CN113385691A - 一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置和方法，所述装置包括励磁电源，所述励磁电源的一侧设置有计算机；氩气罐，所述氩气罐设置在所述励磁电源的上侧，所述氩气罐的一侧设置有工作仓；附着颗粒清除组件，所述附着颗粒清除组件设置在所述计算机的内部，用于对粉末颗粒进行清除；粉末收集组件，所述粉末收集组件设置在所述工作仓的一侧，用于对粉末进行收集，通过设置的励磁电源可以调节直流励磁的大小，使工作仓的内部形成稳恒直流磁场，从而使溅射的粉末定向流动，通过设置的N极Ⅰ表面的气孔向喇叭S极Ⅱ输出定向稳定的氩气流，在构成的空间内形成无氧氩气保护。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置和方法。
背景技术
激光同轴送粉增材制造技术是一种以激光为热源的增材制造技术，其具有柔性高、无模具、不受零件结构形状和尺寸限制等优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造，但是在激光增材制造过程中仍有大量粉末未成形到工件上，因而存在着粉末利用率不高，粉末浪费量大，制造成本高等不足。
例如专利号：202010189903.4、专利号：202010211254.3和专利号：201822172402.6，公开的方案中提供了粉末回收装置，这些装置普遍是在激光增材制造加工结束后对残留的粉末进行回收处理，或者是在加工过程中对散落的粉末进行吹气清理，而由于散落的粉末颗粒会掺杂激光增材过程中形成的熔渣，并且散落的粉末暴露在空气中极易氧化，导致已凝固的单层实体表面会吸附有未熔化或者半熔化的粉末颗粒，如果不及时的进行清理收集，在后续激光增材过程中很可能将这些残留粉末成型到工件上，从而影响增材构件的精度和质量。
专利公开文件（公开号CN107570705，专利名称：金属增材制造磁控溅射方法及装置）提供了一种金属增材制造磁控溅射方法及装置，该方法包括探测3D打印机的激光束位置，形成一磁场，并控制磁场的位置、形状及方向，使磁场作用于激光束周围的区域，使得3D打印机中的金属漂浮物可定向收集在金属收集盒中。该装置包括3D打印机、磁场发生器、驱动机构、中控系统以及用于探测所述3D打印机的激光束位置的传感器，驱动机构调节磁场发生器的空间位置，使磁场发生器的磁场可作用于激光束周围的区域。可在金属增材制造过程中使得金属漂浮物可定向地向金属收集盒方向运动，便于金属漂浮物的收集，避免造成加工缺陷。但这种金属漂浮物收集方式存在一定的不足：由于在金属增材制造过程中实际加工过程中的粉末是四周溅射的，在单磁场作用范围内，会有大量的金属漂浮物再次被输送到激光束当中，从而影响到激光束的输送质量。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置和方法，通过设置附着颗粒清除装置一方面便于清除加工过程中溅射在激光头表面的附着金属粉末，一方面能够在磁场收集过程中对激光束进行有效保护，保证了往四周溅射的粉末全部被磁场引入粉末收集腔中，全方面收集粉末的同时不对激光束产生任何屏蔽干扰且不影响激光束的质量。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，包括：励磁电源，所述励磁电源的一侧设置有计算机；氩气罐，所述氩气罐设置在所述励磁电源的上侧，所述氩气罐的一侧设置有工作仓；附着颗粒清除组件，所述附着颗粒清除组件设置在所述激光头的周围，用于对粉末颗粒进行清除；粉末收集组件，所述粉末收集组件设置在所述工作仓的一侧，用于对粉末进行收集；所述工作仓的内部设置有稳恒磁场发生组件，用于发生稳恒直流磁场，所述工作仓的一侧还设置氩气保护组件，用于让氩气更加稳定。
通过采用上述技术方案，通过设置的附着颗粒清除组件可以对粉末颗粒进行清除，通过设置的粉末收集组件可以对清除后的粉末颗粒进行收集；通过设置的稳恒磁场发生组件可以使工作仓的内部形成稳恒直流磁场，可使溅射的粉末定向流动，通过设置的氩气保护组件可以输出稳定氩气流，使整个增材制造区域处于横向氩气保护下。
所述附着颗粒清除组件包括：两个氩气喷嘴Ⅰ，两个所述氩气喷嘴Ⅰ设置在所述工作仓的内部，所述氩气喷嘴Ⅰ的内部固定安装有导轨，所述导轨的一侧活动连接有电动旋转钢丝刷；氩气喷嘴Ⅱ，所述氩气喷嘴Ⅱ设置在所述氩气喷嘴Ⅰ的内部；盖板Ⅰ，所述盖板Ⅰ固定安装在位于右侧所述氩气喷嘴Ⅰ的顶面；盖板Ⅱ，所述盖板Ⅱ固定安装在位于左侧所述氩气喷嘴Ⅰ的顶面；
通过采用上述技术方案，通过设置的氩气喷嘴Ⅰ和氩气喷嘴Ⅱ所构成的喷嘴间距可分别通过盖板Ⅰ和盖板Ⅱ螺栓固定位置进行调整以适应不同单层实体的宽度要求。
较佳的，所述稳恒磁场发生组件包括：N极Ⅰ，所述N极Ⅰ设置在所述工作仓的内部，所述N极Ⅰ的一侧开设有若干个气孔；氩气输入口Ⅰ，所述氩气输入口Ⅰ开设在所述工作仓的一侧；S极Ⅰ，所述S极Ⅰ固定安装在所述激光头的外圆壁面；N极Ⅱ，所述N极Ⅱ固定安装在所述激光头的外圆壁面。
通过采用上述技术方案，通过设置的N极Ⅰ和 S极Ⅱ构成主磁场，N极Ⅰ与S极Ⅰ构成第一辅助磁场，N极Ⅱ和 S极Ⅱ构成第二辅助磁场，S极Ⅰ和N极Ⅱ构成锥形与激光头外轮廓形成过盈配合或螺栓进行装配固定，两个辅助磁场将磁场之间的粉末颗粒引入至主磁场中，磁场强度大小由励磁电源控制，在送粉式激光沉积增材制造过程不同于激光烧结加工，送粉式激光沉积增材制造过程产生的是具有一定的动能的溅射粉末颗粒，而激光烧结产生的是金属漂浮物，粉末颗粒的大小和粉末颗粒本身的动能都存在差别；鉴于送粉式激光沉积增材制造过程中收集难度较大，通过设置主磁场和辅助磁场能够提高颗粒的收集效率。
较佳的，所述粉末收集组件包括：粉末收集仓，所述粉末收集仓固定连接在所述工作仓的一侧，所述粉末收集仓的内部固定安装有第一振动筛；第二振动筛，所述第二振动筛固定安装在所述粉末收集仓的内部；收集盒，所述收集盒固定安装在所述粉末收集仓的内部。
通过采用上述技术方案，通过设置的计算机开启第一振动筛和第二振动筛，通过设置的第一振动筛对体积较大的粉末颗粒进行过滤，通过设置的第二振动筛对体积较小的粉末颗粒进行过滤，过滤后的粉末颗粒进入到收集盒中进行收集。
第二方面，本发明还提供一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，包括步骤：
步骤S1：根据优化的激光增材制造工艺参数适时调整直流励磁电源大小，使激光增材制造区域形成可使溅射的粉末定向流动的稳恒直流磁场；
步骤S2:通过计算机控制氩气保护组件，使右端的N极Ⅰ表面气孔输出稳定的氩气流，使整个增材制造区域处于横向氩气保护氛围下；
步骤S3:打开熔覆层附着颗粒清除组件的氩气喷嘴对激光作用区域喷射氩气，启动激光增材制造系统进行单层实体制备，当激光头制备单层实体移动20mm后开启熔覆层附着颗粒清除组件中的电动旋转钢丝刷，对附着在单层实体上的颗粒进行清除，并在氩气流的作用下将清除的粉末颗粒吹入稳恒直流磁场中；
步骤S4:通过计算机开启第一振动筛和第二振动筛对粉末颗粒进行在氩气氛围下的收集；
步骤S5：重复步骤S1-S4直至完成整个零件的多层多道增材制造，同时对所有粉末颗粒进行在线清除和收集。
进一步的，所述横向稳恒直流磁场强度为1T～50T。
进一步的，所述N极Ⅰ表面均布的小孔直径为5～10mm，气孔输出的稳定氩气流量为5～10L/min。
进一步的，所述附着颗粒清除装置中的钢丝毛刷可根据单层单道实体的宽度和高度自适应调整与单层实体距离。
进一步的，所述单层实体附着颗粒清除组件喷射的氩气流量为10～15L/min。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
本发明提供的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，通过设置的附着颗粒清除组件可以对粉末颗粒进行清除，通过设置的粉末收集组件可以对清除后的粉末颗粒进行收集；通过设置的稳恒磁场发生组件可以使工作仓的内部形成稳恒直流磁场，可使溅射的粉末定向流动，通过设置的氩气保护组件可以输出稳定氩气流，使整个增材制造区域处于横向氩气保护下。
本发明提供的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，通过设置的励磁电源可以调节直流励磁的大小，使工作仓的内部形成稳恒直流磁场，从而使溅射的粉末定向流动，通过设置的N极Ⅰ表面的气孔向喇叭 S极Ⅱ输出定向稳定的氩气流，在构成的空间内形成无氧氩气保护，避免粉末在清理和收集过程中出现氧化反应；
通过设置的氩气喷嘴Ⅰ和氩气喷嘴Ⅱ对激光作用区域喷射氩气，启动激光增材制造系统进行单层实体制备，当激光头制备的单层实体移动后开启设置的电动旋转钢丝刷对附着在单层实体上的颗粒进行清除，并在氩气流作用下将清除的粉末颗粒吹入定向稳恒磁场中，通过设置的氩气喷嘴Ⅱ和氩气喷嘴Ⅰ内部的氩气流对粉末颗粒进行吹气，将工作仓底部清理的粉末颗粒吹入定向稳恒磁场中，从而达到对单层实体表面的粉末颗粒进行清除。
通过设置的导轨，电动旋转钢丝刷可沿着导轨独立自适应调整与单层实体距离，氩气喷嘴Ⅰ和氩气喷嘴Ⅱ所构成的喷嘴间距可分别通过与盖板Ⅰ和盖板Ⅱ进行位置的调整以适应不同单层实体的宽度要求，从而让粉末清理的效果更好，通过设置的计算机开启第一振动筛和第二振动筛，通过设置的第一振动筛对体积较大的粉末颗粒进行过滤，通过设置的第二振动筛对体积较小的粉末颗粒进行过滤，过滤后的粉末颗粒进入到收集盒中进行收集。
本发明提供的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，能够有效清除单层实体表面附着未熔化颗粒、实时在线收集残留粉末、全程保证粉末清理与收集过程中无氧化反应，可有效提高增材构件质量的同时降低加工成本、增加粉末重复利用率。
附图说明
图1是本发明所述装置的立体结构示意图；
图2是本发明所述装置的激光头示意图；
图3是本发明所述装置的S极Ⅰ结构示意图；
图4是本发明所述装置的导轨结构示意图；
图5是本发明所述装置的电动旋转钢丝刷结构示意图；
图6是本发明所述装置的粉末收集组件结构示意图。
附图标记：1、励磁电源；2、计算机；3、氩气罐；4、氩气输入口Ⅰ；5、N极Ⅰ；6、气孔；7、氩气输入口Ⅱ；8、S极Ⅱ；9、粉末收集仓；10、S极Ⅰ ；11、N极Ⅱ；12、激光头；13、氩气喷嘴Ⅰ；14、导轨；15、盖板Ⅰ；16、盖板Ⅱ；17、电动旋转钢丝刷；18、氩气喷嘴Ⅱ；19、第一振动筛；20、第二振动筛；21、收集盒；22、工作仓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，包括：励磁电源1，所述励磁电源1为已有结构在此不做赘述，计算机2设置在励磁电源1的一侧，计算机2为已有结构在此不做赘述，励磁电源1的上侧设置有氩气罐3，氩气罐3为已有结构在此不做赘述，工作仓22设置在氩气罐3的一侧，工作仓22为中空结构，工作仓22的一端为敞口，激光头12位于工作仓22中，所述激光头12的周围设置附着颗粒清除组件，用于对粉末颗粒进行清除，工作仓22的一侧设置有粉末收集组件，用于对粉末进行收集，通过设置的附着颗粒清除组件可以对粉末颗粒进行清除，通过设置的粉末收集组件可以对清除后的粉末颗粒进行收集。
参考图4和图5，附着颗粒清除组件包括两个氩气喷嘴Ⅰ13，氩气喷嘴Ⅰ13为已有结构在此不做赘述，工作仓22的内部设置有两个氩气喷嘴Ⅰ13，导轨14固定安装在氩气喷嘴Ⅰ13的内部，导轨14为已有结构在此不做赘述，电动旋转钢丝刷17活动连接在导轨14的一侧，电动旋转钢丝刷17为已有结构在此不做赘述，氩气喷嘴Ⅰ13的内部设置有氩气喷嘴Ⅱ18，氩气喷嘴Ⅱ18为已有结构在此不做赘述，位于右侧氩气喷嘴Ⅰ13的顶面固定安装有盖板Ⅰ15，位于左侧氩气喷嘴Ⅰ13的顶面固定安装有盖板Ⅱ16，盖板Ⅰ15和盖板Ⅱ16之间固定安装有激光头12，激光头12为已有结构在此不做赘述，通过设置的氩气喷嘴Ⅰ13和氩气喷嘴Ⅱ18所构成的喷嘴间距可分别通过盖板Ⅰ15和盖板Ⅱ16螺栓固定位置进行调整以适应不同单层实体的宽度要求。
参考图6，粉末收集组件包括粉末收集仓9，工作仓22的一侧固定安装有粉末收集仓9，粉末收集仓9为中空圆柱形结构并且一端为敞口，第一振动筛19固定安装在粉末收集仓9的内部，第一振动筛19为已有结构在此不做赘述，粉末收集仓9的内部固定安装有第二振动筛20，第二振动筛20为已有结构在此不做赘述，粉末收集仓9的内部固定安装有收集盒21，收集盒21为中空圆柱形结构并且一端为敞口，通过设置的计算机2开启第一振动筛19和第二振动筛20，通过设置的第一振动筛19对体积较大的粉末颗粒进行过滤，通过设置的第二振动筛20对体积较小的粉末颗粒进行过滤，过滤后的粉末颗粒进入到收集盒21中进行收集。
参考图1和图2和图3，稳恒磁场发生组件设置在工作仓22的内部，用于发生稳恒直流磁场，氩气保护组件设置在工作仓22的一侧，用于让氩气更加稳定，通过设置的稳恒磁场发生组件可以使工作仓22的内部形成稳恒直流磁场，可使溅射的粉末定向流动，通过设置的氩气保护组件可以输出稳定氩气流，使整个增材制造区域处于横向氩气保护下，工作仓22的内部设置有N极Ⅰ5，N极Ⅰ5为已有结构在此不做赘述，若干个气孔6开设在N极Ⅰ5的一侧，工作仓22的一侧开设有氩气输入口Ⅰ4，激光头12的外圆壁面固定安装有S极Ⅰ10，S极Ⅰ10为已有结构在此不做赘述，激光头12的外圆壁面固定安装有N极Ⅱ11，N极Ⅱ11为已有结构在此不做赘述，通过设置的N极Ⅰ5和 S极Ⅱ8构成主磁场，N极Ⅰ5与S极Ⅰ10构成第一辅助磁场，N极Ⅱ11和 S极Ⅱ8构成第二辅助磁场，S极Ⅰ10和N极Ⅱ11构成锥形与激光头12外轮廓形成过盈配合，两个辅助磁场将磁场之间的粉末颗粒引入至主磁场中。
请参考图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，通过设置的励磁电源1可以调节直流励磁的大小，使工作仓22的内部形成稳恒直流磁场，从而使溅射的粉末定向流动，通过设置的N极Ⅰ5表面的气孔6向喇叭 S极Ⅱ8输出定向稳定的氩气流，在构成的空间内形成无氧氩气保护，避免粉末在清理和收集过程中出现氧化反应。
通过设置的氩气喷嘴Ⅰ13和氩气喷嘴Ⅱ18对激光作用区域喷射氩气，启动激光增材制造系统进行单层实体制备，当激光头12制备的单层实体移动后开启设置的电动旋转钢丝刷17对附着在单层实体上的颗粒进行清除，并在氩气流作用下将清除的粉末颗粒吹入定向稳恒磁场中，通过设置的氩气喷嘴Ⅱ18和氩气喷嘴Ⅰ13内部的氩气流对粉末颗粒进行吹气，将工作仓22底部的清理的粉末颗粒吹入定向稳恒磁场中，从而达到对单层实体表面的粉末颗粒进行清除。
通过设置的导轨14，电动旋转钢丝刷17可沿着导轨14独立自适应调整与单层实体距离，氩气喷嘴Ⅰ13和氩气喷嘴Ⅱ18所构成的喷嘴间距可分别通过与盖板Ⅰ15和盖板Ⅱ16进行位置的调整以适应不同单层实体的宽度要求，从而让粉末清理的效果更好，通过设置的计算机2开启第一振动筛19和第二振动筛20，通过设置的第一振动筛19对体积较大的粉末颗粒进行过滤，通过设置的第二振动筛20对体积较小的粉末颗粒进行过滤，过滤后的粉末颗粒进入到收集盒21中进行收集。
参考图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，包括如下步骤：
步骤S1：激光增材制造Ti6Al4V钛合金，加工参数为激光功率1200w，扫描速率450mm/min，送粉速率10g/min，光斑直径为3mm，搭接率为50%，抬升量为0.3mm，调节直流励磁电源大小，使激光增材制造区域形成磁场强度为20T的稳恒直流磁场，可使溅射的Ti6Al4V粉末定向流动；
步骤S2：通过计算机控制氩气调控装置，使右端均布直径为5mm的N极Ⅰ表面气孔输出流量为5L/min中的稳定氩气流，使整个增材制造区域处于横向氩气保护氛围下；
步骤S3：打开熔覆层附着颗粒清除组件的氩气喷嘴对激光作用区域喷射氩气，启动激光增材制造系统进行单层实体制备，当激光头制备单层实体移动20mm后开启熔覆层附着颗粒清除组件中的电动旋转钢丝刷，对附着在单层实体上的颗粒进行清除，并在氩气流量为10L/min的氩气流作用下将清除的粉末颗粒吹入定向稳恒磁场中；
步骤S4：通过计算机开启第一振动筛和第二振动筛对粉末颗粒进行收集；
步骤S5：重复步骤S1-S4直至完成整个零件的多层多道增材制造，同时对所有粉末颗粒进行在线清除和收集。
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定。
Claims (10)
1.一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，其特征在于，包括：励磁电源，所述励磁电源的一侧设置有计算机；氩气罐，所述氩气罐设置在所述励磁电源的上侧，所述氩气罐的一侧设置有工作仓；附着颗粒清除组件，所述附着颗粒清除组件设置在所述激光头的周围，用于对粉末颗粒进行清除；粉末收集组件，所述粉末收集组件设置在所述工作仓的一侧，用于对粉末进行收集；所述工作仓的内部还设置有稳恒磁场发生组件，用于发生稳恒直流磁场，所述工作仓的一侧设置氩气保护组件，用于让氩气更加稳定。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，其特征在于，所述附着颗粒清除组件包括：两个氩气喷嘴Ⅰ，两个所述氩气喷嘴Ⅰ设置在所述工作仓的内部，所述氩气喷嘴Ⅰ的内部固定安装有导轨，所述导轨的一侧活动连接有电动旋转钢丝刷；氩气喷嘴Ⅱ，所述氩气喷嘴Ⅱ设置在所述氩气喷嘴Ⅰ的内部；盖板Ⅰ，所述盖板Ⅰ固定安装在位于右侧所述氩气喷嘴Ⅰ的顶面；盖板Ⅱ，所述盖板Ⅱ固定安装在位于左侧所述氩气喷嘴Ⅰ的顶面。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，其特征在于，所述粉末收集组件包括：粉末收集仓，所述粉末收集仓固定连接在所述工作仓的一侧，所述粉末收集仓的内部固定安装有第一振动筛；第二振动筛，所述第二振动筛固定安装在所述粉末收集仓的内部；收集盒，所述收集盒固定安装在所述粉末收集仓的内部。
4.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，其特征在于，所述稳恒磁场发生组件包括：N极Ⅰ，所述N极Ⅰ设置在所述工作仓的内部；S极Ⅰ，所述S极Ⅰ固定安装在所述激光头的外圆壁面；
两个 S极Ⅱ，两个所述 S极Ⅱ固定安装在所述工作仓的内部；N极Ⅱ，所述N极Ⅱ固定安装在所述激光头的外圆壁面。
5.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，其特征在于，所述氩气保护组件包括：两个氩气输入口Ⅱ，两个所述氩气输入口Ⅱ开设在所述工作仓的一侧；所述N极Ⅰ的一侧开设有若干个气孔，作为氩气输入口；氩气输入口Ⅰ，所述氩气输入口Ⅰ开设在所述工作仓的一侧。
6.根据权利要求5所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的装置，其特征在于，所述N极Ⅰ表面均布的小孔直径为5～10mm。
7.一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据优化的激光增材制造工艺参数适时调整直流励磁电源大小，使激光增材制造区域形成可使溅射的粉末定向流动的稳恒直流磁场；
步骤S2：通过计算机控制氩气保护组件，输出稳定的氩气流，使整个增材制造区域处于横向氩气保护氛围下；
步骤S3：当激光头制备单层实体移动20mm后对附着在单层实体上的颗粒进行清除，并在氩气流的作用下将清除的粉末颗粒吹入稳恒直流磁场中；
步骤S4：在粉末定向流动方向末端设置收集装置，对粉末颗粒进行在氩气氛围下的收集；
步骤S5：重复步骤S1-S4直至完成整个零件的多层多道增材制造，同时对所有粉末颗粒进行在线清除和收集。
8.根据权利要求7所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，其特征在于，所述稳恒直流磁场强度为1T～50T。
9.根据权利要求7所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，其特征在于，所述步骤S2中的稳定氩气流的流量为5～10L/min。
10.根据权利要求7所述的一种激光增材制造过程中随动清粉与粉末收集的方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述氩气流的流量为10～15L/min。
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