CN110027216A - 一种提高工件成型质量的3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高工件成型质量的3D打印装置及方法，包括箱体、过滤系统、鼓风机、吹风装置、粉缸、加工缸；还包括气氛加热箱；所述的箱体为真空箱体、安装在真空箱体外部的鼓风机将气体吹入真空箱体内部；气氛加热箱对加工缸四周气氛进行加热，使加工阶段保证加工区域维持恒定的热吹风，并在冷却阶段，保证工件按照预设的冷却梯度进行冷却；整个打印过程，加工缸四周气氛经吹风装置吹出，之后经过滤系统过滤。

Description

一种提高工件成型质量的3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及用于3D打印设备的气氛循环集成装置与方法。
背景技术
在3D打印领域中，在工艺试验过程中常常遇到烧结粉末产生的飞溅落于成形区域内，吹风装置吹出的气氛含有未被彻底过滤的细小杂质，水氧含量超标，冷却梯度过大，上述问题都会对零件能否高质量成形产生很大的影响，严重时直接导致零件成形失败。目前市场上的3D打印设备多数已经配备了吹风装置，但是往往存在风路设计较为简单、喷嘴风速不均匀，简单设计往往造成腔内流场紊乱，工艺试验的吹风效果表现为飞溅朝四处扩散，杂质无法有效吹离成形表面，容易造成打印零件表面球化、凸起、黑化等现象。另外，目前市场上的3D打印设备过滤系统单一简单，不能有效地将打印过程中产生的杂质过滤掉，吹出的气体中本身就含有一定量的杂质，同样会造成工件表面球化黑化等现象发生。最后，目前市场上的3D打印设备并没有考虑工件打印成形后的冷却梯度，工艺表现为内应力过大，容易造成零件翘曲变形。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种提高工件成型质量的3D打印装置与方法，解决了目前产品容易出现的表面球化、黑化、工件翘曲等低质量打印问题。
本发明的技术解决方案是：一种提高工件成型质量的3D打印装置，包括箱体、过滤系统、鼓风机、吹风装置、粉缸、加工缸；还包括气氛加热箱；所述的箱体为真空箱体、安装在真空箱体外部的鼓风机将气体吹入真空箱体内部；气氛加热箱对加工缸四周气氛进行加热，使加工阶段保证加工区域维持恒定的热吹风，并在冷却阶段，保证工件按照预设的冷却梯度进行冷却；整个打印过程，加工缸四周气氛经吹风装置吹出，之后经过滤系统过滤。
优选的，所述的气氛加热箱包括气氛箱壁、隔热石棉、加热板；
所述的气氛箱壁用于在加工缸四周形成一个封闭密封的空间，加热板安装在气氛箱壁的四壁内部且二者之间安装隔热石棉；所述的气氛箱壁上留有气体进口，气体经该进口进入所述的封闭密封空间内。
优选的，所述的加热板通过运行在工控机上的温度控制器进行温度控制，加热板上安装温度传感器，模拟量输入模块采集温度传感器的信号进行模数转换后输入至温度控制器，由温度控制器实现加热板在加工阶段及冷却阶段的温度控制。
优选的，所述的加工阶段温度控制流程如下：
温度控制器将接收的数字信号与预设的加热温度进行比较，得到温度差值，根据差值产生PWM控制量信号，由PWM控制量信号控制加热继电器的通断，使得加热板的温度达到预设的加热温度。
优选的，所述的预设的加热温度范围200～300℃，根据具体的打印对象确定。
优选的，所述的冷却阶段温度控制流程如下：
温度控制器根据具体打印对象，按照预设的梯度生成一系列温度设定值，首先控制加热板温度达到所述温度设定值的最大值，之后按照一定的时间间隔控制加热板温度依次达到下一个较低的温度设定值；
所述控制加热板温度达到温度设定值通过将接收到的数据信号与该设定值进行比较，根据温度差值产生PWM控制量信号，由PWM控制量信号控制加热继电器通断实现。
优选的，3D打印装置还包括一级气氛加热装置，安装在真空箱体外部的一级气氛加热装置对鼓风机出风口端出来的气体进行加热，加热后的气体进入真空箱体内部，然后进入到气氛加热箱，经过气氛加热箱加热后的气体经过吹风装置吹出，在加工区域形成恒定的热吹风。
优选的，所述的鼓风机配有变频器，实现工艺试验过称中自由调节风速。
优选的，所述的过滤系统包括四级净化装置，前三级净化装置用于过滤循环气氛中的杂质颗粒，最终过滤等级至少达到H13级，最后经水氧净化装置滤除循环气氛中的水分子和氧分子，之后气体重新进入鼓风机形成闭合回路。
优选的，通过安装在真空箱体上的水含量分析装置和氧分析装置分析真空箱体内气氛环境的水含量以及氧含量，进而实现真空箱体内水含量以及氧含量的实时监测。
优选的，所述的吹风装置由多个平流型喷嘴呈线性规则排列组成。
优选的，所述的粉缸位于加工缸一侧，为零件成形提供粉末，粉末供给方式既包括下送粉方式，也包括上送粉方式。
一种提高工件成型质量的3D打印方法，通过下述方式实现：
(1)利用安装在真空箱体外的真空泵对真空箱体抽真空，当真空箱内压力达到5-10mbar时，开始向真空箱体充氩气，等到真空箱内外压力差达到要求后，进行抽充气体操作，当真空箱内氧含量达到工艺要求设定值后，开启鼓风机进行气氛循环过程，同时开始打印操作；
(2)打印操作过程中，利用所述的装置中的一级气氛加热装置对鼓风机出口端的气体进行加热，加热后的气体进入真空箱体，然后进入到气氛加热箱，经过气氛加热箱加热后的气体经过吹风装置吹出，在加工区域形成恒定的热吹风，然后经过过滤系统后重新进入鼓风机，形成闭合的气氛循环系统；
(3)气氛加热箱间接对加工缸四周壁板的零件成型区域进行加热，工件打印完成后，针对工件的材料属性，将气氛加热箱按照预设的冷却温度进行冷却。
优选的，步骤(2)中一级气氛加热装置对鼓风机出口端的气体进行加热，加热后的气体温度50-80℃，由安装在真空箱进气口处的外管温度传感器采集进入到真空箱体的气氛温度并进行监测。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明循环管路内的气体经由真空箱进气口进入到真空箱体内，然后进入到气氛加热箱，放置于气氛加热箱四壁内部的加热板可以对箱体内气氛以及加工缸壁板进行加热，气氛箱壁隔热石棉位于加热板与气氛箱壁之间，可以避免箱体内热量散到箱体外，气氛箱温度传感器可以监测箱体内气体以及加工缸壁板的温度，并进行实时控制与显示，循环气体经过气氛加热箱充分加热以后，从吹风装置离开吹走打印过程中产生的杂质，保证零件的高质量成型。
(2)相较于传统的吹风装置，现有的吹风装置吹出的气流更加平稳均匀，杂质可以被有效地吹入到过滤系统；四级过滤系统可以充分过滤掉打印过程中产生的杂质，保证吹风装置吹出的气体没有杂质；气氛加热箱可以保证工件打印完成后的开裂以及组织均匀性问题得到大大改善。
(3)本发明装置改进了目前市场上多数3D打印设备吹风不均匀、杂质收集不充分、冷却梯度过大等问题，具有循环气氛加热、除氧除湿、多级气氛净化等特点。
(4)本发明方案简易实用可靠，能够最大程度的保证打印所需要的气氛环境。
附图说明
图1是本发明3D打印装置正面总体图；
图2是本发明3D打印装置背面总体图；
图3是本发明3D打印装置内部缸体结构图；
图4是本发明3D打印装置气氛加热箱结构图；
图5是本发明3D打印装置加工缸内部结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
本发明的方案简易实用可靠，采用平流型喷嘴，可实现大幅面内气流均匀通过；发明设计了气氛加热箱，可以对真空箱体内气氛以及加工缸壁板进行加热，同时在工件冷却时气氛加热箱可以设定一系列的冷却温度值，降低了冷却梯度；采用的鼓风机配有相应的变频器，可实现工艺试验自由调节风速；采用多级杂质过滤装置以及水氧净化装置，保证打印所需要的气氛环境。
图1、2、3是一种可提高工件成型质量的3D打印装置总体图与内部缸体结构图，包括二级过滤器(H12级)1、高精度氧分析装置2、三级过滤器(H13级)3、真空级电磁阀4、水氧净化装置5、鼓风机6、真空泵7、设备底座8、一级气氛加热装置9、真空箱体10、水含量分析装置11、低精度氧分析装置12、外管温度传感器13、吹风装置14、一级过滤器15、粉箱16、气氛箱温度传感器17、穿舱插座18、进风口19、气氛加热箱20、加工缸21。首先，利用安装在真空箱体外的真空泵对真空箱进行抽真空，当真空箱内压力达到5-10mbar时，开始向真空箱体充氩气，等到真空箱内外压力差达到要求后，进行抽充气体操作，当真空箱内氧含量达到工艺要求设定值后，开启鼓风机进行气氛循环过程，同时控制光路系统卡开始打印操作。鼓风机配有变频器，流量可以进行调节，气体从鼓风机出风口离开后，首先经过一级气氛加热装置进行加热，这样鼓风机出来的气体具有相对较高的温度，然后在真空箱进气口处经过外管温度传感器检测进入到真空箱内部。气体进入到气氛加热箱后进行二级加热，得到充分加热后的气体经过吹风装置吹出，大幅面高效地带走打印过程中产生的杂质，将杂质带入到过滤系统中。首先，一级过滤器可以收集循环气氛中较大的杂质颗粒，然后，二级过滤器可以过滤循环气氛中较小的杂质颗粒，过滤等级为H12级，然后，三级过滤器可以过滤循环气氛中更小的杂质颗粒，过滤等级为H13级，最后，水氧净化装置可以进一步滤除循环气氛中的水分子和氧分子，气体重新进入到鼓风机，这样在真空箱体内形成了完备的闭合循环回路，保证零件的高质量成形。工件打印完成后，针对工件的材料属性，将二级气氛加热装置按照预设的冷却温度进行冷却，抑制工件开裂现象的出现，提高工件不同高度处组织的均匀性，从而提高了工件的成型质量。
图4与图5分别是垂直方向与水平方向上气氛加热箱结构的剖视图。工件在加工缸基板23上成型，加工缸基板23下方安装加工缸加热板22，加工缸加热板22在打印前以及打印过程中对工件进行预热，并且在冷却过程中保持与气氛加热箱相同的冷却梯度进行冷却。气氛加热箱由气氛箱壁5-1、气氛箱壁隔热石棉5-2、加热板5-3组成，循环管路内的气体经由气氛加热箱进风口19进入到箱体内，放置于气氛加热箱四壁内部的加热板5-3可以对箱体内气氛进行加热，气氛箱壁隔热石棉5-2位于加热板5-3与气氛箱壁5-1之间，可以避免箱体内热量散到箱体外，气氛箱温度传感器可以监测箱体内的温度，并进行实时控制与显示，循环气体经过气氛加热箱充分加热以后，从吹风装置离开吹走打印过程中产生的杂质，保证零件的高质量成形。结合图3与图4，对气氛加热箱加热过程做具体阐释。
加热过程描述：
每块加热板由一个单独的温度控制器来进行控制，所有温度控制器均运行于工控机上。温度控制器通过模拟量输入模块对加热板温度传感器信号进行采集，然后与设定的加热温度进行比较，得到温度差值，然后通过PID控制器产生PWM控制量信号，并由PWM输出模块输出，从而控制固态加热继电器通断，实现加热板的温度控制。
为了实现冷却过程中的温度梯度控制，防止工件冷却速度过快，针对具体的工件材料，温度控制器首先按照某个梯度生成一系列温度设定值，然后在一定的时间间隔内温度控制器对加热板温度进行控制，使加热板实际温度达到设定温度值；接着在下一个时间间隔内，温度控制器对加热板进行控制，使加热板实际温度达到下一个较低的温度设定值，这样经过一系列温降，工件可以逐渐冷却下来，避免了开裂现象的出现。
上述一级气氛加热装置为设备中的辅助加热设备，可以根据实际情况进行选择，若加热过程中确定采用一级气氛加热装置，则利用一级气氛加热装置加热后的气体温度范围优选为50-80℃，并由安装在真空箱进气口处的外管温度传感器采集进入到真空箱体的气氛温度并进行监测。
本发明的一种可提高工件成型质量的3D打印装置与方法。通过设计气氛加热箱、吹风装置、多重过滤装置，具有循环气氛加热、除氧除湿、多级气氛净化、降低工件冷却梯度等特点，可以为工件打印提供一个更好的气氛环境。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (14)

1.一种提高工件成型质量的3D打印装置，包括箱体、过滤系统、鼓风机、吹风装置、粉缸、加工缸；其特征在于：还包括气氛加热箱；所述的箱体为真空箱体、安装在真空箱体外部的鼓风机将气体吹入真空箱体内部；气氛加热箱对加工缸四周气氛进行加热，使加工阶段保证加工区域维持恒定的热吹风，并在冷却阶段，保证工件按照预设的冷却梯度进行冷却；整个打印过程，加工缸四周气氛经吹风装置吹出，之后经过滤系统过滤。
2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的气氛加热箱包括气氛箱壁、隔热石棉、加热板；
所述的气氛箱壁用于在加工缸四周形成一个封闭密封的空间，加热板安装在气氛箱壁的四壁内部且二者之间安装隔热石棉；所述的气氛箱壁上留有气体进口，气体经该进口进入所述的封闭密封空间内。
3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于：所述的加热板通过运行在工控机上的温度控制器进行温度控制，加热板上安装温度传感器，模拟量输入模块采集温度传感器的信号进行模数转换后输入至温度控制器，由温度控制器实现加热板在加工阶段及冷却阶段的温度控制。
4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于：所述的加工阶段温度控制流程如下：
温度控制器将接收的数字信号与预设的加热温度进行比较，得到温度差值，根据差值产生PWM控制量信号，由PWM控制量信号控制加热继电器的通断，使得加热板的温度达到预设的加热温度。
5.根据权利要求4所述的3D打印装置，其特征在于：所述的预设的加热温度范围200～300℃，根据具体的打印对象确定。
6.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于：所述的冷却阶段温度控制流程如下：
温度控制器根据具体打印对象，按照预设的梯度生成一系列温度设定值，首先控制加热板温度达到所述温度设定值的最大值，之后按照一定的时间间隔控制加热板温度依次达到下一个较低的温度设定值；
所述控制加热板温度达到温度设定值通过将接收到的数据信号与该设定值进行比较，根据温度差值产生PWM控制量信号，由PWM控制量信号控制加热继电器通断实现。
7.根据权利要求1-6之一所述的3D打印装置，其特征在于：还包括一级气氛加热装置，安装在真空箱体外部的一级气氛加热装置对鼓风机出风口端出来的气体进行加热，加热后的气体进入真空箱体内部，然后进入到气氛加热箱，经过气氛加热箱加热后的气体经过吹风装置吹出，在加工区域形成恒定的热吹风。
8.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的鼓风机配有变频器，实现工艺试验过称中自由调节风速。
9.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的过滤系统包括四级净化装置，前三级净化装置用于过滤循环气氛中的杂质颗粒，最终过滤等级至少达到H13级，最后经水氧净化装置滤除循环气氛中的水分子和氧分子，之后气体重新进入鼓风机形成闭合回路。
10.根据权利要求1或9所述的3D打印装置，其特征在于：通过安装在真空箱体上的水含量分析装置和氧分析装置分析真空箱体内气氛环境的水含量以及氧含量，进而实现真空箱体内水含量以及氧含量的实时监测。
11.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的吹风装置由多个平流型喷嘴呈线性规则排列组成。
12.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：所述的粉缸位于加工缸一侧，为零件成形提供粉末，粉末供给方式包括下送粉方式、上送粉方式。
13.一种提高工件成型质量的3D打印方法，其特征在于通过下述方式实现：
(1)利用安装在真空箱体外的真空泵对真空箱体抽真空，当真空箱内压力达到5-10mbar时，开始向真空箱体充氩气，等到真空箱内外压力差达到要求后，进行抽充气体操作，当真空箱内氧含量达到工艺要求设定值后，开启鼓风机进行气氛循环过程，同时开始打印操作；
(2)打印操作过程中，利用权利要求7所述的装置中的一级气氛加热装置对鼓风机出口端的气体进行加热，加热后的气体进入真空箱体，然后进入到气氛加热箱，经过气氛加热箱加热后的气体经过吹风装置吹出，在加工区域形成恒定的热吹风，然后经过过滤系统后重新进入鼓风机，形成闭合的气氛循环系统；
(3)气氛加热箱间接对加工缸四周壁板的零件成型区域进行加热，工件打印完成后，针对工件的材料属性，将气氛加热箱按照预设的冷却温度进行冷却。
14.根据权利要求13所述的3D打印方法，其特征在于：步骤(2)中一级气氛加热装置对鼓风机出口端的气体进行加热，加热后的气体温度50-80℃，由安装在真空箱进气口处的外管温度传感器采集进入到真空箱体的气氛温度并进行监测。
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