一种用于金属激光增材制造的模块化箱体的制作方法

本实用新型属于激光增材制造技术领域，特别是涉及一种用于金属激光增材制造的模块化箱体。

背景技术：

激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing，简称LAM，俗称3D打印技术)，是以合金粉末为原料，通过高功率激光对合金粉末进行原位熔化，并使熔融状态的合金粉末快速凝固并逐级沉积来制造实体零件。

激光增材制造技术的原理为：首先利用计算机三维软件设计出零件的三维模型，然后在计算机中对三维模型进行分层切片处理，使三维模型离散化为一系列的二维层面，最后利用激光进行逐层扫描并逐层添加合金粉末，最终将三维模型零件转换成实体零件。

从复杂形状的零件制造来看，激光增材制造技术与传统制造技术相比具有无法比拟的优点，其可实现近净成形，更加节约材料，无需模具和专用夹具，生产周期短且效率高，所制造的零件具有优异的力学性能，因此，在航空航天领域内，被越来越频繁的用于钛合金零件的快速制造。

对于钛合金，其具有比强度高、耐腐蚀性号、耐热性高及生物活性良好等特点，近年来已被广泛应用与航空航天领域，特别是利用激光增材制造技术来生产钛合金零件。在钛合金零件制造过程中，由于钛合金粉末在熔融状态下具有高氧化和氮化倾向，因此必须进行有效的防氧化保护，而防氧化保护又是保证钛合金零件性能的关键。

为了改善钛合金零件在制造过程中的沉积效果，以提高沉积质量，所采用的防氧化保护手段通常体现为一个密闭气氛保护箱体，在密闭气氛保护箱体内充满有惰性气体，而钛合金零件被放置于密闭气氛保护箱体内。

为了满足钛合金零件制造过程中的气氛保护环境要求，首先利用真空泵对密闭气氛保护箱体内部进行抽真空操作，然后再向密闭气氛保护箱体内充入惰性气体，且抽真空过程和充入惰性气体过程需要往复进行多次，直到密闭气氛保护箱体内的气氛保护环境达到要求，之后方可开始钛合金零件的制造过程。

但是，采用现有的密闭气氛保护箱体后，仅单次抽真空过程就需要花费大量的抽气时间，而且在之后的抽真空过程中，更需要将整箱的惰性气体完全抽排掉，在经过了多次的抽气和充气过程后，惰性气体的消耗量是非常之高的，这显著了增加钛合金零件的制造成本。再有，现有的密闭气氛保护箱体受到自身尺寸的限制，对于已经超过其适用尺寸范围的钛合金零件将无能为力，只能被迫更换具有更大尺寸的密闭气氛保护箱体，这直接导致了设备成本的增加。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种用于金属激光增材制造的模块化箱体，能够显著降低惰性气体的消耗量，同时显著缩短抽气时间，零件制造尺寸的适用范围更大，有效节省零件制造成本和设备成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种用于金属激光增材制造的模块化箱体，包括刚性箱体及柔性箱体，在所述刚性箱体的一面箱壁上开设有一处预留孔，柔性箱体的箱口通过预留孔与刚性箱体密封连通，在预留孔外侧的刚性箱体上设置有密封隔离板；在所述刚性箱体的箱壁上设置有抽气口及充气口，在刚性箱体内部安装有激光增材制造设备。

所述抽气口外接有真空泵，在抽气口与真空泵之间的气路上加装有第一阀门；所述充气口外接有惰性气体气源，在充气口与惰性气体气源之间的气路上加装有第二阀门。

所述刚性箱体外接有惰性气体自循环净化系统，惰性气体自循环净化系统包括氧分析仪、风机、除氧器、除尘器及冷却器，所述风机的进气端通过氧分析仪与刚性箱体内部密封连通，风机的出气端依次通过除氧器、除尘器及冷却器与刚性箱体内部密封连通。

本实用新型的有益效果：

本实用新型与现有技术相比，能够显著降低惰性气体的消耗量，同时显著缩短抽气时间，零件制造尺寸的适用范围更大，有效节省零件制造成本和设备成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种用于金属激光增材制造的模块化箱体(抽气完成时)结构原理图；

图2为本实用新型的一种用于金属激光增材制造的模块化箱体(气氛保护环境要求下充气完成时)结构原理图；

图3为本实用新型的一种用于金属激光增材制造的模块化箱体(气氛保护环境要求下充气完成至空间扩展状态时)结构原理图；

图中，1—刚性箱体，2—柔性箱体，3—预留孔，4—密封隔离板，5—抽气口，6—充气口，7—激光增材制造设备，8—真空泵，9—第一阀门，10—惰性气体气源，11—第二阀门，12—氧分析仪，13—风机，14—除氧器，15—除尘器，16—冷却器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1、2、3所示，一种用于金属激光增材制造的模块化箱体，包括刚性箱体1及柔性箱体2，在所述刚性箱体1的一面箱壁上开设有一处预留孔3，柔性箱体2的箱口通过预留孔3与刚性箱体1密封连通，在预留孔3外侧的刚性箱体1上设置有密封隔离板4；在所述刚性箱体1的箱壁上设置有抽气口5及充气口6，在刚性箱体1内部安装有激光增材制造设备7。

所述抽气口5外接有真空泵8，在抽气口5与真空泵8之间的气路上加装有第一阀门9；所述充气口6外接有惰性气体气源10，在充气口6与惰性气体气源10之间的气路上加装有第二阀门11。

所述刚性箱体1外接有惰性气体自循环净化系统，惰性气体自循环净化系统包括氧分析仪12、风机13、除氧器14、除尘器15及冷却器16，所述风机13的进气端通过氧分析仪12与刚性箱体1内部密封连通，风机13的出气端依次通过除氧器14、除尘器15及冷却器16与刚性箱体1内部密封连通。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：

本实施例中的激光增材制造设备7由激光器、送粉器、同轴送粉喷嘴、三维运动平台及控制系统组成，激光器安装在三维运动平台的横梁上。

在钛合金零件制造前，首先将密封隔离板4卸下，开启第一阀门9，关闭第二阀门11，启动真空泵8，对刚性箱体1内部进行抽真空操作，直到第一次抽真空操作结束，而柔性箱体2在外界大气压力下，会在刚性箱体1内部完全膨胀开来，而刚性箱体1内部的大部分空间会被膨胀的柔性箱体2占据，所剩下的空间只剩一小部分，此时将密封隔离板4重新装回，通过密封隔离板4将柔性箱体2内部与外界密封隔离开。

接下来，关闭第一阀门9，开启第二阀门11，通过惰性气体气源10向刚性箱体1内充入惰性气体，只需将刚性箱体1内部剩余空间充满即可，同时通过氧分析仪12检测一下氧含量，如果未达标，重复抽真空及充气过程，直到氧含量达标为止。

当氧含量达标后，将密封隔离板4再次卸下，然后继续向刚性箱体1内充入惰性气体，在充气过程中，刚性箱体1内部气压会与外界气压逐渐平衡，柔性箱体2会逐渐瘪缩下去，直到惰性气体将刚性箱体1全部充满后，柔性箱体2完全瘪缩，此时再将密封隔离板4重新装回。

再有，如果当钛合金零件的尺寸已经超出了刚性箱体1的适用尺寸范围后，且惰性气体将刚性箱体1全部充满后仍要继续充气，直到柔性箱体2由完全瘪缩到再次膨胀，而这次的膨胀位置处于刚性箱体1外部，通过柔性箱体2向外膨胀实现了箱体空间尺寸的扩展，进而扩展了零件制造尺寸的适用范围。

启动惰性气体自循环净化系统，使气氛保护环境始终处于要求范围内，启动激光增材制造设备7，即开始钛合金零件的制造过程。

当采用本实用新型的模块化箱体后，由于膨胀的柔性箱体2占据了刚性箱体1内部的大部分空间，所剩下的空间只剩一小部分，而在氧含量达标前，每次充入的惰性气体只需充满刚性箱体1剩余的小部分空间即可，且每次抽排掉的惰性气体仅是这小部分空间内的，与传统的密闭气氛保护箱体相比，能够节省下大量的惰性气体，有效避免了惰性气体的浪费，同时，由于每次只需抽排掉这小部分空间的惰性气体，进而显著缩短了抽气时间。

实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。