CN113751723B - 一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置及3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置及3D打印机，包括设有进风口的成型箱以及与进风口相连通的风机，还包括视觉识别系统、控制系统和进风调节器，视觉识别系统和所述控制系统电连接，风机和进风调节器均与控制系统电连接，且风机和进风调节器为并联关系，视觉识别系统用于侦测成型箱内的烟尘和飞溅物的数量及分布状况，控制系统用于基于侦测结果控制风机调节进风口风速大小，以及控制进风调节器调节进风口高度及进风风向，以排除烟尘和飞溅物。相比于现有技术，本发明可实时自动调整进风口高度、风速及风向，不需线下多次试错，省时省力；3D打印机具有前述结构的该装置，并具有相同的技术效果。

Description

一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置及3D打印机

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置及3D打印机。

背景技术

增材制造，又名3D打印，是指以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术。增材制造装备可“从无到有”地直接构建实体零件，无需遵循毛胚、粗加工、精加工的传统工序，亦不依赖专用成形模具，具有设计自由、制造灵活、低成本、周期短等优势。增材制造技术已广泛应用于航空航天、汽车、机械、能源、医疗等行业，用于快速开发、快速制造、快速修复等。

激光粉末床熔融(LPBF)是金属增材中最常见的技术之一，它使用激光能量源将金属、陶瓷或聚合物等颗粒材料熔融在一起以形成三维物体。在烧结、熔融过程中产生的副产物，例如烟尘和飞溅物对打印过程有严重的负面影响，一是遮挡激光，造成能量不足，烧结不充分，二是烟尘和飞溅物沉积在粉床上影响下一层烧结，或嵌入产品形成夹杂，影响产品性能。因此，设计合理的风场将烟尘和飞溅物有效地排除，减少对打印过程的影响对提高打印质量至关重要。由于烟尘和飞溅物的生成数量、飞溅速度及飞溅高度与打印参数(激光功率、扫描速度)，粉末层厚，材料成分相关，同一风场结构无法满足在各种材料，工艺参数条件下都能有效带走烟尘和飞溅，现有技术中是依靠经验和试错来调整进风口的风速，以适配打印工艺和材料，更有效带走烟尘和飞溅物，现有技术无法通过成型室内烟尘和飞溅物分布情况实时自动调整进口风速，当材料、层厚、打印参数变化，就需要重新线下多次试错调整，费时费力；同时，现有技术只能调整进风口风速，影响风场的其他参数(比如进风角度和进风口高度)无法调节，因此调节范围有限。

发明内容

本发明的第一目的在于：针对现有技术中当材料及打印参数变化时，为有效排除烟尘和飞溅物，需线下多次试错调整进风口风速，调节范围有限且费时费力的问题，提供一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置；本发明的第二目的是提供一种3D打印机。

为了实现第一目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置，包括设有进风口的成型箱以及与所述进风口相连通的风机，还包括视觉识别系统、控制系统和进风调节器，所述视觉识别系统和所述控制系统电连接，所述风机和所述进风调节器均与所述控制系统电连接，且所述风机和所述进风调节器为并联关系，所述视觉识别系统用于侦测所述成型箱内的烟尘和飞溅物的数量及分布状况，所述控制系统用于基于所述视觉识别系统的侦测结果控制所述风机调节所述进风口风速大小，以及控制所述进风调节器调节所述进风口高度及进风风向，以排除烟尘和飞溅物。

采用前述技术方案的本发明，通过设置视觉识别系统对成型箱内的烟尘和飞溅物的数量及分布状况实时侦测，控制系统基于侦测结果控制风机调节进风口风速大小以及控制进风调节器调节进风口高度和进风风向，以排除烟尘和飞溅物，相比于现有技术中当材料及打印参数变化时，为有效排除烟尘和飞溅物，需线下多次试错调整进风口风速，调节范围有限且费时费力的问题，本发明可实时自动调整进风口高度、风速及风向，不需线下多次试错，省时省力。

进一步的，所述进风调节器设置于所述进风口处，所述进风调节器包括多个相互平行的第一调风叶片及与多个相互平行的第二调风叶片，所述第一调风叶片与所述第二调风叶片相垂直，进风调节器通过两组调风叶片调节进风角度，更大的调节范围可更有效排除烟尘和飞溅物。

进一步的，所述进风调节器还包括框架，所述框架内设置有容纳腔，所述第一调风叶片和第二调风叶片设置于所述容纳腔内，多个所述第一调风叶片铰接在所述框架上，且多个所述第一调风叶片能够联动翻转，多个所述第二调风叶片铰接在所述框架上，且多个所述第二调风叶片能够联动翻转，上述两组调风叶片的安装方式简单，容易实现。

进一步的，所述框架的一侧为进风侧，所述进风侧设有活动板，所述活动板用于改变所述进风侧开口的高度，还可以调节进风口的高度，调节范围更大，可以达到更好的排除烟尘和飞溅物效果。

进一步的，所述进风侧的两端上设有并排的滑轨，所述活动板的两端与所述滑轨滑动连接，所述活动板沿所述滑轨滑动，活动板安装于滑轨上，通过滑动方式调节进风口高度，安装方式简单，容易实现。

进一步的，所述滑轨的末端设有限位块，用于限制活动板的滑动范围，进而限制进风侧开口高度范围。

进一步的，所述控制系统基于所述视觉识别系统的侦测结果控制所述第一调风叶片和第二调风叶片翻转以及所述活动板滑动，基于视觉识别自动调节风场以实现排烟效果最优。

进一步的，还包括过滤器，所述成型箱上设有出风口，所述出风口、所述过滤器、所述风机和所述进风口依次连通，气流通过进风口进入成型箱，然后带走烟尘通过出风口，经过过滤器后，由风机把干净气流再次送回进风口，形成气流循环系统。

进一步的，还包括气体分流器，所述气体分流器设于所述风机和所述进风口之间并与所述风机和所述进风口相连通，使得进风气流流场均衡稳定。

为实现第二目的，本发明采用如下技术方案：

一种3D打印机，包括上述用于形成激光粉末床熔融风场的装置。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：1)可在打印过程中实时进行风场调节，无需线下通过试错方式，省时省力；2)相对现有技术只能调节风速，本发明还可调整进风口角度及高度，扩大了风场进风口调整范围，有效排除烟尘及飞溅物；3)基于全方位可调节风场进口和视觉识别的闭环控制系统，可以实时寻找最优的风场速度、角度以及高度，减少人工干预，提高打印质量；3D打印机具有前述装置相同的技术效果。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为进风口调节器的结构示意图；

图3为进风口调节器另一视角的示意图。

图中标记：1-进风调节器，2-高清相机，3-成型箱，4-管道，5-过滤器，6-风机，7-气体分流器，11-框架，12-活动板，13-滑轨，14-第一调风叶片，15-第二调风叶片，16-限位块，71-分流筒，72-分流管。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本发明实施例提供了一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置，包括进风调节器1、成型箱3、管道4、过滤器5、风机6、气体分流器7、视觉识别系统和控制系统，其中视觉识别系统包括高清相机2和视觉控制模组。

成型箱3相对设置的侧板上分别设有进风口和出风口，进风调节器1设置在成型箱3内部贴近进风口处，高清相机2设置在成型箱顶板上，出风口、过滤器5、风机6、气体分流器7和进风口通过管道4依次连通，其中气体分流器7包括连通的分流筒71和分流管72。

如图2-3所示，进风调节器1包括框架11、多个相互平行的第一调风叶片14及与多个相互平行的第二调风叶片15，框架11内设置有容纳腔，第一调风叶片14和第二调风叶片15设置于容纳腔内，多个第一调风叶片14铰接在框架11上，且多个第一调风叶片14能够联动翻转，第二调风叶片15与第一调风叶片14相垂直，多个第二调风叶片15铰接在框架11上，且多个第二调风叶片15能够联动翻转；框架11的一侧为进风侧，所述进风侧设有活动板12，用于改变所述进风侧开口的高度。进风侧的两端上设有并排的滑轨13，活动板12的两端与滑轨13滑动连接，活动板12沿滑轨13滑动以改变进风侧开口的高度；滑轨13的末端还设有用于限制活动板12滑动的限位块16。

视觉识别系统和控制系统电连接，风机6和进风调节器1均与控制系统电连接，且风机6和进风调节器1为并联关系，视觉识别系统可侦测成型箱3内的烟尘和飞溅物的数量及分布状况，控制系统根据侦测结果控制风机6调节进风口风速大小，以及控制所述进风调节器1调节所述进风口高度及进风风向，以排除烟尘和飞溅物。优选的，所述控制系统基于所述视觉识别系统的侦测结果控制第一调风叶片14和第二调风叶片15翻转以及活动板12滑动，以调节进风口的高度及风向，排除烟尘和飞溅物。

在优选实施例中，高清相机2在打印过程中拍摄成型箱3内的成型室，视觉控制模组中的视觉识别算法捕捉每一帧图片中飞溅物、烟尘、粉床沉积物，判断飞溅物多少、高度及方向，烟尘多少、高度及方向，粉床沉积物多少及位置。视觉控制算法根据具体情况，将需要的姿态调整转化为电信号发送给控制系统，控制系统再将电信号传送给风机6以及第一调风叶片14、第二调风叶片15和活动板12的控制电机，进而调整进风口高度、进风角度和风速。

在优选实施例中，当视觉识别发现烧结烟尘驻留在成型室无法有效排除时，视觉识别系统发送信号给控制系统，控制系统发送信号给风机6提高风机转速来提高进气风速，发送信号给活动板12的控制电机来降低活动板12打开进风口；如发现烟尘过低沉积在粉床，视觉识别系统发送信号给控制系统，控制系统发送信号给第一调风叶片14的控制电机来调高进风口角度，使烟尘远离粉床；如发现烟尘偏离出风口方向，沉积在粉床，视觉识别系统发送信号给控制系统，控制系统发送信号给第二调风叶片15的控制电机来调整进风口角度，使烟尘正对出风口。

如上所述，视觉识别系统可实时侦测烟尘和飞溅物排除情况，直到最优排烟效果达到或者满足了预设的排烟效果。

采用前述技术方案的本发明，通过设置视觉识别系统对成型箱内的烟尘和飞溅物的数量及分布状况实时侦测，控制系统基于侦测结果控制风机调节进风口风速大小，控制进风调节器调节进风口高度及进风风向，以排除烟尘和飞溅物，相比于现有技术，本发明的有益效果是：1)可在打印过程中实时进行风场调节，无需线下通过试错方式，省时省力；2)相对现有技术只能调节风速，本发明还可调整进风口角度及高度，扩大了风场进风口调整范围，有效排除烟尘及飞溅物；3)基于全方位可调节风场进口和视觉识别的闭环控制系统，可以实时寻找最优的风场速度、角度以及高度，减少人工干预，提高打印质量。

实施例2，一种3D打印机，该3D打印机包括上述用于形成激光粉末床熔融风场的装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于形成激光粉末床熔融风场的装置，包括设有进风口的成型箱(3)以及与所述进风口相连通的风机(6)，其特征在于：还包括视觉识别系统、控制系统和进风调节器(1)，所述视觉识别系统和所述控制系统电连接，所述风机(6)和所述进风调节器(1)均与所述控制系统电连接，所述视觉识别系统用于侦测所述成型箱(3)内的烟尘和飞溅物的数量及分布状况，所述控制系统用于基于所述视觉识别系统的侦测结果控制所述风机(6)调节所述进风口风速大小，以及控制所述进风调节器(1)调节所述进风口的进风侧开口高度及进风风向，以排除烟尘和飞溅物；

所述进风调节器(1)设置于所述进风口处，所述进风调节器(1)包括多个相互平行的第一调风叶片(14)及多个相互平行的第二调风叶片(15)，所述第一调风叶片(14)与所述第二调风叶片(15)相垂直；

所述进风调节器(1)还包括框架(11)，所述框架(11)内设置有容纳腔，所述第一调风叶片(14)和第二调风叶片(15)设置于所述容纳腔内，多个所述第一调风叶片(14)铰接在所述框架(11)上，且多个所述第一调风叶片(14)能够联动翻转，多个所述第二调风叶片(15)铰接在所述框架(11)上，且多个所述第二调风叶片(15)能够联动翻转；

所述框架(11)的一侧为进风侧，所述进风侧设有活动板(12)，所述活动板(12)用于改变所述进风侧开口的高度。

2.根据权利要求1所述的用于形成激光粉末床熔融风场的装置，其特征在于：所述进风侧的两端上设有并排的滑轨(13)，所述活动板(12)的两端与所述滑轨(13)滑动连接，所述活动板(12)沿所述滑轨(13)滑动。

3.根据权利要求2所述的用于形成激光粉末床熔融风场的装置，其特征在于：所述滑轨(13)的末端设有限位块(16)。

4.根据权利要求2所述的用于形成激光粉末床熔融风场的装置，其特征在于：所述控制系统基于所述视觉识别系统的侦测结果控制所述第一调风叶片(14)和第二调风叶片(15)翻转以及所述活动板(12)滑动。

5.根据权利要求1所述的用于形成激光粉末床熔融风场的装置，其特征在于：还包括过滤器(5)，所述成型箱(3)上设有出风口，所述出风口、所述过滤器(5)、所述风机(6)和所述进风口依次连通。

6.根据权利要求1所述的用于形成激光粉末床熔融风场的装置，其特征在于：还包括气体分流器(7)，所述气体分流器(7)设于所述风机(6)和所述进风口之间并与所述风机(6)和所述进风口相连通。

7.一种3D打印机，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的用于形成激光粉末床熔融风场的装置。

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