CN111940733B - 选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属增材制造技术领域，提供了一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置和方法，所述装置包括粉末清除单元、成型缸、粉末回收槽、粉末流量监测单元、控制单元、供粉单元、铺粉单元；所述方法包括氧化物杂质清除、粉末量测量、成型缸下降、送粉、铺粉、激光扫描等重复步骤直至完成零件打印。本发明装置可完全清除每一层打印后零件表面的氧化物杂质，减少零件杂质含量，提高零件致密度、机械性能和零件质量稳定性；通过粉末回收槽内部安装的流量监测传感器测量每层刮入的多余粉末量，并将回收的粉末量数据传回控制单元，控制单元控制补偿下一层铺粉的送粉量，实现了铺粉量的智能补偿控制，极大地减少粉末浪费，降低制造成本。

Description

选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置和方法。

背景技术

选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)是一种基于粉末床高能束增材制造的技术，在1995年诞生于德国亚琛的弗劳恩霍夫研究所。该技术的原理为：首先，将CAD三维模型切片为多个层，然后传输到选区激光熔化设备中。随后，将粉末材料(粒度范围为10-45μm)按照设定好的厚度铺在基板上，再利用大功率激光束选择性扫描基板上的粉末材料使其完全熔化，之后再将基板降低与层厚相等的高度，重复铺粉和激光扫描的步骤，逐层堆积直到最终完成零件。由于使用了完全熔化的标准金属粉末，因此零件的致密度约为100％，保证了打印件与常规制造的零件(切削，铸造)的机械性能相近，甚至优于传统铸件甚至锻件。使用该技术可以制造出力学性能良好、表面粗糙度小、精度和致密度较高的产品，也可以制造包括金属、陶瓷和聚合物在内的各种材料的产品。相比其它金属增材制造技术，激光选区熔化成形技术具有更高的成形精度以及更少的后续加工量，可成形复杂度更高的零件，它以结构功能一体化设计制造、短周期、近终形、无模具等技术优势成为复杂零件快速制造的先进制造手段，是金属增材制造技术应用的主要方向之一。

然而，选区激光熔化技术由于激光扫描速度快、熔池尺寸小、熔凝过程迅速且复杂等特点，使得激光与金属粉末相互作用过程中形成飞溅的氧化物杂质并散落在打印零件暴露面上，并通过下一层的铺粉和熔化过程导致该氧化物杂质进入打印零件内部。由此对SLM成形质量造成的不良影响，氧化物杂质会随着SLM逐层累加的不断累积，严重时会导致整个加工过程的失败和成形零件的报废。

目前，世界上众多选区激光熔化成形设备供应商为解决氧化物夹杂问题不断加大研发力度，但是解决方法只局限于通过优化气体循环路径或者加大保护气氛流速，寄希望于利用保护气氛将飞溅的金属氧化物颗粒“吹离”工作区域。但是由于EOS M400、SLM M500等大幅面选区激光熔化设备的问世，通过保护气氛清除氧化物颗粒方法的作用越来越有限。

因此，本发明提供了一种飞溅氧化物杂质清除的新思路，开发了一种选区激光熔化设备的氧化物清除装置，可清除每一层打印后零件表面的氧化物杂质，从而减少零件内部的杂质含量，提高零件的致密度和机械性能，最终能提高零件的质量稳定性。

同时，由于目前每一层的送粉量由操作人员自己按照经验设置，并且一旦设置则无法更改。为了保证每层粉末的完全覆盖，每一层的放粉量通常设定高于真正需要量，所以会造成粉末的大量浪费，使得制造成本急剧升高。

本发明通过漏斗形粉末回收槽内部安装的流量监测传感器测量每层刮入的多余粉末量，并将每一次回收的粉末量数据反馈给控制单元，通过控制单元控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮，补偿下一层铺粉的送粉量，这样就实现了铺粉量的智能控制，极大地减少了粉末的浪费，最终实现了制造成本的降低。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的不足，提供了一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置和方法，可完全清除每一层打印后零件表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质，通过粉末回收槽内部安装的流量监测单元测量每层刮入的多余粉末量，并将每一次回收的粉末量数据反馈给控制单元，通过控制单元控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮，补偿下一层铺粉的送粉量，这样就实现了铺粉量的智能控制，极大地减少了粉末的浪费，最终实现了制造成本的降低。

本发明采用如下技术方案：

一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，包括粉末清除单元、成型缸、粉末回收槽、粉末流量监测单元、控制单元、供粉单元、铺粉单元；

所述粉末清除单元，用于清除每一层打印后零件表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质；

所述粉末回收槽，用于回收所述粉末清除单元刮走的粉末；

所述粉末流量监测单元，设置于所述粉末回收槽内，用于监测刮入所述粉末回收槽的粉末量，并将粉末量数据反馈给控制单元；

所述控制单元，根据所述粉末流量监测单元反馈的粉末量数据控制下一层打印的送粉量，补偿所述粉末清除单元刮走的粉末量；

所述供粉单元，用于提供打印粉末；

所述铺粉单元，用于将所述供粉单元内的粉末铺放到所述成型缸内；

所述供粉单元、成型缸、粉末回收槽沿铺粉方向依次设置；所述粉末清除单元设置在所述成型缸及粉末回收槽的上方。

进一步的，所述粉末清除单元为柔性刮粉刷，所述柔性刮粉刷能上下移动，未工作时处于收起状态，工作时处于落下状态；当处于落下状态时，所述柔性刮粉刷深入所述成型缸内打印粉层设定距离。

进一步的，所述柔性刮粉刷材质为耐热的特氟龙或橡胶。

进一步的，所述装置采用下送粉方式，所述供粉单元为供粉缸，所述铺粉单元为铺粉刮刀；

所述供粉缸、成型缸、粉末回收槽沿铺粉方向依次设置，且所述供粉缸、成型缸、粉末回收槽的上沿均平齐；

所述柔性刮粉刷设置在所述铺粉刮刀的前方(即沿铺粉方向，先是柔性刮粉刷运动，之后铺粉刮刀运动)。

进一步的，所述装置采用上送粉方式，所述供粉单元为储粉缸，所述铺粉单元为铺粉器；

所述铺粉器位于所述储粉缸下方，用于向所述成型缸中输送粉末；

所述柔性刮粉刷设置在所述铺粉器的前方。

进一步的，所述粉末流量监测单元为粉末流量监测传感器，所述粉末流量监测传感器在粉末流下时成为一个闭合回路，当没有粉末流下时为断路状态，用以监测回收的粉末量。

进一步的，所述粉末回收槽为顶面开放的漏斗状，所述粉末回收槽的下方设置粉末回收缸，可回收经过粉末流量监测传感器的粉末，回收后的粉末经过筛分后可以再利用，减少了粉末的浪费。

进一步的，当采用下送粉方式时，所述供粉缸伺服丝杠为圆柱状；当采用上送粉方式时，所述排粉轮为车轮状。

进一步的，所述铺粉器为顶面开放的长方体状，所述铺粉刮刀为长方体状，所述粉末回收缸为顶面开口的水瓶状。

进一步的，所述控制单元为控制器或计算机。

本发明还提供了一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿方法，使用如权利要求1-8任一项所述的装置进行，所述方法包括如下步骤：

S1、氧化物杂质清除：激光扫描完成后，柔性刮粉刷落下，深入成型缸内打印粉层设定距离，将每一层打印后零件表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质完全清除，并将刮走的多余粉末刮入粉末回收槽中；

S2、粉末量测量：粉末流量监测单元在粉末从粉末回收槽流下时进行监测，得到回收的粉末量，并将粉末量数据反馈给控制单元；

S3、成型缸下降：成型缸根据设定的数值下降一层的高度；

S4、送粉：控制单元根据粉末流量监测单元反馈的粉末量数据，对下一层的送粉量进行补偿计算，设定好下一次的送粉量，并控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮开始送粉；

S5、铺粉：铺粉单元将粉末刮入成型缸中，随后柔性刮粉刷和铺粉单元复位；

S6、激光扫描；激光对成型缸新铺的粉层进行熔化扫描；

S7、重复步骤S1-S6，直至零件打印完成。

进一步的，所述粉末为增材制造材料，包括陶瓷和金属。

本发明的有益效果为：与传统的利用保护气氛清除氧化物颗粒的方法相比，本发明装置可完全清除每一层打印后零件表面的氧化物杂质，从而减少零件内部的杂质含量，提高零件的致密度和机械性能，最终能提高零件的质量稳定性；本发明通过漏斗形粉末回收槽内部安装的流量监测传感器测量每层刮入的多余粉末量，并将每一次回收的粉末量数据传回控制单元，通过控制单元控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮，补偿下一层铺粉的送粉量，这样就实现了铺粉量的智能控制，极大地减少了粉末的浪费，最终实现了制造成本的降低。

附图说明

图1所示为实施例1中一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置(下送粉式)的结构示意图。

图2所示为实施例2中一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置(上送粉式)的结构示意图。

图3所示为本发明装置工作时的流程示意图。

其中：1-柔性刮粉刷；2-铺粉刮刀；3-送粉缸；4-粉末；5-成型缸；6-零件；7-粉末回收槽；8-粉末流量监测传感器；9-粉末回收缸；10-储粉缸；11-供粉缸伺服丝杠；12-铺粉器；13-控制单元；14-排粉轮；15-扫描振镜。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

实施例1

如图1所示，本实施例一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，采用下送粉式，所述装置包括：柔性刮粉刷1、铺粉刮刀2(铺粉单元)、送粉缸3(供粉单元)、粉末4、成型缸5、零件6、粉末回收槽7、粉末流量监测传感器8、粉末回收缸9、供粉缸伺服丝杠11，控制单元13；

所述柔性刮粉刷1可上下移动，可完全清除每一层打印后零件表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质，在未工作时为收起状态，在清除氧化物杂质时为落下状态；所述粉末回收槽7位于成型缸5前方(沿铺粉方向)，可回收柔性刮粉刷1刮入的粉末；所述粉末流量监测传感器8位于粉末回收槽7内部，可监测柔性刮粉刷1刮入的粉末量，并将数据反馈给控制单元13；所述控制单元13可根据粉末流量监测传感器8的数据控制供粉缸伺服丝杠11，以控制下一次的送粉量，补偿柔性刮粉刷1刮走的粉末量；所述粉末回收缸9位于粉末流量监测传感器8下方，可回收经过粉末流量监测传感器8的粉末，回收后的粉末经过筛分后可以再利用，减少了粉末的浪费；所述柔性刮粉刷1和铺粉刮刀2设置于送粉缸3顶沿、成型缸5顶沿、粉末回收槽7上沿组成的平面上方。

优选的，所述柔性刮粉刷1在下送粉设备中位于铺粉刮刀2前方(沿铺粉方向)。

优选的，所述铺粉刮刀2为长方体状。

优选的，所述粉末回收槽7为顶面开放的漏斗状。

优选的，所述粉末流量监测传感器8在粉末流下时成为一个闭合回路，当没有粉末流下时为断路状态，这样就可以监测回收的粉末量。

优选的，所述供粉缸伺服丝杠11在下送粉设备中为圆柱状。

优选的，所述粉末回收缸9为顶面开口的水瓶状

实施例2

如图2所示，本实施例一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，采用上送粉式，所述装置包括：柔性刮粉刷1、铺粉器12(铺粉单元)、储粉缸10(供粉单元)、粉末4、成型缸5、零件6、粉末回收槽7、粉末流量监测传感器8、粉末回收缸9、排粉轮14、控制单元13；

与实施例1不同仅在于：本实施例的供粉单元采用储粉缸10，铺粉单元采用铺粉器12；所述铺粉器12位于储粉缸10下方，可向成型缸5中输送粉末；所述控制单元13可根据粉末流量监测传感器8的数据控制排粉轮14，以控制下一次的送粉量，补偿柔性刮粉刷1刮走的粉末量；所述柔性刮粉刷1位于铺粉器前方，优选为长方体状；所述铺粉器12优选为顶面开放的长方体状；所述排粉轮14设置在储粉缸10内部下方，优选为车轮状。

实施例3

本实施例一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿方法，具体包括：

S1、氧化物杂质清除：激光扫描完成后，柔性刮粉刷1落下，深入成型缸5内打印粉层设定距离，将每一层打印后零件6表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质完全清除，并将刮走的多余粉末刮入粉末回收槽7中；

S2、粉末量测量：粉末流量监测传感器8在粉末从粉末回收槽7流下时形成闭合回路，得到回收的粉末量，并将粉末量数据反馈给控制单元13；

S3、成型缸下降：成型缸5根据设定的数值下降一层的高度；

S4、送粉：控制单元13根据粉末流量监测传感器8反馈的粉末量数据，对下一层的送粉量进行补偿计算，设定好下一次的送粉量，并控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮开始送粉；

S5、铺粉：铺粉刮刀2或铺粉器12将粉末刮入成型缸5中，随后柔性刮粉刷1和铺粉刮刀2或铺粉器12复位；

S6、激光扫描；激光对成型缸5新铺的粉层进行熔化扫描；

S7、重复步骤S1-S6，直至零件打印完成。

由于EOS M400、SLM M500等大幅面选区激光熔化设备的问世，传统的利用保护气氛清除氧化物颗粒方法的作用越来越有限。而本发明装置及方法可完全清除每一层打印后零件表面的氧化物杂质，从而减少零件内部的杂质含量，提高零件的致密度和机械性能，最终能提高零件的质量稳定性。并通过漏斗形粉末回收槽内部安装的流量监测传感器测量每层刮入的多余粉末量，并将每一次回收的粉末量数据反馈给控制单元，通过控制单元控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮，补偿下一层铺粉的送粉量，这样就实现了铺粉量的智能控制，极大地减少了粉末的浪费，最终实现了制造成本的降低。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上，进一步作为实施的一种具体方案。

本实施例一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿方法的具体流程图如图3所示，包括扫描振镜15。

第一步、激光束在扫描振镜15的控制下将粉末熔化，激光扫描完成，柔性刮粉刷1准备向左运动，如图3中(a)所示；

第二步、柔性刮粉刷1开始向左运动，并在到达成型缸5时落下，深入打印粉层设定距离，将零件6表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质刮走，如图3中(b)、(c)所示；

第三步、柔性刮粉刷1离开成型缸5，并将杂质和多余的粉末刮入粉末回收槽7中，粉末流经粉末流量监测传感器8进入粉末回收缸9，之后粉末流量监测传感器8将粉末量数据反馈给控制单元13，控制单元13经过计算后控制供粉缸伺服丝杠11定量送粉，如图3中(d)所示；

第四步、成型缸5按照计算机设定好的数值下降一层的高度，并且铺粉刮刀2带着定量的粉末开始向左运动，如图3中(e)所示；

第五步、铺粉刮刀2将粉末送入成型缸5中并将粉末表面刮平，之后柔性刮粉刷1和铺粉刮刀2向右复位，如图3中(f)所示；

等待该层粉末通过激光扫描后，进行下一次循环，并且重复此过程，直至打印完成。

实施例5

本实施例通过根据本专利改造选区激光熔化设备对50KG镍基高温合金Inconel718进行打印。打印成形区域为125X125mm，打印高度为80mm,打印时长为22小时，所设置柔性刮粉刷1深入粉层内部深度为0.5mm，通过对所收集的刮入回收瓶内的粉末进行筛分，所得大于200目(74μm)氧化物颗粒为160.6g,极大提高了打印零件表面光洁度与质量。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (8)

1.一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，其特征在于，所述装置包括粉末清除单元、成型缸、粉末回收槽、粉末流量监测单元、控制单元、供粉单元、铺粉单元；

所述粉末清除单元，用于清除每一层打印后零件表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质；所述粉末清除单元为柔性刮粉刷，所述柔性刮粉刷能上下移动，未工作时处于收起状态，工作时处于落下状态；当处于落下状态时，所述柔性刮粉刷深入所述成型缸内打印粉层设定距离；

所述粉末回收槽，用于回收所述粉末清除单元刮走的粉末；

所述粉末流量监测单元，设置于所述粉末回收槽内，用于监测刮入所述粉末回收槽的粉末量，并将粉末量数据反馈给控制单元；所述粉末流量监测单元为粉末流量监测传感器，所述粉末流量监测传感器在粉末流下时成为一个闭合回路，当没有粉末流下时为断路状态，用以监测回收的粉末量；

所述控制单元，根据所述粉末流量监测单元反馈的粉末量数据控制下一层打印的送粉量，补偿所述粉末清除单元刮走的粉末量；

所述供粉单元，用于提供打印粉末；

所述铺粉单元，用于将所述供粉单元内的粉末铺放到所述成型缸内；

所述供粉单元、成型缸、粉末回收槽沿铺粉方向依次设置；所述粉末清除单元设置在所述成型缸及粉末回收槽的上方。

2.如权利要求1所述的选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，其特征在于，所述装置采用下送粉方式，所述供粉单元为供粉缸和供粉缸伺服丝杠，所述铺粉单元为铺粉刮刀；

所述供粉缸、成型缸、粉末回收槽沿铺粉方向依次设置，且所述供粉缸、成型缸、粉末回收槽的上沿均平齐；所述供粉缸伺服丝杠用于将所述供粉缸内的粉末定量送出；

所述柔性刮粉刷设置在所述铺粉刮刀的前方。

3.如权利要求1所述的选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，其特征在于，所述装置采用上送粉方式，所述供粉单元为储粉缸和排粉轮，所述铺粉单元为铺粉器；

所述排粉轮用于将所述储粉缸内的粉末定量放到所述铺粉器内；

所述铺粉器位于所述储粉缸下方，用于向所述成型缸中输送粉末；

所述柔性刮粉刷设置在所述铺粉器的前方。

4.如权利要求1所述的选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，其特征在于，所述粉末回收槽为顶面开放的漏斗状，所述粉末回收槽的下方设置粉末回收缸。

5.如权利要求2所述的选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，其特征在于，所述供粉缸伺服丝杠为圆柱状。

6.如权利要求3所述的选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿装置，其特征在于，所述铺粉器为顶面开放的长方体状。

7.一种选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的装置进行，所述方法包括如下步骤：

S1、氧化物杂质清除：激光扫描完成后，柔性刮粉刷落下，深入成型缸内打印粉层设定距离，将每一层打印后零件表面与周围粉层之上散落的氧化物杂质完全清除，并将刮走的多余粉末刮入粉末回收槽中；

S2、粉末量测量：粉末流量监测单元在粉末从粉末回收槽流下时进行监测，得到回收的粉末量，并将粉末量数据反馈给控制单元；

S3、成型缸下降：成型缸根据设定的数值下降一层的高度；

S4、送粉：控制单元根据粉末流量监测单元反馈的粉末量数据，对下一层的送粉量进行补偿计算，设定好下一次的送粉量，并通过控制供粉缸伺服丝杠或排粉轮开始送粉；

S5、铺粉：铺粉单元将粉末刮入成型缸中，随后柔性刮粉刷和铺粉单元复位；

S6、激光扫描；激光对成型缸新铺的粉层进行熔化扫描；

S7、重复步骤S1-S6，直至零件打印完成。

8.如权利要求7所述的选区激光熔化过程飞溅氧化物清除及供粉补偿方法，其特征在于，所述粉末为增材制造材料，包括陶瓷和金属。

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