激光3D打印烟尘干式过滤装置和方法及过滤芯更换方法与流程

本发明涉及金属增材制造领域，尤其是一种激光3d打印烟尘干式过滤装置和方法及过滤芯更换方法。

背景技术

增材制造又称3d打印，能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料，具有复杂物品成型的成本优势，能够进行个性化定制服务，简化了生产流程，而且生产过程中节能环保。目前已广泛应用于航空航天、生物医疗和模具等行业。

激光选区熔化是目前最常用的金属3d打印技术，这种技术是使用激光束照射预先铺展好的金属粉末，粉末熔化一层，基板下降一层，再铺一层粉，再熔化一层，逐层累加，直到零件加工完成。激光束在熔化金属粉末的过程中，会因为粉末中含有的杂质元素而产生烟尘，这些烟尘要是不及时吸走，会掉落在粉床上或漂浮到加工仓内壁上，影响机器的加工质量。目前的激光3d打印设备都需要配备烟尘干式过滤装置，用于过滤金属3d打印过程中产生的烟尘。

现有的烟尘过滤装置主要分为干式过滤和湿式过滤两大类，其中干式过滤主要依靠设置于干式过滤仓中的过滤芯实现烟尘的过滤，而湿式过滤则通常采用水浴实现过滤。金属3d打印中，对于设备内的湿度有着较为严格的要求，若湿度过高，会严重影响3d打印质量。因此，在3d打印设备中通常采用的是干式过滤装置实现过滤。对于干式过滤装置而言，其内通常不能通入液体，否则液体与吸收的烟尘混合会堵住过滤芯，使其失去过滤功能。

在金属3d打印过程中，过滤的烟尘是高度碳化的细微金属颗粒，这些细微的金属烟尘暴露在空气中容易发生自燃甚至爆炸。然而现有的过滤装置在更换过滤芯时，需要人为将用过的过滤芯从设备中取出，再更换新的过滤芯，在此过程中过滤芯吸收的烟尘直接暴露在空气中，有发生自燃的风险。

此外，现有的烟尘过滤装置还存在以下问题。

1、在烟尘过滤过程中，为了彻底吸走打印过程中的烟尘，需要较大的风速，这样难于避免会将小部分金属粉末吸走，造成粉末材料的浪费。

2、过滤芯的使用寿命较短，需要频繁更换，增加了使用成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光3d打印烟尘干式过滤装置和方法及过滤芯更换方法，防止在更换过滤芯过程时过滤芯吸收的烟尘暴露于空气中发生自燃。

本发明公开的激光3d打印烟尘干式过滤装置，包括干式过滤仓、进气管、出气管以及推动气体运行的风机，所述进气管和出气管分别与干式过滤仓相连通，所述干式过滤仓中设置有过滤芯，所述干式过滤仓设置有进液口和出液口，所述进液口上设置有进液阀，所述出液口设置有出液阀。

优选地，所述干式过滤仓内设置有液位监测仪。

优选地，所述过滤芯包括一级过滤芯和二级过滤芯，所述一级过滤芯对应进气管设置，所述二级过滤芯对应出气管设置；

所述一级过滤芯和二级过滤芯分别连接有压缩气体喷击管，所述压缩气体喷击管上设置有喷击阀。

优选地，所述一级过滤芯和二级过滤芯下方设置有接料斗，所述接料斗底部连接有残留烟尘收集盒，所述接料斗底部设置有排料阀，所述残留烟尘收集盒进口处设置有进料阀。

优选地，所述二级过滤芯与出气管之间设置有三级过滤芯。

优选地，所述进气管内设置有一级挡风墙，所述一级挡风墙下方设置有一级粗过滤收集罐。

优选地，所述进气管内还设置有二级挡风墙，所述二级挡风墙位于一级挡风墙与干式过滤仓之前，所述二级挡风墙下方设置有二级粗过滤收集罐，所述二级挡风墙与水平面的夹角大于一级挡风墙与水平面的夹角。

优选地，所述一级挡风墙与水平面的夹角为35-40°，所述二级挡风墙与水平面的夹角为45-50°。

优选地，所述的激光3d打印烟尘干式过滤装置设置有人机交互控制器，所述进气管与干式过滤仓的连接处设置有风速传感器，所述干式过滤仓内设置有氧含量监测仪和气压监测仪，所述人机交互控制器分别与风速传感器、氧含量监测仪、气压监测仪以及风机电连接。

采用所述激光3d打印烟尘干式过滤装置的烟尘过滤方法，包括如下步骤：

将进气管和出气管与3d打印设备相连接，形成烟尘过滤的气体循环通道；

在3d打印设备运行时，开启风机，当激光3d打印设备使用的粉末松装密度大于4g/cm³时，过滤时进气管风速控制在18-20m/s范围；当激光3d打印设备使用的粉末松装密度小于4g/cm³时，过滤时进气管风速控制在15-18m/s范围；

3d打印过程中产生的烟尘从进气管进入干式过滤仓，经干式过滤仓过滤后返回3d打印设备。

优选地，每隔30-40分钟向一级过滤芯通入压缩保护气体，使一级过滤芯吸收的烟尘颗粒受喷击震落；每隔60-70分钟向二级过滤芯通入压缩保护气体，使二级过滤芯吸收的烟尘颗粒受喷击震落；

震落的烟尘进入残留烟尘收集盒，当残留烟尘收集盒收集满后，关闭接料斗的排料阀和残留烟尘收集盒的进料阀，取下已装满的残留烟尘收集盒，换上新的残留烟尘收集盒。

所述激光3d打印烟尘干式过滤装置的过滤芯更换方法，包括如下步骤：

在需要更换过滤芯时，从进液口向干式过滤仓中注入不与烟尘反应的液体，静置一段时间，使液体充分润湿过滤芯，再通过出液口将液体排出；

取出旧过滤芯，对干式过滤仓进行干燥后，安装新的过滤芯。

优选地，在更换过滤芯时，先关闭干式过滤仓与外部连接的所有阀门，然后拆开激光3d打印烟尘干式过滤装置与3d打印设备的连接，将激光3d打印烟尘干式过滤装置移动至通风良好的位置，然后在出液口连接注入液体的管道，打开进液阀向干式过滤仓中注入液体；

在开始注入液体后，小幅度开启出气阀，使干式过滤仓内气体排出，液体顺利注入干式过滤仓。

本发明的有益效果是：该激光3d打印烟尘干式过滤装置在干式过滤仓上设置进液口和出液口，当需要更换过滤芯时，通过进液口通入液体，静置一段时间后，使过滤芯被充分润湿，再取出旧过滤芯，即可有效防止过滤芯上吸附的烟尘与空气接触后发生自燃，将干式过滤仓清洗并干燥后，即可换上新过滤芯重新工作。

安装三级过滤芯，大大延长使用寿命。同时设计了两级粗过滤和残余烟尘收集仓，可以将多余的烟尘定期清除，让过滤芯的使用寿命更长。

增加了自动喷击压缩保护气体震动清理过滤芯功能，让过滤能够保持通畅，起到更好的过滤效果。

附图说明

图1是本发明的示意图。

附图标记：干式过滤仓1，万向轮11，进气管2，进气阀21，出气管3，出气阀31，风机4，进液口51，进液阀52，出液口53，出液阀54，液位监测仪55，一级过滤芯61，二级过滤芯62，压缩气体喷击管63，喷击阀64，保护气体储存罐65，三级过滤芯66，接料斗71，残留烟尘收集盒72，排料阀73，进料阀74，一级挡风墙81，一级粗过滤收集罐82，二级挡风墙83，二级粗过滤收集罐84，人机交互控制器9，风速传感器91，氧含量监测仪92，气压监测仪93。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

本发明公开的激光3d打印烟尘干式过滤装置，包括干式过滤仓1、进气管2、出气管3以及推动气体运行的风机4，所述进气管2和出气管3分别与干式过滤仓1相连通，所述干式过滤仓1中设置有过滤芯，所述干式过滤仓1设置有进液口51和出液口53，所述进液口51上设置有进液阀52，所述出液口53设置有出液阀54。

在使用时，将进气管2和出气管3与3d打印设备相连接，形成烟尘过滤的气体循环通道，含有烟尘的气体从3d打印设备中被抽出，经过干式过滤仓1中的过滤芯的过滤后，回到3d打印设备中，所述进气管2上通常设置有进气阀21，出气管3上通常设置有出气阀31，以实现气流的通断。在此过程中，风机4为气体循环提供动力，通常风机4可以设置于进气管2或者出气管3上，也可以设置于干式过滤仓1内，其中以设置于出气管3最佳，因为出气管3中的烟尘含量最小，可以避免烟尘对于风机4的正常运行产生影响。众所周知，干式过滤装置中不可以混入液体，甚至不能混入湿气，否则附着于过滤芯上的烟尘被润湿后会堵塞过滤芯的孔隙，使过滤芯失去其过滤功能。本发明则突破了这一传统惯性思维的限制，在干式过滤仓1上设置进液口51和出液口53，用于在更换过滤芯时，通入液体，润湿烟尘，避免其发生自燃。该激光3d打印烟尘干式过滤装置的过滤芯更换方法如下：

在需要更换过滤芯时，从进液口51向干式过滤仓1中注入不与烟尘反应的液体，静置一段时间，使液体充分润湿过滤芯，再通过出液口53将液体排出；

取出旧过滤芯，对干式过滤仓1进行干燥后，安装新的过滤芯。

为了保持干式过滤仓1的密闭，进液阀52和出液阀54在干式过滤装置运行过程中是关闭的，当烟尘过滤效果下降无法达到合适的过滤效果时，就需要更换过滤芯了。具体判断是否需要更换滤芯，可以直接观察3d打印设备中的烟尘含量，若烟尘含量过高，则可以进行过滤芯的更换；也可以根据干式过滤仓1中的气压判断，例如当风机设置于出气管3时，当干式过滤仓1中的气压大于0.08mpa时，证明过滤芯堵塞，风机无法提供足够的负压，此时也可判断出需要进行滤芯的更换了。

更换过滤芯注入的液体通常采用水即可，对于要与水反应的金属粉末，则可以采用油类。通过液体后需要静置一段时间，使过滤芯被充分润湿，悬浮的烟尘沉降至液体中。如图1所示的实施例中，通常液位高度不能超过进气管2，以免进气管2中进入液体后不方便清理，为了实时监测干式过滤仓1内的液面高度，所述干式过滤仓1内设置有液位监测仪55。虽然液位高度不超过进气管2无法完全淹没过滤芯，但是只要部分淹没过滤芯，在过滤芯的毛细作用下，液体仍然可以润湿整个过滤芯。为了保持过滤芯的充分润湿和烟尘充分沉降，静置时间通常在12小时以上。静置足够时间后，即可将干式过滤仓1中的液体排出，取出被充分润湿的旧过滤芯，然后对对干式过滤仓1进行清洗和干燥后，安装上新的过滤芯。更换过滤芯后的烟尘干式过滤装置需要先密闭排出空气后再投入使用。

在更换过滤芯过程中，由于要注入液体，因此最好将干式过滤仓1与外部连接的所有阀门都关闭，以免对3d打印机等设备造成不利影响，甚至可以拆开激光3d打印烟尘干式过滤装置与3d打印设备的连接，将激光3d打印烟尘干式过滤装置移动至通风良好的位置进行更换过滤芯的相关操作，为了方便过滤装置的移动，可以在其下方设置万向轮11。过滤装置移动到位后，在出液口53连接注入液体的管道，打开进液阀52向干式过滤仓1中注入液体；在开始注入液体后，由于干式过滤仓1与外部连接的其他阀门都关闭，在仓内气压的增大会限制液体的注入，此时就需要小幅度开启出气阀31。开启出气阀31后，出液口53在输入液体时，仓内气压增高，多余的气体从出气阀31排出，液体顺利注入干式过滤仓1。之所以开启出气阀31是因为其他阀门容易造成烟尘的泄漏，而开启出气阀31可以最大限度地避免烟尘泄漏。

采用本发明的激光3d打印烟尘干式过滤装置的烟尘过滤方法，包括如下步骤：

将进气管2和出气管3与3d打印设备相连接，形成烟尘过滤的气体循环通道；

在3d打印设备运行时，开启风机4，当激光3d打印设备使用的金属粉末松装密度大于4g/cm³时，过滤时进气管2风速控制在18-20m/s范围；当激光3d打印设备使用的金属粉末松装密度小于4g/cm³时，过滤时进气管2风速控制在15-18m/s范围；

3d打印过程中产生的烟尘从进气管2进入干式过滤仓1，经干式过滤仓1过滤后返回3d打印设备。

现有的烟尘过滤过程中，为了彻底吸走打印过程中的烟尘，需要较大的风速，这样难于避免会将小部分金属粉末吸走，造成金属粉末的浪费。松装密度是粉末自然地充填规定的容器时，单位容积粉末的质量，松装密度的大小除了取决于原料的密度外，很大程度上与粉末颗粒的形状与粒度等因素相关。通常金属粉末的原料密度越小、粉末粒度越小，其松装密度就越小，而无论是原料密度低还是粉末粒度小，都更容易被风吸走。同样，球形度越不规则，其松装密度也越小，粉末受风面积越大，也更容易被风吸走。本发明通过直接针对不同松装密度的粉末采用了对应的风速对烟尘进行抽取和过滤，将粉末粒度、原料密度等多个影响因素，综合为松装密度考量，便于更为简单直接地控制风速来适配不同规格或种类的金属粉末，以减少金属粉末因过滤烟尘的损失。具体而言，金属粉末松装密度大于4g/cm³时，过滤时进气管2风速控制在18-20m/s范围，松装密度小于4g/cm³时，过滤时进气管2风速控制在15-18m/s范围，可达到较好的效果。

烟尘中固体微粒的粒度分布范围较宽，采用单级过滤芯难以实现全面过滤，针对这一问题，所述过滤芯包括一级过滤芯61和二级过滤芯62，所述一级过滤芯61对应进气管2设置，所述二级过滤芯62对应出气管3设置；从进气管2进入干式过滤仓1的烟尘首先经过一级过滤芯61，而从干式过滤仓1流出的烟尘则要经过二级过滤芯62才能进入出气管3。一级过滤芯61可以过滤较为粒度较大的烟尘颗粒，二级过滤芯62则可以过滤粒度较小的烟尘颗粒，例如，一级过滤芯61用于过滤1-5μm大小的烟尘颗粒，二级过滤芯62用于过滤0.5-1mm大小的烟尘颗粒。此外，还可以在二级过滤芯62与出气管3之间设置三级过滤芯66，用于过滤直径小于0.5mm大小的烟尘颗粒。

过滤芯在使用一段时间后，随着吸附的烟尘颗粒越多，过滤效果将会降低，此时直接更换过滤芯并不划算，因为此时过滤芯经过简单处理，清除部分烟尘颗粒后还可以继续使用，为此，所述一级过滤芯61和二级过滤芯62分别连接有压缩气体喷击管63，所述压缩气体喷击管63上设置有喷击阀64。压缩气体喷击管63与压缩的保护气体储存罐65相连通，在过滤芯过滤效果下降时，对一级过滤芯61和二级过滤芯62喷击压缩的保护气体，将过滤芯上附着的烟尘震落，使其恢复过滤功能，以降低过滤芯的更换频率，节约生产成本。喷击的压缩保护气体可以采用氮气、氩气等化学性质稳定的气体，压缩保护气体的气压控制在0.6-0.8mpa。

为了承接震落的烟尘，所述一级过滤芯61和二级过滤芯62下方设置有接料斗71，所述接料斗71底部连接有残留烟尘收集盒72，所述接料斗71底部设置有排料阀73，所述残留烟尘收集盒72进口处设置有进料阀74。震落的烟尘首先进入接料斗71，然后进入残留烟尘收集盒72中被收集起来，残留烟尘收集盒72可设置透明的可视窗口，便于观测收集的烟尘颗粒的量。

在实际过滤时，可以每隔30-40分钟向一级过滤芯61通入压缩保护气体，使一级过滤芯61吸收的烟尘颗粒受喷击震落；每隔60-70分钟向二级过滤芯62通入压缩保护气体，使二级过滤芯62吸收的烟尘颗粒受喷击震落；

震落的烟尘进入残留烟尘收集盒72，当残留烟尘收集盒72收集满后，关闭接料斗71的排料阀73和残留烟尘收集盒72的进料阀74，取下已装满的残留烟尘收集盒72，换上新的残留烟尘收集盒72，如此，可以避免残留烟尘收集盒72中所收集的烟尘颗粒接触外界空气。

除了5μm以下的细小烟尘颗粒外，进入烟尘干式过滤装置的还有少量被吸入的金属粉末以及金属烟尘，这些颗粒与细小烟尘颗粒的粒度相差较大，不便于利用同一过滤芯过滤，而且有一定的回收价值。对此，如图1所示的实施例中所述进气管2内设置有一级挡风墙81，所述一级挡风墙81下方设置有一级粗过滤收集罐82。大粒度的颗粒随着气流撞击到一级挡风墙81后，掉落至一级粗过滤收集罐82内被收集起来。因为气流中大粒度的颗粒主要分为直接被吸入的金属粉末和尺寸更小一些的金属烟尘，金属粉末回收价值更大，最好能将两者分开回收，为此，所述进气管2内还设置有二级挡风墙83，所述二级挡风墙83位于一级挡风墙81与干式过滤仓1之前，所述二级挡风墙83下方设置有二级粗过滤收集罐84，所述二级挡风墙83与水平面的夹角大于一级挡风墙81与水平面的夹角。其中，在前的一级挡风墙81和一级粗过滤收集罐82相配合，主要回收尺寸较大的金属粉末；而二级挡风墙83与水平面的夹角大于一级挡风墙81与水平面的夹角，其与二级粗过滤收集罐84相配合主要回收尺寸相对较小的金属烟尘。如图1所示的实施例中，所述一级挡风墙81与水平面的夹角为35-40°，用于促进粒度大于15μm的金属粉末落入一级粗过滤收集罐82；所述二级挡风墙83与水平面的夹角为45-50°，用于促进粒度5-15μm的金属烟尘落入二级粗过滤收集罐84，从而实现了金属粉末与金属烟尘的分离回收，回收的金属粉末可以筛分后循环使用，减少了粉末的浪费。

为了便于控制和实现风速等方面的调整，该激光3d打印烟尘干式过滤装置设置有人机交互控制器9，所述进气管2与干式过滤仓1的连接处设置有风速传感器91，所述干式过滤仓1内设置有氧含量监测仪92和气压监测仪93，所述人机交互控制器9分别与风速传感器91、氧含量监测仪92、气压监测仪93以及风机4电连接。风速传感器91可以实时监测过滤装置的风速，氧含量监测仪92用于监测干式过滤仓1内氧含量，气压监测仪93则用于监测仓内气压，这些监测数据都可以传输至人机交互控制器9中，通过人机交互控制器9的显示屏显示出来。操作人员还可以通过人机交互控制器9调整过滤装置的风速和压缩保护气体喷击过滤芯的间隔时间。