高效去除飞溅物的增材制造气路系统及方法

1.本发明涉及激光选区熔化增材制造技术领域，特别涉及一种高效去除飞溅物的增材制造气路系统及方法。


背景技术：

2.增材制造是在20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术，增材制造以其强大的个性化制造能力充分满足未来社会大规模个性化定制的需求，以其对设计创新的强力支撑颠覆高端装备的传统设计和制造途径，形成前所未有的全新解决方案，使大量的产品概念发生革命性变化，成为支撑我国制造业从转型到创新驱动发展模式的转换。其中金属材料增材制造在快速成形的同时具备优异的性能，在快速凝固的过程中形成的细小晶粒，同时避免了宏观偏析，从而可进一步改变制造业格局。
3.在金属材料的增材制造中，最为常用的是激光选区熔化、电子束选区熔化以及能量直接沉积三种。其中激光选区熔化技术制件精度高、性能优异，是金属增材制造领域的重要部分。不过，选区激光熔化技术所制造的零件中难免存在不同程度的缺陷，导致slm部件的机械性能降低。众多缺陷中，飞溅是一种常见的现象。在高能束扫过粉末床形成熔池时，由于熔池的不稳定，熔融金属与非熔融金属粉末等就会飞溅而出，形成飞溅物。该飞溅物会直接影响打印质量，例如导致孔隙率增加，产生夹杂等缺陷。
4.目前，最常用的的飞溅物去除方式为在slm室接入保护气体循环系统，引入一个高速风场将部分飞溅物吹走。不过，在实践中发现，当激光扫描路径与风场方向接近时，飞溅物会有较多残留，影响打印质量。可是，目前的slm设备中，激光扫描方向在每层之间都会改变一个角度，从而减小增材制造过程的热应力，因此当前设备难以避免的出现飞溅物堆积的情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种高效去除飞溅物的增材制造气路系统及方法，可用于不同激光选区熔化设备的飞溅物分离，提高除去飞溅物的效率，提高增材制造零件的质量，减少对回收粉末的污染。
6.本发明通过提高风场方向与激光扫描方向之间的夹角，提高了单位时间与飞溅物接触的气流量，从而提高风场对飞溅物的承载能力，提高去除飞溅物效率，最终提高零件质量。本发明进一步利用多个气路设计来解决该问题。
7.本发明根据激光扫描路径设置可变方向的风场，通过控制风场的方向使得其尽可能垂直于激光扫描路径方向。当激光扫描方向与风场的夹角越大（两者垂直时夹角最大，为90
°
；两者平行时夹角最小，为0
°
），飞溅物与风场的接触面积越大，单位时间与飞溅物接触的气流量越大，总的飞溅物承载能力就增加。此外，由于飞溅物的形成主要是由于熔池不稳定性，因此较大部分飞溅物都朝着熔池前方或后方飞去，因此侧方的风向更有利于去除飞溅物
本发明采用如下技术方案：一方面，本发明提供了一种高效去除飞溅物的增材制造气路系统，包括打印机腔体、气路单元和控制单元；所述打印机腔体的横截面呈多边形结构，中部设置成型仓；所述气路单元包括保护气循环系统、气路管线及两对或若干对进风口和出风口；每对进风口和出风口形成一个独立的风路，所述风路均覆盖所述成型仓并形成稳定的风场；进风口和出风口通过所述气路管线与保护气循环系统连接；不同的所述风路之间成设定角度；所述控制单元，用于选择所述风路，使得所述风路的吹风方向始终与成型仓中的激光扫描方向成最大夹角。
8.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述风场可阵列排布，在水平面按角度均匀分布。
9.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述打印机腔体的横截面呈正八边形结构，设置两对进风口和出风口，形成两个独立的风路；两个风路之间夹角为90
°
；两个进风口分别设置在正八边形结构不相邻的两条边上，两个出风口分别设置在与两个进风口相对的正八边形结构的两条边上。
10.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述打印机腔体的横截面呈正六边形结构，设置三对进风口和出风口，形成三个独立的风路；三个进风口分别设置在正六边形结构的三条边上，三个出风口分别设置在与三个进风口相对的正六边形结构的三条边上。
11.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述打印机腔体的横截面呈正六边形结构，设置三个进风口和二个出风口，三个进风口分别设置在六边形结构的相邻三边上，二个出风口分别设置在剩余三边中不相邻的两边上，形成三个风路（每个单独的出风口分别打开，与相应的单独进风口形成二个风路；两个出风口同时打开，与第三个进风口形成第三个风路）；所述风路的吹风方向与成型仓中的激光扫描方向所成夹角均不小于60
°
。
12.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述进风口和出风口均为设置在所述打印机腔体内表面的长方形通道，所述进风口和出风口可由位于出风口、进风口或其对应管道的阀门进行控制，每个阀门可单独控制一个口的入/出风，管道阀门由控制单元控制。
13.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述出风口处设置有能稳定流场的导流板。出风口处设置有导流板，所述导流板可为平行于出风方向的阵列薄板，将出风口分隔为更小的方形通道，可稳定流场。
14.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述进风口和出风口处设置有保障风场强度的伸缩器件，所述伸缩器件可为位于出风口/进风口外侧或内侧的套管，通过电机牵引进行伸缩，所述伸缩器件还可为出/进风口下方的移动滑轨，通过电机驱动进/出风口沿滑轨直线运动。
15.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述进风口与出风口均避开打印机刮刀的运动位置。
16.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制单元为计算机或控制器。
17.另一方面，本发明还提供了一种高效去除飞溅物的方法，利用上述的高效去除飞溅物的增材制造气路系统，所述方法包括：s1、打印机刮刀将增材粉末刮入成型缸设定位置，完成本层铺粉；s2、激光按照设定的扫描方向对成型缸内的增材粉末进行扫描，同时控制单元通过开闭进风口与出风口的管道阀门，选择风路，使得选择的风路的吹风方向始终与激光扫描方向成最大夹角；当激光扫描方向改变时，相应改变风路。
18.如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，风路的吹风强度根据不同增材制造粉末的种类及成型缸尺寸通过实验确定。
19.本发明的有益效果为：本发明在多个可控制的出风口与多个可控制的进风口之间形成不同的风场，通过改变风场方向，提高风场方向与激光扫描方向之间的夹角，从而提高风场对增材制造过程中飞溅物的承载能力，更高效除去飞溅物，最终提高零件质量；方法简单高效，具有极好应用前景。
附图说明
20.图1所示为本发明风场与激光扫描方向关系的工作原理示意图。
21.图2所示为实施例1中的风路之一示意图。
22.图3所示为实施例1中的风路之二示意图。
23.图4所示为实施例一种高效去除飞溅物的增材制造气路系统的剖面示意图。
24.图5所示为实施例2中风路示意图。
25.图中：1.风场；2.激光扫描路径；3.飞溅物团；4.打印机腔体；5.出风口；6.进风口；7.成形缸；8.打印零件；1-1.风场一；1-2.风场二；1-3.风场三；2-1.激光扫描路径一；2-2.激光扫描路径二；3-1.飞溅物团一；3-2.飞溅物团二；5-1.出风口一；5-2.出风口二；5-3.出风口三；5-5.出风口五；6-1.人风口一；6-2.进风口二；6-3.进风口三；6-4. 进风口四；6-5. 进风口五。
具体实施方式
26.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。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
27.本发明的技术原理：如图1所示，激光扫描路径2-1，可变方向的风场1-1、1-2，通过控制风场1的方向使得其尽可能垂直于激光扫描路径2-1方向。相对于气流速度而言，激光扫描速率非常大，因此可认为一个时刻下的风场需要吹走多个时刻下产生的飞溅物团。由于单位面积气流可承载的飞溅物量是一定的，因此当激光扫描方向与风场的夹角越大，飞溅物3与风场1的接触面积越大，单位时间与飞溅物3接触的气流量越大，被吹走的飞溅物3-1、3-2就越多。此外，由于飞溅物的形成主要是由于熔池不稳定性，因此较大部分飞溅物都
朝着熔池前方或后方飞去（平行于扫描方向），因此侧方的风向更有利于去除飞溅物。
28.本发明实施例一种高效去除飞溅物的增材制造气路系统，包括打印机腔体4、气路单元和控制单元；所述打印机腔体4的横截面呈多边形结构，中部设置成型仓7；所述气路单元包括两对或若干对进风口6和出风口5、气路管线及保护气循环系统；每对进风口6和出风口5形成一个独立的风路，所述风路均覆盖所述成型仓7并形成稳定的风场；进风口6和出风口5通过所述气路管线与保护气循环系统连接；不同的所述风路之间成设定角度；所述控制单元，用于选择所述风路，使得所述风路的吹风方向始终与成型仓7中的激光扫描方向成最大夹角。
29.实施例1打印机腔体4的横截面呈正八边形结构，设置两对进风口6和出风口5，形成两个独立的风路；两个风路之间夹角为90
°
；两个进风口6分别设置在正八边形结构不相邻的两条边上，两个出风口5分别设置在与两个进风口6相对的正八边形结构的两条边上。
30.如图2、图3所示，风场在2个可控制的出风口5-1、5-2与2个可控制的进风口6-1、6-2之间形成，并可控制形成不同方向的风场1-1、1-2，立体结构如图4所示。
31.优选的，出风口5-1、5-2与进风口6-1、6-2可为腔体内的方形通道，内部可以有间隔排列的导流板从而可以稳定流场。
32.所述进风口6和出风口5均为设置在所述打印机腔体4内表面的长方形通道，所述进风口6和出风口5处至少一处设置管道阀门，用于控制入风和出风；管道阀门由控制单元控制。
33.优选的，所述进风口6与出风口5应避开刮刀运动位置。
34.优选的，进风口6与出风口5可包括伸缩器件，从而可以保障风场的强度；所述伸缩器件可为位于出风口/进风口外侧或内侧的套管，通过电机牵引进行伸缩，所述伸缩器件还可为出/进风口下方的移动滑轨，通过电机驱动进/出风口沿滑轨直线运动。
35.实施例2打印机腔体4的横截面呈正六边形结构，设置三对进风口6和出风口5，形成三个独立的风路；三个进风口6分别设置在正六边形结构的三条边上，三个出风口5分别设置在与三个进风口6相对的正六边形结构的三条边上。
36.实施例3本实施例中，打印机腔体4的横截面呈正六边形结构，风场1可由2个可控制的出风口5-3、5-5与3个可控制的进风口6-3、6-4、6-5形成，并可控制形成不同方向的风场。例如，进风口6-3、6-4、6-5设置在六边形结构的相邻三边上，出风口5-3、5-5设置在另外三边中不相邻的两边上，如图5所示，2个出风口的出风方向呈60
°
夹角。
37.所述风场可以有5-3、5-5、6-4形成风场1-3，可以有5-3与6-3形成风场，还可以有5-5、6-5形成风场。所述风场互成60
°
。从而可以在实施例1的基础上保障风场与激光扫描方向夹角大于60
°
。
38.本发明可有效提高气流对飞溅物的承载能力，高效去除飞溅物，避免飞溅物堆积，提高打印质量，并减少对粉末床的污染，提高粉末回收效率。
39.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。