一种低正压密封成型室内杂质气体循环净化方法及装置与流程

本发明涉及激光选区熔化(selectivelasermelting,slm)增材制造领域，尤其涉及一种低正压密封成型室内杂质气体循环净化方法及装置。

背景技术：

随着激光选区熔化(selectivelasermelting,slm)技术的发展,slm已经能够直接制造冶金结合、组织致密、尺寸精度高和力学性能良好的金属零件，可以成型小批量、个性化、具有复杂表面及内部结构的金属零件，具有广阔的应用前景,成为当今增材制造领域的研究热点。

slm加工过程中密封成型室内气体环境的控制非常重要，其中关键指标为氧含量、气压、金属粉尘颗粒浓度。其中，氧含量直接关系到成型金属零件的成型质量，对金属零件的综合性能有着很大的影响。激光选区熔化的成型室内需要维持很低的氧含量,以防止成型中金属零件被氧化,影响零件性能。在成型过程中，密封成型室内应该维持10kpa的低正压环境，以保证外界氧气不能渗入密封成型室内。气体环境中金属粉尘颗粒的污染、泄露，也是一个关键的待解决问题，这些粉尘颗粒影响激光辐照、光学镜片的透光率，甚至熔池的熔化凝固稳定性。通常，slm所用金属材料如316l不锈钢、cocrmo合金和钛合金等粒径只有几十微米，slm成型过程产生的金属飞溅尺寸更小，这些粉末以及飞溅极易散落在金属的成型表面和长期弥散在空气中，既影响到成型金属零件的性能，也严重威胁操作人员的人身安全。此外，现有的应用于slm系统的气体过滤装置，还存在一些缺陷：采用单纯hepa滤网(高效空气过滤网)过滤方式获得气体的洁净度不够高；hepa滤网收集的金属粉尘的清理与收集过程不够方便，还有很大改进空间；由于进气方式等因素，导致滤网的局部堵塞、磨损现象比较严重，其工作寿命比较短；现有气体循环净化装置的密封性能不够好，其内部工作空间中的金属粉尘会受外界气流扰动而扩散到slm设备的成型腔或者外界空气，影响slm加工过程和人体健康等等。

因此，需要一种新型的低正压针对密封成型室内杂质气体循环净化方法及装置，提高杂质气体净化效果，并针对净化装置在运行过程中的一些关键指标进行实时监控反馈。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种低正压密封成型室内杂质气体循环净化方法及装置。综合控制slm密封成型室内的气体循环净化过程，从而使密封成型室环境的氧气浓度、气压以及金属粉尘颗粒浓度达到指定的要求，提高slm成型金属零件的成型质量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种低正压密封成型室内杂质气体循环净化装置，包括成型室1及其气体循环净化系统，气体循环净化系统由计算机7控制；所述成型室1内腔的两端分别开设有气体循环出口a和气体循环入口b；

所述气体循环净化系统包括第一单向气体阀16、三通管14、气体均布装置15、滤箱17、活性炭滤箱20、循环气泵9、第二单向气体阀8、第一压差传感器10、第二压差传感器11；

所述气体循环出口a依次管路连接第一单向气体阀16、三通管14、气体均布装置15、滤箱17、活性炭滤箱20、循环气泵9、第二单向气体阀8、气体循环入口b；

所述第一压差传感器10的两个导压口分别连接两个测点，第一测点连接在滤箱17的出口管路上，第二测点在连接循环气泵9的入口管路上；

所述第二压差传感器11的两个导压口分别连接两个测点，第一测点连接在气体均布装置15的入口管路上，第二测点连接在滤箱17的出口管路上；

所述第一压差传感器10的信号控制端、第二压差传感器11的信号控制端、循环气泵9分别连接计算机7。

所述气体均布装置15包括壳体15-3、进气口15-1、在壳体15-3内置有多片进气隔板15-2，进气隔板15-2将壳体15-3的内部等分为多个扇形出气通道15-4；所述进气口15-1连接三通管14，扇形出气通道15-4通过管路连接活性炭滤箱20的入口；

当含金属粉尘颗粒的气流通过进气口15-1均匀分流至各个扇形出气道后，在各个扇形出气道的分流作用下进入滤箱17，并均匀的通过hepa滤芯18。

所述滤箱17内部安装有hepa滤芯18，hepa滤芯18的表面安装有静电释放网19；hepa滤芯18的作用是为通过第一单向气体阀16的含有金属粉尘颗粒的气体进行一次过滤；静电释放网19由若干金属同心圆环以及与各金属同心圆环相连接的轴向导电线点焊制成，静电释放网19作用是快速释放hepa滤芯18表面各个部位的静电。

所述三通管14的一端口还连接有一带阀门13的收集瓶12，用于收集hepa滤芯18表面聚集并跌落的杂质颗粒；该阀门13日常处于关闭状态，当需要清理hepa滤芯18时，打开阀门13，使杂质颗粒进入收集瓶12以便集中处理。

所述成型室1的顶部安装有氧含量传感器2和气压传感器3；它们分别用于将成型室1内的氧气含量及压力数据反馈给计算机7。

所述气体循环净化系统还包括一真空泵4，用于将成型室1内混有氧气的气体抽出，以防止成型室1内的氧气在加工过程中与零件产生氧化作用。

所述成型室1还连接有一个设置在外部的保护气体供给装置，以防止加工过程中零件的氧化；保护气体供给装置包括保护气瓶6、电磁阀5；保护气瓶6通过电磁阀5管路连接成型室1。

所述第二单向气体阀8和第一单向气体阀16的结构相同，均包括壳体8-1、带有孔洞的弹簧固定架8-2、弹簧8-3和进气活塞8-4；

所述弹簧固定架8-2将壳体8-1内部一分为二，弹簧8-3一端与弹簧固定架8-2相抵，另一端与设置在壳体8-1气体入口的进气活塞8-4相抵；当来自成型室1的含金属粉尘颗粒的气流推动进气活塞8-4克服弹簧8-3的推力，气流流出壳体8-1气体出口；当来自壳体8-1气体入口的气流消失，进气活塞8-4在弹簧8-3的弹力作用下复位并密封气体入口，实现单向进气。

一种低正压密封成型室内杂质气体循环净化装置的运行方法，包括如下步骤：

步骤一：开启真空泵同时通保护气

当计算机7接收到气体循环净化过程的开始命令之后，发送信号开启真空泵4同时打开电磁阀5接通保护气瓶6；真空泵4负责将成型室1内混有氧气的气体抽出；保护气瓶6负责向成型室1内填充惰性保护气体，不断稀释成型室1内的氧气浓度；同时开启真空泵4和通入惰性保护气体的作用在于，可加快成型室1中氧气浓度的下降速率；

步骤二：检测氧含量是否低于100ppm

氧含量传感器2将检测到的成型室1中的氧气浓度数据实时发送给计算机7,计算机7检测氧气浓度是否低于100ppm这一阈值；若氧气浓度高于100ppm，则继续保持真空泵4和通入惰性保护气体的工作状态，继续降低氧气浓度，直到达到该阈值；若氧气浓度低于100ppm，则关闭真空泵4，但保持电磁阀5开启状态，继续向成型室1中充惰性保护气体，以提高成型室1内的气压；

步骤三：检测气压是否达到10kpa

气压传感器3将成型室1中的气压数据实时发送给计算机7，计算机7检测压强是达到10kpa这一阈值；若压强低于这一阈值，则继续开启电磁阀5以保持惰性保护气体的供给，直到计算机7检测到的压强达到该阈值，使成型室1内维持低正压状态；若气压高于10kpa，则关闭电磁阀5，断开惰性保护气体的供给；

步骤四：开启气体循环净化

开启第一压差传感器10、第二压差传感器11，实时读取hepa滤芯18以及活性炭滤箱20两侧的气压差，并将压差数据传送给计算机7；

来自成型室1内的含金属粉尘颗粒的气流通过气体均布装置15的进气口15-1均匀分流至各扇形出气通道15-4，在各个扇形出气通道腔壁的导引下进入滤箱17，均匀的通过hepa滤芯18表面，并在hepa滤芯18处完成气流中金属粉尘的一次过滤，过滤掉绝大多数杂质；同时，与hepa滤芯18紧密接触的静电释放网19可快速释放掉金属粉尘气流与hepa滤芯18表面摩擦产生的静电积累；经过一次过滤的较洁净的气体，再通过活性炭滤箱20中，完成气体的二次过滤，继续提高气流的洁净度；经过两级过滤的洁净气体在循环气泵9的驱动之下，通过第二单向气体阀8，被送回到成型室1中，完成一次气体循环动作。

在步骤四气体循环工作过程中，第一压差传感器10和第二压差传感器11，分别用于实时检测hepa滤芯18以及活性炭滤箱20两侧的气压差，并将压差数据传送给计算机7；当气压差大于或者小于规定的值时，说明hepa滤网18以及活性炭滤箱20分别发生堵塞或者破损，计算机7及时停止循环气泵9，暂停气体循环工作，同时发出报警信号提示人员清理或者更换hepa滤芯18。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明可以综合控制slm密封成型室内的氧气浓度、气压以及金属粉尘颗粒浓度三项指标达到要求，从而提高slm成型金属零件的成型质量。

本发明气体循环净化系统采用hepa滤网以及活性炭滤箱的组合过滤方式，使得经过一次过滤的较洁净的气体，再通过活性炭滤箱完成气流的二次过滤，提高了过滤效率。

本发明气体循环净化系统采用滤芯气体均布装置，通过独特的内部气道的设计，用于分流含杂质气流并使其均匀的通过hepa滤网，避免了粉尘气流选择性不均匀通过hepa滤网，减轻了滤网局部的粉尘快速堆积阻塞和滤网磨损，延长了滤网寿命。同时，内腔的倾斜结构设计也有助于金属粉尘依靠自身重力滚落至粉尘收集瓶中，提高了金属粉尘的收集效率。

本发明气体循环净化系统采用的静电释放网，由若干金属同心圆环以及与各圆环组成的网络结构，便于快速释放掉hepa滤网表面各部位的静电，防止金属粉尘发生爆炸。

本发明气体循环净化系统采用的压差传感器，通过实时检测hepa滤网、活性炭滤箱及三相电机进出气口之间的气压差，来实时获取相应部位的工作状态，并将数据通过数据线传送给控制器，控制器把所测数据输出到显示器。提醒工作人员及时检查并排除问题。

综上所述，本装置具有更高的净化效率，可以快速调节成型室环境的氧含量、气压以及金属粉尘颗粒浓度等多项指标，对成型室环境的金属粉尘颗粒的净化气程度高。本装置过滤器使用寿命长，具有二次过滤、粉尘收集、静电释放方便、实时性好等优点，可以方便获取各个关键部位的状况，锁定相关问题，维持装置的良好运行状态，提高气体的循环净化效率。

附图说明

图1是本发明低正压密封成型室内杂质气体循环净化装置的结构示意图。

图2是本发明的气体均布装置的俯视图。

图3是图2a-a向的剖视图。

图4是图2b-b向的剖视图。

图5是本发明气体均布装置的三维图。

图6是本发明的单向气体阀的示意图。

图7是本发明工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至7所示。本发明公开了一种低正压密封成型室内杂质气体循环净化装置，包括成型室1及其气体循环净化系统，气体循环净化系统由计算机7控制；所述成型室1内腔的两端分别开设有气体循环出口a和气体循环入口b；

所述气体循环净化系统包括第一单向气体阀16、三通管14、气体均布装置15、滤箱17、活性炭滤箱20、循环气泵9、第二单向气体阀8、第一压差传感器10、第二压差传感器11；

所述气体循环出口a依次管路连接第一单向气体阀16、三通管14、气体均布装置15、滤箱17、活性炭滤箱20、循环气泵9、第二单向气体阀8、气体循环入口b；

所述第一压差传感器10的两个导压口分别连接两个测点，第一测点连接在滤箱17的出口管路上，第二测点在连接循环气泵9的入口管路上；

所述第二压差传感器11的两个导压口分别连接两个测点，第一测点连接在气体均布装置15的入口管路上，第二测点连接在滤箱17的出口管路上；

所述第一压差传感器10的信号控制端、第二压差传感器11的信号控制端、循环气泵9分别连接计算机7。

所述气体均布装置15包括壳体15-3、进气口15-1、在壳体15-3内置有多片进气隔板15-2，进气隔板15-2将壳体15-3的内部等分为多个扇形出气通道15-4；所述进气口15-1连接三通管14，扇形出气通道15-4通过管路连接活性炭滤箱20的入口；

当含金属粉尘颗粒的气流通过进气口15-1均匀分流至各个扇形出气道后，在各个扇形出气道的分流作用下进入滤箱17，并均匀的通过hepa滤芯18。

所述滤箱17内部安装有hepa滤芯18，hepa滤芯18的表面安装有静电释放网19；hepa滤芯18的作用是为通过第一单向气体阀16的含有金属粉尘颗粒的气体进行一次过滤；静电释放网19由若干金属同心圆环以及与各金属同心圆环相连接的轴向导电线点焊制成，静电释放网19作用是快速释放hepa滤芯18表面各个部位的静电。hepa滤芯18中的hepa为高效粒子气体过滤。

所述三通管14的一端口还连接有一带阀门13的收集瓶12，用于收集hepa滤芯18表面聚集并跌落的杂质颗粒；该阀门13日常处于关闭状态，当需要清理hepa滤芯18时，打开阀门13，使杂质颗粒进入收集瓶12以便集中处理。

所述成型室1的顶部安装有氧含量传感器2和气压传感器3；它们分别用于将成型室1内的氧气含量及压力数据反馈给计算机7。

所述气体循环净化系统还包括一真空泵4，用于将成型室1内混有氧气的气体抽出，以防止成型室1内的氧气在加工过程中与零件产生氧化作用。

所述成型室1还连接有一个设置在外部的保护气体供给装置，以防止加工过程中零件的氧化；保护气体供给装置包括保护气瓶6、电磁阀5；保护气瓶6通过电磁阀5管路连接成型室1。保护气体可采用采用ar，n2，以实现对slm加工过程的保护，防止加工过程中零件的氧化。

所述第二单向气体阀8和第一单向气体阀16的结构相同，均包括壳体8-1、带有孔洞的弹簧固定架8-2、弹簧8-3和进气活塞8-4；

所述弹簧固定架8-2将壳体8-1内部一分为二，弹簧8-3一端与弹簧固定架8-2相抵，另一端与设置在壳体8-1气体入口的进气活塞8-4相抵；当来自成型室1的含金属粉尘颗粒的气流推动进气活塞8-4克服弹簧8-3的推力，气流流出壳体8-1气体出口；当来自壳体8-1气体入口的气流消失，进气活塞8-4在弹簧8-3的弹力作用下复位并密封气体入口，实现单向进气。

本发明低正压密封成型室内杂质气体循环净化装置的运行方法，可通过如下步骤实现：

步骤一：开启真空泵同时通保护气

当计算机7接收到气体循环净化过程的开始命令之后，发送信号开启真空泵4同时打开电磁阀5接通保护气瓶6；真空泵4负责将成型室1内混有氧气的气体抽出；保护气瓶6负责向成型室1内填充惰性保护气体，不断稀释成型室1内的氧气浓度；同时开启真空泵4和通入惰性保护气体的作用在于，可加快成型室1中氧气浓度的下降速率；

步骤二：检测氧含量是否低于100ppm

氧含量传感器2将检测到的成型室1中的氧气浓度数据实时发送给计算机7,计算机7检测氧气浓度是否低于100ppm这一阈值；若氧气浓度高于100ppm，则继续保持真空泵4和通入惰性保护气体的工作状态，继续降低氧气浓度，直到达到该阈值；若氧气浓度低于100ppm，则关闭真空泵4，但保持电磁阀5开启状态，继续向成型室1中充惰性保护气体，以提高成型室1内的气压；

步骤三：检测气压是否达到10kpa，成型室1内低正压临界值可以设定，一般在10-50kpa

气压传感器3将成型室1中的气压数据实时发送给计算机7，计算机7检测压强是达到10kpa这一阈值；若压强低于这一阈值，则继续开启电磁阀5以保持惰性保护气体的供给，直到计算机7检测到的压强达到该阈值，使成型室1内维持低正压状态；若气压高于10kpa，则关闭电磁阀5，断开惰性保护气体的供给；

步骤四：开启气体循环净化

开启第一压差传感器10、第二压差传感器11，实时读取hepa滤芯18以及活性炭滤箱20两侧的气压差，并将压差数据传送给计算机7；

来自成型室1内的含金属粉尘颗粒的气流通过气体均布装置15的进气口15-1均匀分流至各扇形出气通道15-4，在各个扇形出气通道腔壁的导引下进入滤箱17，均匀的通过hepa滤芯18表面，并在hepa滤芯18处完成气流中金属粉尘的一次过滤，过滤掉绝大多数杂质；同时，与hepa滤芯18紧密接触的静电释放网19可快速释放掉金属粉尘气流与hepa滤芯18表面摩擦产生的静电积累；经过一次过滤的较洁净的气体，再通过活性炭滤箱20中，完成气体的二次过滤，继续提高气流的洁净度；经过两级过滤的洁净气体在循环气泵9的驱动之下，通过第二单向气体阀8，被送回到成型室1中，完成一次气体循环动作。

在步骤四气体循环工作过程中，第一压差传感器10和第二压差传感器11，分别用于实时检测hepa滤芯18以及活性炭滤箱20两侧的气压差，并将压差数据传送给计算机7；当气压差大于或者小于规定的值时，说明hepa滤网18以及活性炭滤箱20分别发生堵塞或者破损，计算机7及时停止循环气泵9，暂停气体循环工作，同时发出报警信号提示人员清理或者更换hepa滤芯18。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。