CN111318699A - 一种带粉末收集功能的增材制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带粉末收集功能的增材制造装置，包括第一桁架、第二桁架、第一进气管、悬浮料输送管、旋涡分离器、第二进气管、激光头、复合透气层，通过第一、二桁架带动激光头做空间运动，当激光头运动到目标位置处，通过送分管喷射金属粉末，同时通过第一、二进气管通入氮气，避免高温零件与空气或水分接触氧化，当零件制造完成后，通过通入氩气使得金属粉末在密封箱内形成漂浮状态，并从悬浮料输送管传输至旋涡分离器中进行氩气和金属粉末的分离；本发明的粉末收集过程均在惰性气体保护下进行，避免了金属接触空气而氧化，同时收集密封箱内没有得到利用的粉末，大大提高了粉末的使用率，高效且节省成本。

Description

一种带粉末收集功能的增材制造装置
技术领域
本发明涉及激光增材制造领域，具体涉及一种带粉末收集功能的增材制造装置。
背景技术
激光增材制造技术发展于上世纪80年代，将激光增材制造技术与快速成型技术的快速成型原理结合起来的一种新型快速制造技术。首先在计算机中通过三维CAD软件形成零件的实体模型，然后再按照一定的厚度将CAD建立的模型进行分层，然后将三维实体模型转换为二维轮廓模型，随后在机床或机器人的控制下用同步送粉激光沉积等方法对金属材料在一定的路径进行逐点填充给定的形状，直到形成建模的三维实体形状。
在实际生产中，激光送粉的增材制造技术对粉末的利用率只有50％左右，一大半金属粉末飞溅到密封箱底部难以收集清扫，当前收集粉末只能打开密封箱用防爆吸尘器将残留的粉末进行收集，细微的粉末容易进入人体呼吸系统同时按照此方法收集而来的金属粉末多已氧化，难以重复利用，现有粉末收集技术均需要打开密封箱手工收集未经使用的金属粉末，进而造成密封箱内部气体环境破坏，重新将密封箱充满氩气并降低湿度费时费力，往往需要2天左右才能将40立方米左右的密封箱内气体环境达到使用要求。公开号为201810622643.8的中国发明公开了一种利用电磁吸附力收集增材制造粉末装置，但是一方面金属粉末放入此装置前不可避免与空气长时间接触，金属氧化不可避免，另一方面利用电磁吸附力收集金属粉末并不能很好的吸附低/无磁性的金属例如钛合金，限制该装置的使用范围。
如何更加方便且高效高质量地回收增材制造产生剩余粉末是激光增材领域绕不开的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供带粉末收集功能的增材制造装置以解决目前激光同轴送粉增材制造技术中金属粉末利用率低等缺点，自动回收未利用的粉末同时一方面保护了人身安全，另一方面防止金属粉末氧化。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种带粉末收集功能的增材制造装置，包括密封箱、固定底座、第一进气管、工作台、氩气浓度检测仪、湿度传感器、第一桁架、第二桁架、管路、悬浮料输送管、基板、梯形槽、旋涡分离器、粉末输出管、出气管、地台、第二进气管、激光头、密封舱门、送粉头、压力表、流量阀和复合透气层，所述地台为方形实体结构，从顶部中间位置加工有喇叭形的气道，地台四周均匀设置有安装第二进气管的通孔，所述固定底座为高度小于地台高度的中空方形铸壳结构，在顶部的中间位置加工有安装地台的方孔，在顶部开有多个均匀分布的通孔，固定底座的四周均匀设置有安装第一进气管和第二进气管的通孔，密封箱的顶部焊接有连通内腔的浮料输送管，密封箱内部的一侧安装有氩气浓度检测仪和湿度传感器，密封箱和密封舱门均通过螺栓固定在固定底座顶部端面的四个角上，密封箱安装在密封舱门的外部，固定底座与密封箱、密封舱门之间均夹装有复合透气层，方便进行气体的流动，通过第一进气管向固定底座与密封箱构成的封闭空间内通入高纯氩气，所述工作台为一端开口的中空腔体结构，且内部设置复合透气层，工作台的开口直径小于等于地台上气道的开口直径，工作台的开口端面安装在地台顶部的中间位置，梯形槽上加工有均匀分布的气孔，梯形槽通过螺栓固定安装在工作台的顶部，基板固定在梯形槽上，梯形槽与工作台之间夹装有复合透气层，通过第二进气管向地台内通入高纯氩气，地台内的高纯氩气通过梯形槽上的气孔扩散到密封舱门内部，在密封箱与密封舱门之间安装有第一桁架，第一桁架为两个竖直杆和一个水平轨道的组合结构，第一桁架的两个竖直杆固定在固定底座顶部，第一桁架的水平轨道固定在两个竖直杆上，且水平轨道的安装高度高于密封舱门的高度，第二桁架为L形结构，第二桁架的竖直边通过滑轨与第一桁架的水平轨道相连，可沿第一桁架的水平轨道进行水平方向移动，激光头的运行轨道安装在第二桁架的水平边上，激光头朝下的一端的四周安装有送粉头，激光头在运行轨道上进行上下移动，用来调整送粉头竖直方向的位置，通过第二桁架带动激光头沿第一桁架水平方向移动，调整送粉头水平方向的位置，管路内部包括送粉管和激光光纤，送粉管嵌套在管路内，在送粉管外壁跟管路内壁之间铺设有一层激光光纤，激光头的顶部连接管路的一端，管路穿过密封箱的另一端与密封箱外部的激光发生器相连，悬浮料输送管安装在密封箱顶部，悬浮料输送管的一端伸入到密封箱内部，另一端连接旋涡分离器，竖直安装的旋涡分离器的下部端口连接用于输出金属粉末的粉末输出管，竖直安装的旋涡分离器的上部端口连接用于氩气输出的出气管，出气管上安装有流量阀和压力表。
所述悬浮料输送管由四根分管道和一根总管道焊接而成，四根分管道的一端分别焊接在密封箱的顶部，四根分管道的另一端分别焊接在总管道上，通过总管道与旋涡分离器相连。
所述第一进气管与第二进气管均流通高纯氩气，且氩气的流量为25L/min—35L/min。
所述复合透气层包括支撑网、透气布、多孔板，所述密封箱一侧开设有箱门，为了保证复合透气层的气体通透性，同时为了高效率的将粉末吹成悬浮状态，所述复合透气层每经过3000小时的增材生产周期后，需要打开密封箱的箱门对复合透气层表面进行检查、清理或更换透气布。
本发明的有益效果：
与目前的粉末收集技术相比，本发明的粉末收集过程均在惰性气体保护的环境中进行，避免了金属接触空气而氧化；
进一步的，现有粉末收集技术均需要打开密封箱，进而造成密封箱内部气体环境破坏，重新将密封箱充满氩气并降低湿度费时费力，往往需要天左右才能将立方米左右的密封箱内气体环境达到使用要求，因此本发明大大减少了打开密封箱次数，提高了生产效率的同时节省资源；
进一步的，激光送粉的增材制造技术对粉末的利用率只有50％左右，一大半金属粉末飞溅到密封箱底部难以收集清扫，当前收集粉末只能打开密封箱用防爆吸尘器将残留的粉末进行收集，细微的粉末容易进入人体呼吸系统同时按照此方法收集而来的金属粉末多已氧化，难以重复利用，本发明间接大大提高了金属材料的利用率，通过氩气一方面的动能以及氩气自身惰性气体的特点，按照本发明通入氩气的方式一举两得：一方面为增材制造提供保护气环境，另一方面方便金属粉末的收集。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的旋涡分离器部分结构示意图；
图3为本图1中的A处复合透气层部分结构示意图。
图中，1、密封箱，2、固定底座，3、第一进气管，4、工作台，5、氩气浓度检测仪，6、湿度传感器，8、第一桁架，9、第二桁架，10、管路，11、悬浮料输送管，12、基板，13、梯形槽，14、支撑网，15、透气布，16、多孔板，17、旋涡分离器，171、粉末输出管，172、出气管，18、地台，19、第二进气管，20、激光头，21、密封舱门，22、送粉头，23、压力表，24、流量阀。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，下述实施例不应解释为对本发明的限制，本领域技术人员无需创造性劳动即可将实施例中的技术特征组合形成新的实施例，且这些新的实施例同样涵盖在本发明的保护范围之内。
如图1至图3所示，一种带粉末收集功能的增材制造装置，包括密封箱1、固定底座2、第一进气管3、工作台4、氩气浓度检测仪5、湿度传感器6、第一桁架8、第二桁架9、管路10、悬浮料输送管11、基板12、梯形槽13、支撑网14、透气布15、多孔板16、旋涡分离器17、粉末输出管171、出气管172、地台18、第二进气管19、激光头20、密封舱门21、送粉头22、压力表23、流量阀24和复合透气层，所述地台18为方形实体结构，从顶部中间位置加工有喇叭形的气道，地台18四周均匀设置有安装第二进气管19的通孔，所述固定底座2为高度小于地台18高度的中空方形铸壳结构，在固定底座2顶部的中间位置加工有安装地台18的方孔，在固定底座2顶部开有多个均匀分布的通孔，固定底座2的四周均匀设置有安装第一进气管3和第二进气管19的通孔，密封箱1的顶部焊接有连通内腔的浮料输送管11，密封箱1内部的一侧安装有氩气浓度检测仪5和湿度传感器6，密封箱1和密封舱门21均通过螺栓固定在固定底座2顶部端面的四个角上，密封箱1安装在密封舱门21的外部，固定底座2与密封箱1、密封舱门21之间均夹装有复合透气层，方便进行气体的流动，通过第一进气管3向固定底座2与密封箱1构成的封闭空间内通入高纯氩气，所述工作台4为一端开口的中空腔体结构，且内部设置复合透气层，工作台4的开口直径小于等于地台18上气道的大端开口直径，以工作台4的开口端面为接触面安装在地台18顶部的中间位置，梯形槽13上加工有均匀分布的气孔，梯形槽13通过螺栓固定安装在工作台4的顶部，基板12固定在梯形槽13上，梯形槽13与工作台4之间夹装有复合透气层，通过第二进气管19向地台18内通入高纯氩气，地台18内的高纯氩气通过梯形槽13上的气孔扩散到密封舱门21内部，在密封箱1与密封舱门21之间安装有第一桁架8，第一桁架8为两个竖直杆和一个水平轨道的组合结构，第一桁架8的两个竖直杆固定在固定底座2顶部，第一桁架8的水平轨道固定在两个竖直杆上，且水平轨道的安装高度高于密封舱门21的高度，第二桁架9为L形结构，第二桁架9的竖直边通过滑轨与第一桁架8的水平轨道相连，可沿第一桁架8的水平轨道进行水平方向移动，激光头20的运行轨道安装在第二桁架9的水平边上，激光头20朝下的一端的四周安装有送粉头22，激光头20在运行轨道上进行上下移动，用来调整送粉头22竖直方向的位置，通过第二桁架9带动激光头20沿第一桁架8水平方向移动，调整送粉头22水平方向的位置，管路10内部包括送粉管和激光光纤，送粉管嵌套在管路10内，在送粉管外壁跟管路10内壁之间铺设有一层激光光纤，激光头20的顶部连接管路10的一端，管路10穿过密封箱1的另一端与密封箱外部的激光发生器相连，悬浮料输送管11安装在密封箱1顶部，悬浮料输送管11的一端伸入到密封箱内部，另一端连接旋涡分离器17，竖直安装的旋涡分离器17的下部端口连接用于输出金属粉末的粉末输出管171，竖直安装的旋涡分离器17的上部端口连接用于氩气输出的出气管172，出气管172上安装有流量阀24和压力表23。
通过流量阀24调节出气流量进而调整密封箱1内的压力和氩气消耗速度，通过压力表23间接检测密封箱1内的气压的同时方便人通过压力控制流量阀24，氩气浓度检测仪5用于检测密封箱1内的氩气浓度，湿度传感器6用于监测密封箱1内的湿度，氩气浓度检测仪5和湿度传感器6所采集到的数据均传输到系统控制台上，所述系统控制台用于控制整个装置的自动化运行，当系统控制台提示密封箱1内的气体环境达不到生产标准时，提高第一进气管3和第二进气管19的氩气进气流量，或将流量调节阀24开口调大，进而使得密封箱1内的环境质量加速达到生产要求。
通过系统控制台自动调整第一桁架8和第二桁架9控制送粉头(22)为固定在基板12上的工件进行激光送粉打印工作，由于粉末在工件加工过程中并不能完全被利用而飞溅到工作台4上，所以通过第一进气管3向固定底座2与密封箱1所构成的密封空间内通入具有足够大压强的高纯氩气，通过第二进气管19向地台18内通入具有足够大压强的高纯氩气，通入的氩气将加工过程中产生的多余粉末吹成悬浮状，悬浮状的粉末随氩气漂浮上升后，通过顶部的悬浮料输送管11进入旋涡分离器17，经过旋涡分离器17分离后的金属粉末通过下端的粉末输出管171输出，分离出的氩气通过出气管172输出。
所述悬浮料输送管11由材质为不锈钢的四根分管道和一根总管道焊接而成，四根分管道的一端分别焊接在密封箱1的顶部，四根分管道的另一端分别焊接在总管道上，通过总管道与旋涡分离器17相连，方便对通过氩气携带有金属粉末的混合气体的收集及导出。
所述第一进气管3和第二进气管19均流通高纯氩气，氩气流量为25L/min—35L/min，具体氩气流量根据湿度传感器6和氩气浓度检测仪5显示参数设置，然后调整氩气流量。
所述复合透气层包括支撑网14、透气布15、多孔板16，其中支撑网14用于支撑复合透气层结构，透气布15使得气体从工作台4进入密封箱1内部的同时，防止密封箱1内部的金属粉末进入工作台4和固定底座2，所述多孔板16起到透气作用的同时，分散气流使得气流均匀地从复合透气层通过，所述密封箱1一侧开设有箱门，为了保证复合透气层的气体通透性，同时为了高效率的将粉末吹成悬浮状态，所述复合透气层经过3000小时的增材生产周期后，需要打开密封箱1的箱门对复合透气层表面进行检查清理或更换透气布15。
本实施例中，所述透气布15的材料是克重为450g/m2的亚克力纤维和亚克力高强长丝基布，支撑网14为20目不锈钢筛网，呈蜂窝状排布开孔的多孔板16为不锈钢板材，其孔径的大小为0.8mm，厚度为3mm。
所述装置的增材制造方法具体包括以下步骤：
S1：首先将合金基板12放置在该装置中的梯形槽13上；
S2：关闭密封舱门21后，从第一进气管3和第二进气管19分别通入氩气，并打开流量阀24使密封1内的空气和水分排出，同时控制密封箱1内气体压强，密封箱1中的气体压强的控制需要根据具体生产条件设定；
S3：通过系统控制台观察氩气浓度检测仪5和湿度传感器6显示的示数是否符合生产要求，若符合，则进行步骤S4，否则返回步骤S2，本实施例中的生产要求是指激光增材工作环境为氩气99.5％，湿度小于0.1％；
S4：打开激光增材制造系统进行增材制造作业；
S5：打印工作暂停或完成后，需提高第一进气管3和第二进气管19中的氩气通入量，使得密封箱1内残留的金属粉末通过悬浮料输送管11顺利排入旋涡分离器17中；
S6：经旋涡分离器17将悬浮料分离出氩气和金属粉末之后，从粉末输出管171输出的金属粉末可以从新再用于生产，提高金属粉末的利用率，节约生产成本；
S7：当打印工作暂停后需再次启动时，应该首先调节流量阀24使得密封箱1中的气体压力达到增材制造的许用值，然后再继续进行增材作业，直到工件加工完毕，打开密封箱1取出工件。
本实施例在增材制造过程中，密封箱1的压力许用值设定为0.1Mpa-0.2Mpa。
本发明的带粉末收集功能的增材制造方法在工作时，第一桁架8和第二桁架9带动激光头20立体运动，激光头20发射激光的同时送粉头22从四周向激光的焦点处喷射金属粉末，金属粉末在激光的热效应下熔化至基板12上，进行上述过程的同时，第一进气管3和第二进气管19通入氮气，此时通入氮气流量低于25L/min，以避免基板下部梯形槽13处窜出的氩气对送粉头22粉末喷射过程造成影响，同时为密封箱1提供惰性环境气体，防止高温零件与空气或水分接触氧化，当零件制造完成后或者中途暂停制造时，通过增大氩气进气流量使得金属粉末在密封箱1内形成漂浮状态，并从悬浮料输送管11传输至旋涡分离器17中，悬浮状态的金属粉末通过旋涡分离器17将氩气和金属粉末分离开，金属粉末从粉末输出管171排出，氩气从出气管172排出，至此将密封箱1内没有得到利用的粉末重新收集的同时保证不被氧化，大大提高了粉末的使用率，节省成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限。

Claims (4)

1.一种带粉末收集功能的增材制造装置，包括密封箱(1)、固定底座(2)、第一进气管(3)、工作台(4)、氩气浓度检测仪(5)、湿度传感器(6)、第一桁架(8)、第二桁架(9)、管路(10)、悬浮料输送管(11)、基板(12)、梯形槽(13)、旋涡分离器(17)、粉末输出管(171)、出气管(172)、地台(18)、第二进气管(19)、激光头(20)、密封舱门(21)、送粉头(22)、压力表(23)、流量阀(24)和复合透气层，所述地台(18)为方形实体结构，从顶部中间位置加工有喇叭形的气道，地台(18)四周均匀设置有安装第二进气管(19)的通孔，所述固定底座(2)为高度小于地台(18)高度的中空方形铸壳结构，在顶部的中间位置加工有安装地台(18)的方孔，在顶部开有多个均匀分布的通孔，固定底座(2)的四周均匀设置有安装第一进气管(3)和第二进气管(19)的通孔，密封箱(1)的顶部焊接有连通内腔的浮料输送管(11)，密封箱(1)内部的一侧安装有氩气浓度检测仪(5)和湿度传感器(6)，密封箱(1)和密封舱门(21)均通过螺栓固定在固定底座(2)顶部端面的四个角上，密封箱(1)安装在密封舱门(21)的外部，固定底座(2)与密封箱(1)、密封舱门(21)之间均夹装有复合透气层，方便进行气体的流动，通过第一进气管(3)向固定底座(2)与密封箱(1)构成的封闭空间内通入高纯氩气，所述工作台(4)为一端开口的中空腔体结构，且内部设置复合透气层，工作台(4)的开口直径小于等于地台(18)上气道的开口直径，工作台(4)的开口端面安装在地台(18)顶部的中间位置，梯形槽(13)上加工有均匀分布的气孔，梯形槽(13)通过螺栓固定安装在工作台(4)的顶部，基板(12)固定在梯形槽(13)上，梯形槽(13)与工作台(4)之间夹装有复合透气层，通过第二进气管(19)向地台(18)内通入高纯氩气，地台(18)内的高纯氩气通过梯形槽(13)上的气孔扩散到密封舱门(21)内部，在密封箱(1)与密封舱门(21)之间安装有第一桁架(8)，第一桁架(8)为两个竖直杆和一个水平轨道的组合结构，第一桁架(8)的两个竖直杆固定在固定底座(2)顶部，第一桁架(8)的水平轨道固定在两个竖直杆上，且水平轨道的安装高度高于密封舱门(21)的高度，第二桁架(9)为L形结构，第二桁架(9)的竖直边通过滑轨与第一桁架(8)的水平轨道相连，可沿第一桁架(8)的水平轨道进行水平方向移动，激光头(20)的运行轨道安装在第二桁架(9)的水平边上，激光头(20)朝下的一端的四周安装有送粉头(22)，激光头(20)在运行轨道上进行上下移动，用来调整送粉头(22)竖直方向的位置，通过第二桁架(9)带动激光头(20)沿第一桁架(8)水平方向移动，调整送粉头(22)水平方向的位置，管路(10)内部包括送粉管和激光光纤，送粉管嵌套在管路(10)内，在送粉管外壁跟管路(10)内壁之间铺设有一层激光光纤，激光头(20)的顶部连接管路(10)的一端，管路(10)穿过密封箱(1)的另一端与密封箱外部的激光发生器相连，悬浮料输送管(11)安装在密封箱(1)顶部，悬浮料输送管(11)的一端伸入到密封箱内部，另一端连接旋涡分离器(17)，竖直安装的旋涡分离器(17)的下部端口连接用于输出金属粉末的粉末输出管(171)，竖直安装的旋涡分离器(17)的上部端口连接用于氩气输出的出气管(172)，出气管(172)上安装有流量阀(24)和压力表(23)。
2.根据权利要求1所述的一种带粉末收集功能的增材制造装置，其特征在于：所述悬浮料输送管(11)由四根分管道和一根总管道焊接而成，四根分管道的一端分别焊接在密封箱(1)的顶部，四根分管道的另一端分别焊接在总管道上，通过总管道与旋涡分离器(17)相连。
3.根据权利要求1所述的一种带粉末收集功能的增材制造装置，其特征在于：所述第一进气管(3)与第二进气管(19)均流通高纯氩气，且氩气的流量为25L/min—35L/min。
4.根据权利要求1所述的一种带粉末收集功能的增材制造装置，其特征在于：所述复合透气层包括支撑网(14)、透气布(15)、多孔板(16)，所述密封箱(1)一侧开设有箱门，为了保证复合透气层的气体通透性，同时为了高效率的将粉末吹成悬浮状态，所述复合透气层每经过3000小时的增材生产周期后，需要打开密封箱(1)的箱门对复合透气层表面进行检查、清理或更换透气布。
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