气口和压力表。
金属粉末筛分设备1.8如图2所示，由筛分储料罐2.1、超声波双精度筛分设备2.3及真空泵2.8构成，筛分储料罐2.1上部设置有可打开添加金属粉末的密封盖2.12以及与粉末回收系统1.5连接的进料口2.13，下部设置有控制粉末进入筛分设备进入量的控制阀2.2，超声波双精度筛分设备2.3内部设置超声振动发生装置2.15和筛粉网2.14，设备上还设置有大颗粒出料口2.4、小颗粒出料口2.5、中等颗粒出料口2.6，各出料口上还设置有排气孔2.9、2.10和2.11，中等颗粒出料口2.6上连接中等颗粒集料箱2.7，中等颗粒集料箱2.7连接一真空泵2.8。
气氛保护及冷却干燥设备，如图3所示，由氩气供给设备和液氮冷却干燥设备构成，氩气供给设备由氩气提供装置3.5、增压器3.6，氩气储存罐3.7及供气箱3.8组成，供气箱3.8上设置有排气口3.9和压力表3.10，液氮冷却干燥设备由干燥箱3.3和冷凝器3.2和3.4构成，干燥箱3.3和冷凝器3.2和3.4通过循环管道连接，冷凝器3.2和3.4上还连接有真空管3.1。
金属粉末修复设备如图4所示，由修复储料罐4.2，等离子旋转电极成形装置4.3和等离子旋转电极成形粉末储料罐4.4组成，修复储料罐4.2上接有粉料进料口4.1和气氛循环及净化装置4.6，等离子旋转电极成形装置4.3由雾化室4.7、电极装置4.8及等离子炬发生装置4.9构成，等离子旋转电极成形粉末储料罐4.4下端接有真空泵4.5。
金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的工作流程如下：
第一步，将金属粉末添加于金属粉末筛分设备的筛分储料罐中，经过超声波双精度筛分设备的筛分，筛分为三个级别粒径尺寸的金属粉末颗粒，其中大颗粒等级的颗粒和小颗粒等级的颗粒被分别回收，在真空泵的作用下被筛分出的中等级别的金属粉末被输送到气氛保护及干燥设备；对于不同材料，可以更换筛分装置中的筛网，以达到被筛分粒径分布的要求，同时如果购置的金属粉末性能优异，可以不经过修复的过程，直接放置于金属粉末修复设备的修复储料罐中；
第二步，输送到气氛保护及干燥设备的金属粉末在氩气的保护之下，经过冷却干燥后，被送至金属粉末修复设备的修复储料罐；氩气保护气氛的气压应适宜，相对于其它设备气压，在氩气提供装置处提供较高的气压可以保证氩气的循环，氩气提供装置提供的氩气气压为150KPa,等离子旋转电极成形修复设备雾化室的气压控制在100kPa, SLM密封舱内的气压控制在100kPa；
第三步，被送到修复储料罐的金属粉末在雾化喷嘴的控制下，定量定点地喷入雾化室的旋转电极装置的电极处，金属粉末的喷入速率为1.0-3.0× 10−6 m3· s−1，电极前的金属粉末颗粒经过等离子炬作用，金属粉末颗粒被熔化的金属液旋转包裹，电极旋转速度和等离子炬加热温度视材料的初融温度而定；经过旋转运动的金属颗粒，再经过快速冷却，共同形成了致密度、球形度和松装密度良好的金属粉末，经过等离子旋转电极成形修复后的金属粉末在真空泵作用下，被输送到SLM成形设备的铺粉系统中；
第四步，铺粉系统通过电机驱动，在成形平台系统进行铺粉，激光经过计算机控制下的激光扫描振镜完成对铺粉层熔化成形，完成成形后，成形平台系统的成形缸在计算机控制下，通过电机驱动下降一定高度，铺粉系统继续在上一层成形层上铺粉，之后重复激光系统对铺粉层的熔化成形，最终获得成形零件；在零件SLM成形过程中，一部分多余金属粉末被铺粉系统推送到粉末回收系统的集粉缸中，在风扇和真空泵的共同作用下，金属粉末被吸入输粉管道，且由于滤网的设置，金属粉末不会从气孔中被吹出，并保证了成形密封舱内的气压稳定；在成形结束后，上升成形缸，将剩余金属粉末人工收集到粉末回收系统的集粉缸中，完成金属粉末的回收；
第五步，回收的金属粉末在真空泵的作用下，被输送到金属粉末筛分设备的筛分储料罐中，与新加入的金属粉末混合并继续完成筛分、气氛保护、冷却干燥、粉末修复，直至下一次的SLM成形使用。
适用于SLM成形的金属粉末材料有很多，其中镍基高温合金在650~1000℃的高温下具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀，具有高强度、优异的抗疲劳性能与蠕变特性，是航空航天领域中重要的高温合金材料。IN718是一种富含Cr和Fe元素的沉淀强化型镍基合金，所制成的粉末均能满足选区激光熔化技术的制造要求，粉末材料具有良好的润湿性和自溶性，易于SLM成形。此外，IN718粉末大小较好的SLM成形粒径度分布在25-30μm，铺层厚度在40-50μm，可获得较好的SLM成形零件，且在固溶沉淀强化作用下可得到优异的力学性能以及使用寿命。
选用IN718作为本发明实施例的金属粉末材料，其加工流程如图1所示，金属粉末输送过程由实线箭头路径所示，计算机控制设备1.7的控制关系由虚线箭头所示。SLM成形设备是由激光系统1.2、铺分系统1.3、成形平台系统1.4、粉末回收系统1.5、气氛保护系统1.6集合于SLM成形设备1.1的密封舱构成的，各系统在计算机控制设备1.7的辅助下各个系统协调工作，完成SLM成形零件的加工。成形后剩余的金属粉末回收至粉末筛分系统1.8进行筛分，再经由气氛保护及冷却干燥系统1.9完成粉末修复系统1.10前的预处理，待下一次SLM成形使用.
金属粉末添加于金属粉末筛分设备1.8如图2所示的筛分储料罐2.1中，经过超声波筛分装置2.2的筛分，上下层筛网2.14的目数分别为400目和600目，筛分为三个级别粒径尺寸的金属粉末颗粒，其中大颗粒(>38μm) 和小颗粒(<23μm)分别经由大颗粒出料口2.4和小颗粒出料口2.5回收。在真空泵2.8的作用下，被筛出的中等级别的金属颗粒(23-38μm)经由中等颗粒出料口2.6，被输送到气氛保护及冷却干燥设备1.9处，如图3所示，为保证筛分设备的安全性，防止金属粉筛分设备内气压过高发生爆炸，在各个出料口处添加了排气装置2.9、2.10、2.11。如果添加的金属粉末粒径分布度和球形度都达不到成形要求，可直接打开密封盖2.12与从粉末回收系统1.5回收的金属粉末共同储存于储料罐2.1中。如果添加的金属粉末性能优异，球形度好，可不经过修复过程，直接放置于金属粉末修复设备1.10的等离子旋转电极成形粉末储料罐4.4中。
气氛保护及冷却干燥设备，如图3所示，由氩气供给设备和液氮冷却干燥设备构成，气氛保护是通过向密闭金属粉末运输管道中提供氩气进行气氛保护的，通过增压器3.6对氩气储存罐3.7增压，同时经由排气阀2.9排出管道中的空气，以保证系统内压力的稳定性，金属粉末处于氩气气氛的保护之下。相对于其他设备气压，在氩气提供装置3.5处提供较高的气压(150kPa)可以保证氩气的循环。金属粉末再经冷却干燥装置后，避免了水蒸气对等离子旋转电极成形修复和SLM成形的影响，金属粉末进入干燥箱3.3后，由于冷凝器3.2、3.4在真空泵的作用下使真空管3.1产生的低压，管道中的气氛被吸入冷凝器中，由于冷凝器温度很低(-40℃)，水蒸气冷却凝华于冷凝器中，而氩气通过循环管回到管道中。
干燥后的金属粉末在真空泵的作用下，如图4所示，经粉料进料口4.1被输送至金属粉末修复设备1.10的修复储料罐4.2中，等离子雾化修复装置4.3是由雾化室4.7、电极装置4.8、等离子炬发生装置4.9构成的。金属粉末如图5所示，在雾化喷嘴5.1的控制下，定量定点地喷入雾化室4.7(喷入速率为1.0-3.0×10−6 m3· s−1)旋转的电极棒5.2处，旋转电极前的金属粉末颗粒经过等离子炬的作用下颗粒被熔化的金属液旋转包裹，经过这种运动的金属颗粒，再经过快速冷却，形成了良好致密度、球形度和松装密度的金属粉末，储存于等离子旋转电极成形粉末储料罐4.4中，在需要时通过真空泵4.5输送至SLM成形设备中。由于IN718金属液黏度小于20mPa·s，所以选择根据LD(ligament disintegration)模型（特征在于旋转造成离散的金属液滴5.6和金属颗粒表面流体线5.7）设置粒径分布的修复参数，采用低粘度金属液体平均粒径计算公式计算电极旋转速度ω
其中ρ为密度（8.21g·m-3=82.1kg·m-3），d为平均粒径（3.05×10-5m），δ为液态金属的表面张力（1.82N·m-1），r0为旋转电极棒的直径（0.08m），经计算, ω电极旋转速度理论上为（2416.2rad·s-1≈23073.7rpm）。而实际上为避免过高的旋转速度造成球形度差，应该使用比理论值更低的转速使修复颗粒趋紧于球形。因此通过芯轴5.3带动旋转的电极的转速应设置为20000rpm。同时，IN718的熔化温度为1260-1320 ℃，等离子炬装置通过Cu材料的阳极5.4和W材料的阴极5.5产生电弧，从而产生高温气体达到IN718的熔化温度，在装置内通入氩气下工作，保证了雾化室4.7的气氛，并通过气氛循环及净化装置4.6产生气流，减少金属小液滴对金属粉末的污染。
经过等离子旋转电极成形修复后金属粉末在真空泵的作用下被输送到SLM成形设备中，如图6所示，由于金属粉是由铺粉系统上层的供粉缸提供的，比普通的铺粉设备相比，松装密度更低，因此需根据以上原因设置铺层厚度为60μm。在电机驱动下通过滑动轨道6.12在成形平台完成铺粉，激光经由计算机控制下的激光扫描振镜完成对铺粉层熔化成形。完成成形后，成形平台的成形缸6.6在控制系统的协调下，通过电机驱动下降一定高度，供粉铺粉装置继续在上一层成形层上铺粉，之后重复激光器6.1对铺粉层的熔化成形，最终获得成形零件。在SLM成形过程中，有一部分多余金属粉被铺粉装置推送到集粉缸中，在风扇和真空泵的共同作用下，金属粉被吸入输粉管道6.9，且由于滤网6.7的作用，金属粉末不会从气孔6.10中被吹出，同时保证了SLM成形密封舱内的气压稳定。同时在SLM成形过程中，会有大量的烟尘产生，经由设计的吹气孔6.11把烟尘吹向气氛保护系统的密封舱上方，在气氛保护系统（包括烟尘过滤装置6.13、氩气提供装置6.14、气压测控装置6.15、与外界相连的滤口6.16、气氛净化输出口6.17、气氛净化输出口6.2）作用下，保证了密封舱内设备不受损坏和SLM成形过程不受影响。
在成形结束后，上升成形缸，将剩余金属粉末人工吸入或扫入集粉缸中，完成金属粉末的回收。回收的金属粉末被真空泵输送到筛分装置的储料罐中，与加入的金属粉末混合继续完成筛分、气氛保护、冷却干燥、粉末修复，待下一次SLM成形使用。

Claims (10)

1.一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，其特征在于：由SLM成形设备、金属粉末筛分设备、金属粉末修复设备、气氛保护及冷却干燥设备及计算机控制设备构成；所述SLM成形设备是将激光系统、成形平台系统、铺粉系统、粉末回收系统以及气氛保护系统通过密封舱集成；所述粉末回收系统连接金属粉末筛分设备，金属粉末筛分设备通过气氛保护及冷却干燥设备与金属粉末修复设备连接，金属粉末修复设备又连接到SLM成形设备的铺粉系统，所述计算机控制设备与SLM成形设备的激光系统、铺粉系统及成形平台系统相连，控制各系统协调工作。
2.根据权利要求1所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，其特征在于：所述的SLM成形设备的激光系统采用200W Nd-YAG短波长激光器，通过RTC4控制卡控制X、Y轴振镜扫描系统，从而控制激光器在成形平台系统的聚焦位置，完成成形平台的一层铺粉熔化成形，成形平台系统的成形缸和铺粉系统的伺服电机由PLC控制器控制，完成成形平台的铺粉，所述伺服电机采用Baldor VSSEWDM3541电机；粉末回收系统由集粉缸、风扇、真空泵及滤网构成；气氛保护系统由氩气提供装置、增压器，氩气储存罐及供气箱组成，供气箱上设置有排气口和压力表。
3.根据权利要求1所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，其特征在于：所述金属粉末筛分设备由筛分储料罐、超声波双精度筛分设备及真空泵构成，储料罐上部设置有可打开添加金属粉末的密封盖以及与粉末回收系统连接的进料口，下部设置有控制粉末进入筛分设备进入量的控制阀，超声波双精度筛分设备内部设置超声振动发生装置和筛粉网，设备上还设置有大颗粒出料口、小颗粒出料口、中等颗粒出料口，各出料口上还设置有排气孔，中等颗粒出料口上连接中等颗粒集料箱，中等颗粒集料箱连接一真空泵。
4.根据权利要求1所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，其特征在于：所述气氛保护及冷却干燥设备由氩气供给设备和液氮冷却干燥设备构成，氩气供给设备由氩气提供装置、增压器，氩气储存罐及供气箱组成，供气箱上设置有排气口和压力表，液氮冷却干燥设备由干燥箱和冷凝器构成，干燥箱和冷凝器通过循环管道连接，冷凝器上还连接有真空管。
5.根据权利要求1所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，其特征在于：所述金属粉末修复设备由修复储料罐，等离子旋转电极成形装置和金属粉末冷却及储料装置组成，修复储料罐上接有粉料进料口和气氛循环及净化装置，等离子旋转电极成形装置由等离子旋转电极成形雾化室、电极装置及等离子炬发生装置构成，金属粉末冷却及储料装置下端接有真空泵。
6.根据权利要求1所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统，其工作流程如下：
第一步，将金属粉末添加于金属粉末筛分设备的筛分储料罐中，经过超声波双精度筛分设备的筛分，筛分为三个级别粒径尺寸的金属粉末颗粒，其中大颗粒等级的颗粒和小颗粒等级的颗粒被分别回收，在真空泵的作用下被筛分出的中等级别的金属粉末被输送到气氛保护及干燥设备；
第二步，输送到气氛保护及干燥设备的金属粉末在氩气的保护之下，经过冷却干燥后，被送至金属粉末修复设备的修复储料罐；
第三步，被送到修复储料罐的金属粉末在雾化喷嘴的控制下，定量定点的喷入等离子旋转电极成形装置的雾化室的旋转电极装置的电极处，电极前的金属粉末颗粒经过等离子炬作用，金属粉末颗粒被熔化的金属液旋转包裹，经过这种运动的金属颗粒，再经过快速冷却，共同形成了良好致密度、球形度和松装密度的金属粉末，经过PREP修复后的金属粉末在真空泵作用下，被输送到SLM成形设备的铺粉系统中；
第四步，铺粉系统通过电机驱动，在成形平台系统进行铺粉，激光经过计算机控制下的激光扫描振镜完成对铺粉层熔化成形，完成成形后，成形平台系统的成形缸在计算机控制下，通过电机驱动下降一定高度，铺粉系统继续在上一层成形层上铺粉，之后重复激光系统对铺粉层的熔化成形，最终获得成形零件；在零件SLM成形过程中，一部分多余金属粉末被铺粉系统推送到粉末回收系统的集粉缸中，在风扇和真空泵的共同作用下，金属粉末被吸入输粉管道，且由于滤网的设置，金属粉末不会从气孔中被吹出，并保证了成形密封舱内的气压稳定；在成形结束后，上升成形缸，将剩余金属粉末人工收集到粉末回收系统的集粉缸中，完成金属粉末的回收；
第五步，回收的金属粉末在真空泵的作用下，被输送到金属粉末筛分设备的筛分储料罐中，与新加入的金属粉末混合并继续完成筛分、气氛保护、冷却干燥、粉末修复，直至下一次的SLM成形使用。
7.根据权利要求6所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的工作流程，其特征在于：所述第一步中，对于不同材料，可以更换筛分装置中的筛网，以接近等离子旋转电极成形修复粒径分布，提高修复质量，同时如果购置的金属粉末性能优异，可以不经过修复的过程，直接放置于金属粉末修复设备的修复储料罐中。
8.根据权利要求6所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的工作流程，其特征在于：所述第二步中,氩气保护气氛的气压应适宜，相对于其它设备气压，在氩气提供装置处提供较高的气压可以保证氩气的循环，氩气提供装置提供的氩气气压为150kPa,PREP修复设备雾化室的气压控制在100kPa, SLM密封舱内的气压控制在100kPa。
9.根据权利要求6所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的工作流程，其特征在于：所述第三步中，金属粉末的喷入量为1.0–3.0× 10−6 m3· s−1 ，等离子炬加热温度需达到金属的初融温度，电极旋转速度需根据金属材料的物理性能设定。
10.根据权利要求6所述的一种金属粉末SLM成形过程动态回收修复系统的工作流程，其特征在于：所述第四步中，计算机首先对三维CAD模型进行离散分层切片，生成激光路径，计算机再对加工数据进行处理，控制激光和振镜控制卡，从而控制激光器和振镜，实现SLM成形。同时，计算机与PLC控制器实现数据交换，其中PLC控制器主要控制成形升降台、铺粉伺服电机和送粉阀，最终实现计算机对SLM成形设备的整体控制；铺粉系统的金属粉末是由铺粉系统上层的供粉缸提供，由于供粉缸气压很大，供粉缸需要设置排气装置，以保证供粉缸的安全。
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