CN113909248B - 用于多振镜slm成形设备的移动立体除尘装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置及其应用，属于先进制造技术领域。该移动立体除尘装置在每个振镜下方设置有能够与之同步移动的除尘组件，每套除尘组件均包括吸风口、第一吹风口、第二吹风口和第三吹风口，其中：吸风口与第一吹风口以振镜为中心对称平行相向设置；第二吹风口和第三吹风口分别设置在吸风口和第一吹风口的上方，并且以振镜为中心对称倾斜向下设置。本发明能够使得每个振镜的有效扫场上方都可以形成稳定性较强的立体式除尘气流，在保证整体风力较强的同时有效解决金属烟尘易向形成室顶部弥散的问题，整体除尘效果良好，并且不受其他振镜工作状态的限制，极大地提升了激光选区熔化成形的工作效率。

Description

用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置及其应用

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置及其应用。

背景技术

激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)是现阶段发展最快、应用最广的金属3D打印技术之一，它根据金属零部件的数字化模型，采用振镜对逐层铺置的金属粉末层施加激光扫描与熔化堆积，可实现复杂金属零部件的高性能、高精度、短周期成形，已成为航空航天、轨道交通、能源化工、生物医疗等领域各类先进装备快速研发和集成化制造的重要支撑。在金属零部件的SLM成形过程中，激光束与金属粉末层的相互作用会产生大量金属烟尘，若不能及时清除，不仅会回落至金属粉末层表面，诱发“不充分熔合”、“颗粒夹杂”、“表面凸起”等成形缺陷；还会在成形室内弥漫，造成设备光学器件污染进而影响激光能量输入的稳定性，严重时甚至导致设备损坏。因此，如何实现金属烟尘的有效清除一直是SLM设备制造厂商和相关用户的关注重点。

目前，国内外商品化SLM设备的除尘模块主要由位于成形室内部的吹风口、吸风口和位于成形室外部的烟尘净化主机构成。烟尘净化主机内部含有循环风机和烟尘过滤装置，通过柔性管道与吹风口、吸风口连通。循环风机在金属零部件的SLM成形过程中开启，使得吹风口与吸风口之间形成除尘气流，将成形室内的金属烟尘带入烟尘过滤装置予以清除。当前，吹风口和吸风口多是固定布置，大体可分为两大类。第一类为“吹吸风口对开”型，即在成形室底部的金属粉末层两侧分别固定布置一个吹风口和一个吸风口。此类方案的优点是吹/吸风口的设计安装方便，但除尘气流局限于成形室底部，一旦金属烟尘从金属粉末床表面成功穿越除尘气流场，则容易弥漫至成形室上部造成设备污染。第二类为“底部双吸风+顶部吹风”型，即在成形室底部的金属粉末层两侧分别固定布置一个吸风口，在成形室上部的金属粉末层上方固定布置一个或多个朝下的吹风口。此类方案所产生的除尘气流在成形室上部是向下流动，在成形室底部则分为方向相反的两股分别进入两个相互面对的吸风口。显然，这种方案能够在一定程度上阻碍金属烟尘向成形室上部的弥漫，但“双吸风”的方式导致成形室底部两股气流分叉区域的整体风力较弱，容易使该区域的金属烟尘回落至金属粉末层表面从而诱发成形缺陷。为满足大尺寸金属零部件的高效率成形需求，SLM设备正在加速迈向大型化和多振镜化(即采用多个振镜对金属粉末层同步实施激光扫描熔化)，成形室的尺寸和金属粉末层的幅面目前均已经突破“米”级。这导致上述两类常规除尘方案中固定布置的吹风口与吸风口的间隔越来越远，使得除尘气流在成形室内的稳定性越来越难以保证，SLM成形时往往出现远离吹/吸风口的金属烟尘无法被清除，而金属粉末层表面靠近吹/吸风口的完好粉末被吹/吸走的情况，由此引发的成形质量下降乃至成形失败案例层出不穷。因此，如何实现金属烟尘的及时有效清除已经成为大型SLM设备研制与应用的一个关键问题。

针对固定式吹/吸风口应用于多振镜大型SLM设备时存在的问题，CN106799494A公开了能提高烟尘净化效果的多振镜大幅面激光选区熔化设备，CN107520445A公开了高效大型选择性激光熔化成形设备，CN105081567A公开了用于选择性激光熔化的烟尘处理装置，CN111842886A公开了一种大型激光选区熔化成形除尘扫描设备及扫描方法。该类SLM设备包含一列或多列的振镜组合，可在金属粉末层上方沿铺粉方向左右移动，实现移动分区的多激光扫描成形。每列振镜组合下方均设置有一对“吹吸风口对开”型的吹风口和吸风口，可随该列振镜组合同步移动。这类方法能够缩短每对吹风口和吸风口之间的距离，从而提升每列振镜组合下方局部除尘气流场的稳定性，这非常有利于多振镜SLM设备的金属烟尘清除。但是，在这类技术方案中，每个振镜都必须和同一振镜组合中的其他振镜同步运动。这导致即使某一个振镜已经完成了当前有效扫场内的激光扫描熔化，也必须等待同一振镜组合中的其他振镜全部完成当前有效扫场的扫描加工后，才能移动至下个工位。显然，这会极大地影响SLM成形效率。此外，此类方法中每一对吹风口和吸风口之间形成的除尘气流仍局限在成形室中下部，少量穿越除尘气流场的金属烟尘仍能在成形室上部弥散并造成设备污染。

综上，虽然已有许多金属烟尘清除方案被提出，但均难以满足SLM设备的高质量、大尺寸、高效率成形需求。因此，开发一种除尘效果良好、成形效率高的大型多振镜SLM设备具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置及其应用，旨在解决现有的多振镜SLM成形设备中金属烟尘无法有效清除、设备污染严重、成形效率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，所述多振镜SLM成形设备包括多个振镜，其特征在于，该移动立体除尘装置在每个所述振镜下方设置有能够与之同步移动的除尘组件，以使得每个振镜的有效扫场上方都能够形成稳定的立体式除尘气流；

每套所述除尘组件均包括吸风口、第一吹风口、第二吹风口和第三吹风口，其中：所述吸风口与第一吹风口以相应的所述振镜为中心对称平行相向设置，使得工作时在每个所述振镜的有效扫场上方贴近金属粉末层的区域，除尘气流近似水平地从第一吹风口流向相应的吸风口；所述第二吹风口和第三吹风口分别设置在所述吸风口和第一吹风口的上方，并且以相应的所述振镜为中心对称倾斜向下设置，使得工作时在每个振镜的有效扫场上方远离金属粉末层的区域，除尘气流由位于振镜两侧的第二吹风口和第三吹风口倾斜向下对吹，在有效扫场中心的上方汇聚成为垂直向下的气流，在保证整体风力的同时能够有效解决金属烟尘易向形成室顶部弥散的问题。

作为进一步优选的，所述吸风口与第一吹风口的水平距离为S1，对应振镜的有效扫场沿铺粉方向的长度为W，两者满足如下关系：W+10mm≤S1≤W+100mm。

作为进一步优选的，所述吸风口和第一吹风口与金属粉末层表面的距离H1满足：10mm≤H1≤100mm。

作为进一步优选的，所述第二吹风口与第三吹风口的水平距离为S2，吸风口与第一吹风口的水平距离为S1，两者满足如下关系：S1+10mm≤S2≤S1+50mm。

作为进一步优选的，所述第二吹风口、第三吹风口与铺粉方向的夹角α满足：10°≤α≤70°。

作为进一步优选的，所述第二吹风口、第三吹风口的朝向交点与吸风口、第一吹风口的朝向交点的距离H2满足：10mm≤H2≤200mm。

作为进一步优选的，所述吸风口和第一吹风口的长度为S3，对应振镜的有效扫场沿扫描覆盖区域阵列方向的长度为L，两者满足如下关系：L+10mm≤S3≤L+100mm；所述第二吹风口和第三吹风口的长度为S4，S3和S4满足如下关系：S3+10mm≤S4≤S3+50mm。

作为进一步优选的，吸风口的风量>第一吹风口的风量>第二吹风口的风量＝第三吹风口的风量，或者吸风口的风量＝第一吹风口的风量>第二吹风口的风量＝第三吹风口的风量。

按照本发明的另一方面，提供了采用上述移动立体除尘装置的多振镜SLM成形设备。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明提供的移动立体除尘装置中各个除尘组件均位于相应的振镜下方，并采用“底部吹吸风对开+顶部双侧倾斜向下吹风”的形式，能够使得每个振镜的有效扫场上方都可以形成稳定性较强的立体式除尘气流，其中在每个振镜有效扫场上方贴近金属粉末层的区域，除尘气流近似水平地由第一吹风口指向相应的吸风口，而在每个振镜有效扫场上方远离金属粉末层的区域，除尘气流由位于振镜两侧的第二吹风口和第三吹风口倾斜向下对吹，并在有效扫场中心的上方汇聚成为垂直向下的气流，在保证整体风力较强的同时能够有效解决金属烟尘易向形成室顶部弥散的问题，整体除尘效果良好；与此同时，各个除尘组件能够随振镜独立地沿铺粉方向往复运动，不仅确保了每个振镜的有效扫场上方的局部除尘气流场的稳定性，还使得每个振镜的扫描加工都不受其他振镜工作状态的限制，极大地提升了激光选区熔化成形的工作效率；

2.尤其是，本发明通过对吸风口、第一吹风口、第二吹风口、第三吹风口等部件的相对位置和关键尺寸进行优化，并且限制吸风口、第一吹风口、第二吹风口、第三吹风口的风量大小关系，从而能够在有效扫场中心的上方汇聚形成垂直向下的气流，保证除尘气流稳定并且避免烟尘向成型室上方弥散，进而使得移动立体除尘装置的除尘效果更为优良；

3.此外，本发明提供了一种多振镜SLM成形设备，该设备采用上述移动立体除尘装置，可以针对金属零部件的尺寸和成形效率灵活地调整振镜和移动立体除尘装置的数量，从而实现设备成本与成形效率、成形尺寸的兼顾。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置中除尘组件的正视图；

图2是本发明实施例提供的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置中除尘组件的侧面剖视图；

图3是本发明实施例提供的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置中除尘组件所形成的立体除尘气流场示意图；

图4是本发明实施例提供的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置在N组振镜排成一列的示意图；

图5是本发明实施例提供的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置在N组振镜未排成一列的示意图；

图6是本发明实施例提供的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置中振镜的有效扫场和扫描覆盖区域示意图，其中(a)为单个振镜，(b)为两个振镜；

图7是现有技术中除尘模块的结构示意图，其中(a)为“吹吸风口对开”型除尘模块，(b)为“底部双吸风+顶部吹风”型除尘模块。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-金属粉末层，2-振镜，3-吸风口，4-第一吹风口，5-第二吹风口，6-第三吹风口，7-有效扫场，8-扫描覆盖区域，9-重合区，10-第一交点，11-第二交点，12-局部除尘气流场。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～5所示，本发明优选实施例提供了用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，多振镜SLM成形设备包括多个振镜2，该移动立体除尘装置包括N组除尘组件，用于与多振镜SLM成形设备中N个振镜2一一对应，并在工作时分别随相应的振镜2同步移动，以在相应振镜2的有效扫场7上方形成局部除尘气流场12，每套除尘组件均包括吸风口3、第一吹风口4、第二吹风口5和第三吹风口6，其中：吸风口3与第一吹风口4均在相应振镜2下方接近金属粉末层1的位置，沿铺粉方向以振镜2为中心对称平行相向设置，除尘气流近似水平地从第一吹风口4流向相应的吸风口3；第二吹风口5和第三吹风口6分别设置在吸风口3和第一吹风口4的上方，并且以振镜2为中心对称倾斜向下设置。

本发明提供的移动立体除尘装置中，在每个振镜2的有效扫场7上方贴近金属粉末层1的区域，除尘气流近似水平地由相应的第一吹风口4指向相应的吸风口3，同时在每个振镜2的有效扫场7上方远离金属粉末层1的区域，除尘气流则由第二吹风口5和第三吹风口6倾斜向下对吹，并在有效扫场7中心的上方汇聚成为垂直向下的气流。与图7提供的除尘模式相比，本发明提供的立体式吹吸风模式既不会像现有的“底部双吸风+顶部吹风”型除尘方法存在整体风力较弱无法有效除尘的区域，也不会像现有的“吹吸风对开”型除尘方法存在金属烟尘易向成型室顶部弥散的问题，整体除尘效果良好。并且本发明提供的每个除尘组件都能够独立的随相应振镜2沿铺粉方向往复运动，不仅确保了每个振镜2的有效扫场7上方的局部除尘气流场的稳定性，还使得每个振镜2的扫描加工不受其他振镜2工作状态的限制，极大地提升了SLM成形效率。

进一步，吸风口3与第一吹风口4的水平距离为S1，对应振镜2的有效扫场7沿铺粉方向的长度为W，两者满足如下关系：W+10mm≤S1≤W+100mm。其中，若S1<W+10mm，则吸风口3和第一吹风口4可能因加工、装配过程中产生的尺寸误差而遮挡对应振镜2的有效扫场7；若S1>W+100mm，则吸风口3和第一吹风口4的距离过大，容易导致除尘气流不稳定。吸风口3和第一吹风口4与金属粉末层1表面的距离H1满足：10mm≤H1≤100mm。从而避免除尘气流距离金属粉末层1过近，容易吹走金属粉末层1表面的完好粉末；同时避免除尘气流距离金属粉末层1过远，容易导致部分金属烟尘尚未进入除尘气流所在区域就已经回落至金属粉末层1的表面。

进一步，第二吹风口5与第三吹风口6的水平距离为S2，吸风口3与第一吹风口4的水平距离为S1，两者满足如下关系：S1+10mm≤S2≤S1+50mm。若S2<S1+10mm，则可能导致少量烟尘向成形室上方弥漫；若S2>S1+50mm，则第二吹风口5和第三吹风口6的距离过大，容易导致除尘气流不稳定。第二吹风口5、第三吹风口6与铺粉方向的夹角α满足：10°≤α≤70°，从而确保由第二吹风口5和第三吹风口6倾斜向下对吹的气流在有效扫场7中心的上方汇聚成为垂直向下的气流。

进一步，将第二吹风口5与第三吹风口6的朝向交点记为第一交点10，将吸风口3与第一吹风口4的朝向交点记为第二交点11，第一交点10与第二交点11的距离H2满足：10mm≤H2≤200mm。以保证第二吹风口5和第三吹风口6倾斜向下对吹的气流能够在有效扫场7中心的上方汇聚成为垂直向下的气流，同时避免除尘组件的整体排布过于松散。

进一步，吸风口3和第一吹风口4的长度为S3，对应振镜2的有效扫场7沿扫描覆盖区域阵列方向的长度为L，两者满足如下关系：L+10mm≤S3≤L+100mm。若S3<L+10mm，则吸风口3和第一吹风口4可能因加工、装配过程中产生的尺寸误差而遮挡对应振镜2的有效扫场7；若S3>L+100mm，则吸风口3和第一吹风口4的尺寸过大，容易导致不同的除尘组件发生位置干涉。第二吹风口5和第三吹风口6的长度为S4，S3和S4满足如下关系：S3+10mm≤S4≤S3+50mm。若S4<S3+10mm，则可能导致少量烟尘向成形室上方弥漫；若S4>S3+50mm，则第二吹风口5和第三吹风口6的尺寸过大，容易导致不同的除尘组件发生位置干涉。

进一步，吸风口3、第一吹风口4、第二吹风口5和第三吹风口6外接一个烟尘净化主机，并控制吸风口3的风量>第一吹风口4的风量>第二吹风口5的风量＝第三吹风口6的风量；或者吸风口3和第一吹风口4外接一个烟尘净化主机，第二吹风口5和第三吹风口6外接保护气源，并控制吸风口3的风量＝第一吹风口4的风量>第二吹风口5的风量＝第三吹风口6的风量。

按照本发明的另一方面，如图6所示，提供了采用上述移动立体除尘装置的多振镜SLM成形设备，该设备包括N个(N≥2)振镜2和N个除尘组件，N个振镜2位于金属粉末层1上方，每个振镜2都可独立地沿铺粉方向往复运动，使其有效扫场7也沿铺粉方向往复运动，从而形成每个振镜2的扫描覆盖区域8；N个振镜2的扫描覆盖区域8垂直于铺粉方向，相邻的扫描覆盖区域8之间存在一定的重合区9，并且N个振镜2的扫描覆盖区域8的总和可以覆盖整个金属粉末层1；同时每套除尘组件都可沿竖直方向往复运动，从而避免相邻的除尘组件发生位置干涉。SLM成形过程中，当某个振镜2开始激光扫描前，提前开启与该振镜2对应的除尘组件，从而在该振镜2的有效扫场7上方形成稳定性高的局部除尘气流场12。

进一步，振镜2和除尘组件的运动结构为丝杆、导轨或滑块。振镜2为二轴振镜或动态聚焦振镜；同时振镜2外接的激光源为功率50W～1000W的中低功率光纤激光，或者功率1000W以上的高功率光纤激光。

实施例1

一种移动立体除尘装置，该装置中每套除尘组件的具体参数设置如下：S1＝W+20mm，S2＝S1+20mm，H1＝20mm，α＝45°，H2＝40mm，S3＝L+30mm，S4＝S3+20mm；同时控制吸风口3风量>第一吹风口4风量>第二吹风口5风量＝第三吹风口6风量。

实施例2

一种移动立体除尘装置，该装置中每套除尘组件的具体参数设置如下：S1＝W+80mm，S2＝S1+45mm，H1＝80mm，α＝30°，H2＝150mm，S3＝L+75mm，S4＝S3+45mm；同时控制吸风口3风量＝第一吹风口4风量>第二吹风口5风量＝第三吹风口6风量。

实施例3

一种移动立体除尘装置，该装置中每套除尘组件的具体参数设置如下：S1＝W+20mm，S2＝S1+20mm，H1＝20mm，α＝70°，H2＝10mm，S3＝L+10mm，S4＝S3+10mm；同时控制吸风口3风量>第一吹风口4风量>第二吹风口5风量＝第三吹风口6风量。

实施例4

一种移动立体除尘装置，该装置中每套除尘组件的具体参数设置如下：S1＝W+100mm，S2＝S1+50mm，H1＝100mm，α＝10°，H2＝200mm，S3＝L+100mm，S4＝S3+50mm；同时控制吸风口3风量>第一吹风口4风量>第二吹风口5风量＝第三吹风口6风量。

本领域的技术人员容易理解，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.用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，所述多振镜SLM成形设备包括多个振镜(2)，其特征在于，该移动立体除尘装置在每个所述振镜(2)下方设置有能够与之同步移动的除尘组件，以使得每个振镜(2)的有效扫场(7)上方都能够形成稳定的立体式除尘气流；

每套所述除尘组件均包括吸风口(3)、第一吹风口(4)、第二吹风口(5)和第三吹风口(6)，其中：所述吸风口与第一吹风口(4)以相应的所述振镜(2)为中心对称平行相向设置，使得工作时在每个所述振镜(2)的有效扫场(7)上方贴近金属粉末层的区域，除尘气流近似水平地从第一吹风口(4)流向相应的吸风口(3)；所述第二吹风口(5)和第三吹风口(6)分别设置在所述吸风口(3)和第一吹风口(4)的上方，并且以相应的所述振镜(2)为中心对称倾斜向下设置，所述第二吹风口(5)、第三吹风口(6)与铺粉方向的夹角α满足：10°≤α≤70°，所述第二吹风口(5)与第三吹风口(6)的水平距离为S2，吸风口(3)与第一吹风口(4)的水平距离为S1，两者满足如下关系：S1+10mm≤S2≤S1+50mm，使得工作时在每个振镜(2)的有效扫场(7)上方远离金属粉末层的区域，除尘气流由位于振镜两侧的第二吹风口(5)和第三吹风口(6)倾斜向下对吹，在有效扫场中心的上方汇聚成为垂直向下的气流，在保证整体风力的同时能够有效解决金属烟尘易向形成室顶部弥散的问题。

2.如权利要求1所述的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，其特征在于，所述吸风口(3)与第一吹风口(4)的水平距离为S1，对应振镜的有效扫场(7)沿铺粉方向的长度为W，两者满足如下关系：W+10mm≤S1≤W+100mm。

3.如权利要求1所述的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，其特征在于，所述吸风口(3)和第一吹风口(4)与金属粉末层表面的距离H1满足：10mm≤H1≤100mm。

4.如权利要求1所述的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，其特征在于，所述第二吹风口(5)、第三吹风口(6)的朝向交点与吸风口(3)、第一吹风口(4)的朝向交点的距离H2满足：10mm≤H2≤200mm。

5.如权利要求1所述的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，其特征在于，所述吸风口(3)和第一吹风口(4)的长度为S3，对应振镜(2)的有效扫场(7)沿扫描覆盖区域阵列方向的长度为L，两者满足如下关系：L+10mm≤S3≤L+100mm；所述第二吹风口(5)和第三吹风口(6)的长度为S4，S3和S4满足如下关系：S3+10mm≤S4≤S3+50mm。

6.如权利要求1～5任一项所述的用于多振镜SLM成形设备的移动立体除尘装置，其特征在于，吸风口(3)的风量>第一吹风口(4)的风量>第二吹风口(5)的风量＝第三吹风口(6)的风量，或者吸风口(3)的风量＝第一吹风口(4)的风量>第二吹风口(5)的风量＝第三吹风口(6)的风量。

7.采用如权利要求1～6任一项所述的移动立体除尘装置的多振镜SLM成形设备。

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