一种增材制造激光成型设备气氛控制系统的制作方法

本实用新型属于增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造激光成型设备气氛控制系统。

背景技术：

目前，工业应用的增材制造主流技术都是利用激光为能量源将粉末熔化或粘结成型，例如SLM、SLS、LSF等技术。激光在进行粉末熔融的过程中，会与氧气、氮气等气体发生反应，造成成型零件质量不合格。为防止在粉末熔融的过程中被氧化，一般的增材制造激光成型设备的加工区域都是处在惰性气体保护中或真空环境中。

现有技术中通常采用以下方法进行气氛控制：首先通过进、排气阀门与手控流量计，调节设备各个部分惰性气体进入量，并通过氧传感器检测成型区域氧含量，当氧含量较低时，关闭大流量惰性气体进入阀，开启小流量惰性气体进入阀，从而维持整个成型过程中所需的气氛环境。

但上述技术中存在以下缺点：(1)整个成型过程中小流量气体始终通入，使氧含量达到要求后持续降低，由此造成不必要的浪费；(2)成型过程中突发意外造成氧含量上升，将导致大流量气体与小流量气体来回切换，控制程序麻烦且设备稳定性差；(3)根据同型号不同设备的安装差异、密封差异等其需要的小流量气体数值不等，造成批量设备气路调试参数不一致；(4)成型过程中同型号不同设备腔体内部压力根据安装差异、密封差异和气路控制等条件不一致，造成检测压力值不一致，导致系统中流量参数、差压参数等受影响，最终影响风机、过滤系统参数值，导致设备调试困难、互换性差。因此，如何使成型区域拥有更好的气控环境，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种增材制造激光成型设备气氛控制系统，采用该系统进行气氛控制，解决了现有技术中增材制造激光成型设备的气氛控制存在惰性气体浪费、控制程序复杂、气体参数不一致、互换性差的技术问题。

本实用新型的目的在于提供一种增材制造激光成型设备气氛控制系统，包括：

惰性气体置换单元，用于根据成型区域的连通空间体积以及设定的氧含量，计算所需的置换气体量，并控制成型腔体内的气体置换；

稳压单元，用于在成型过程中调节成型腔体内的压力；

差压调节单元，用于调节成型过程中的吹风风量。

在上述技术方案中，优选的，所述惰性气体置换单元包括气体置换控制器；

以及与所述气体置换控制器相连的：除尘柜进气阀，除尘柜排气阀，气体置换进气阀，气体置换排气阀，分别控制成型腔体、收粉槽、成型轴和除尘柜的进气流量的流量控制阀一、流量控制阀二、流量控制阀三和流量控制阀四，测量整个气体置换过程中进气总量的电子流量计，和检测成型腔体内气体氧含量的氧传感器；所述除尘柜进气阀、流量控制阀四、除尘柜和除尘柜排气阀依次相连，所述气体置换进气阀、流量控制阀一、成型腔体和气体置换排气阀依次相连，所述气体置换进气阀、流量控制阀二和收粉槽依次相连，所述气体置换进气阀、流量控制阀三和成型轴依次相连，所述电子流量计分别与气体置换进气阀、除尘柜进气阀相连。

当成型过程前期气体置换时，除尘柜进、出气阀以及气体置换进、出气阀开，并通过电子流量计与氧传感器反馈信号，当氧含量降到设定值以下时，除尘柜进、出气阀以及气体置换进、出气阀关闭。

在上述技术方案中，优选的，所述稳压单元包括稳压控制器；

以及与所述稳压控制器相连的：稳压进气阀，稳压排气阀，控制成型腔体内压力的电子调压阀，和检测成型腔体内压力的压力传感器；所述稳压进气阀、电子调压阀、光学系统镜组、成型腔体和稳压排气阀依次相连。

在设备准备过程中和成型过程中，稳压控制器根据成型腔体压力传感器反馈的压力值，控制电子调压阀与稳压进、出气阀进行开闭调节。

在上述技术方案中，优选的，所述差压调节单元包括差压调节控制器；

以及与所述差压调节控制器相连的：检测滤芯和进风管之间差压的差压传感器，和风机的变频器。

在设备成型过程中，差压调节控制器根据差压传感器的反馈值，调节风机风量保证成型表面吹风均匀。

在上述技术方案中，进一步优选的，还包括排气过滤器，所述排气过滤器分别与除尘柜排气阀、气体置换排气阀、稳压排气阀相连。

排气过滤器将从除尘柜和成型腔体内排出的气体进行过滤后排出。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述电子流量计设置在整个控制系统的惰性气体入口总管道上，在惰性气体入口处的总管道上还设置有手控总阀和压力调节阀。以控制总管道的开闭和整个系统的进气压力。

采用上述气氛控制系统进行增材制造激光成型设备气氛控制方法，包括如下步骤：

1)控制稳压单元：使系统压力保持在设定值；

2)控制惰性气体置换单元：通过开启气体进出控制阀门，向需要气体置换的连通空间内充入惰性气体进行气体置换，用氧传感器检测成型腔体内的气体氧含量，当气体氧含量达到阈值时，关闭气体进出控制阀门；

3)控制差压调节单元：检测成型过程中成型腔内的风量，当风量变化时，调节风机的变频器控制风机，保证风量不变。

所述步骤1)的具体过程为：将成型腔体密封，输入所需压力值，开启稳压控制器按钮，稳压进气阀开、电子调压阀开，系统达到所需压力，关闭稳压进气阀和电子调压阀；调试成型轴与刮粉装置，当成型轴平台下降时，成型腔体体积增大，压力降低，则稳压进气阀开、电子调压阀开，调剂系统压力达到设定值；当成型轴平台上升时，成型腔体体积减小，压力升高，稳压排气阀频繁开闭，调剂系统压力达到设定值，并伴有排气产生。

所述步骤2)的具体过程为：开启气体置换控制器按钮，除尘柜进气阀开、除尘柜排气阀开，气体置换进气阀开、气体置换排气阀开，成型腔体氧传感器检测值逐渐降低，开启风机，当氧传感器检测值低于要求值时，关闭除尘柜进气阀、除尘柜排气阀、气体置换进气阀和气体置换排气阀；当任何原因导致氧含量上升并大于要求值时，重新开启阀门进行气体置换。

所述步骤3)的具体过程为：当长时间使用滤芯导致滤芯差压传感器反馈值升高，开启差压调节控制器按钮，差压调节控制器自动调节风机变频值增加，保证风量不变，直到成型过程结束。若成型期间，滤芯差压达到报警值，则暂停成型，更换滤芯重新装备成型流程。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

本实用新型通过自动控制的惰性气体置换单元、稳压单元和差压调节单元，减少了气体浪费，提高了稳定性，统一了压力、流量、差压等调试参数，提高了批量设备互换性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的增材制造激光成型设备气氛控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的增材制造激光成型设备气氛控制系统的稳压单元和惰性气体置换单元的气氛控制流程图；

图3是本实用新型实施例提供的增材制造激光成型设备气氛控制系统成型过程的差压调节单元的气氛控制流程图。

图中：1-成型腔体，2-成型轴，3-收粉槽，4-光学系统镜组，5-滤芯，6-风机，7-除尘柜，8-排气过滤器，9-进风管、10-出风管，V1-手控总阀，V2-除尘柜进气阀，V3-气体置换进气阀，V4-稳压进气阀，V5-除尘柜排气阀，V6-稳压排气阀，V7-气体置换排气阀，V8-流量调节阀，R1-压力调节阀，R2-电子调压阀，R3-流量控制阀一，R4-流量控制阀二，R5-流量控制阀三，R6-流量控制阀四，SQ-电子流量计，SP-压力传感器，SO2-氧传感器，SΔP-差压传感器，SV-风量仪。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本实用新型进行进一步详细说明。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本实用新型为进一步解释具体的

技术实现要素：
而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本实用新型中明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本实用新型的保护范围的理解。

此外，本领域技术人员应当了解，以下具体实施方式及实施例中所列举出来的对于参数设定的具体数值，是作举例解释用，作为一可选的实施方式，而不应当理解为对本实用新型保护范围的限定；而其中涉及到的各算法及其参数的设定，也仅作为举例解释用，而对下述参数的形式变换以及对下述算法的常规数学推导，均应视为落入本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供一种增材制造激光成型设备气氛控制系统，包括：

惰性气体置换单元，用于根据成型区域的连通空间体积以及设定的氧含量，计算所需的置换气体量，并控制成型腔体内的气体置换；

稳压单元，用于在成型过程中调节成型腔体内的压力；

差压调节单元，用于调节成型过程中的吹风风量。

作为优选的实施例，惰性气体置换单元包括气体置换控制器；

以及与气体置换控制器相连的：除尘柜进气阀V2，除尘柜排气阀V5，气体置换进气阀V3，气体置换排气阀V7，分别控制成型腔体1、收粉槽3、成型轴2和除尘柜7的进气流量的流量控制阀一R3、流量控制阀二R4、流量控制阀三R5和流量控制阀四R6，测量整个气体置换过程中进气总量的电子流量计SQ，和检测成型腔体内气体氧含量的氧传感器SO2；除尘柜进气阀V2、流量控制阀四R6、除尘柜7和除尘柜排气阀V5依次相连，气体置换进气阀V3、流量控制阀一R3、成型腔体1和气体置换排气阀V7依次相连，气体置换进气阀V3、流量控制阀二R4和收粉槽3依次相连，气体置换进气阀V3、流量控制阀三R5和成型轴2依次相连，电子流量计SQ分别与气体置换进气阀V3、除尘柜进气阀V2相连。

当成型过程前期气体置换时，除尘柜进、出气阀以及气体置换进、出气阀开，并通过电子流量计与氧传感器反馈信号，当氧含量降到设定值以下时，除尘柜进、出气阀以及气体置换进、出气阀关闭。

作为优选的实施例，稳压单元包括稳压控制器；

以及与稳压控制器相连的：稳压进气阀V4，稳压排气阀V6，控制成型腔体内压力的电子调压阀R2，和检测成型腔体内压力的压力传感器SP；稳压进气阀V4、电子调压阀R2、光学系统镜组4、成型腔体1和稳压排气阀V6依次相连。

在设备准备过程中和成型过程中，稳压控制器根据成型腔体压力传感器反馈的压力值，控制电子调压阀与稳压进、出气阀进行开闭调节。

作为优选的实施例，差压调节单元包括差压调节控制器；

以及与差压调节控制器相连的：检测滤芯5和进风管9之间差压的差压传感器SΔP，和风机6的变频器。

在设备成型过程中，差压调节控制器根据差压传感器的反馈值，调节风机风量保证成型表面吹风均匀。

作为进一步优选的实施例，还包括排气过滤器8，排气过滤器8分别与除尘柜排气阀V5、气体置换排气阀V7、稳压排气阀V6相连。

排气过滤器将从除尘柜和成型腔体内排出的气体进行过滤后排出。

作为进一步优选的实施例，电子流量计SQ设置在整个控制系统的惰性气体入口总管道上，在惰性气体入口处的总管道上还设置有手控总阀V1和压力调节阀R1。以控制总管道的开闭和整个系统的进气压力。

实施例2

本实施例提供一种增材制造激光成型设备气氛控制方法，主要为后期自动控制过程，包括如下步骤：

1)控制稳压单元：使系统压力保持在设定值；

2)控制惰性气体置换单元：通过开启气体进出控制阀门，向需要气体置换的连通空间内充入惰性气体进行气体置换，用氧传感器检测成型腔体内的气体氧含量，当气体氧含量达到阈值时，关闭气体进出控制阀门；

3)控制差压调节单元：检测成型过程中成型腔内的风量，当风量变化时，调节风机的变频器控制风机，保证风量不变。

在进行后期自动控制过程之前，需要先进行前期系统调试过程，前期系统调试包括惰性气体置换单元调试、稳压单元调试和差压调节单元调试。

请参阅图1，前期系统调试过程中，惰性气体置换单元调试具体过程为：先通过计算成型腔体1、成型轴2、收粉槽3、除尘柜7所有需要气体置换的连通空间体积，再根据需要气体置换的连通空间体积，计算将含氧量降到要求值时每个体积所需要的进气流量。

更具体的，先通过计算成型腔体1，成型轴2，收粉槽3，除尘柜7等所有需要气体置换的连通空间体积V1、V2、V3、V7等，并利用完全混合置换公式(其中，Vt为所需气量，VR为置换容积，C1为容器初氧含量，C2为容器终氧含量)，计算出将氧含量从C1(大气中的21％)，降到C2(要求值)时置换体积VR(VR＝V1+V2+V3+V7)所需要的总气量Vt，再用公式(其中，Q为气体置换流量值，t为气体置换过程所要求时间)，最终得到整个气体置换过程中所需要的进气流量Q，再通过的数值比，分别算出每个体积所需要的进气流量Q1、Q2、Q3、Q7值；再将流量控制阀一R3、流量控制阀二R4、流量控制阀三R5、流量控制阀四R6关闭，开启除尘柜进气阀V2、气体置换进气阀V3、除尘柜排气阀V5、气体置换排气阀V7；逐个调节流量控制阀一R3、流量控制阀二R4、流量控制阀三R5、流量控制阀四R6，并参考电子流量计SQ中的显示值，保证流量控制阀一R3、流量控制阀二R4、流量控制阀三R5、流量控制阀四R6的输出流量分别为计算所得Q1、Q3、Q2、Q7值。

前期系统调试过程中，稳压单元调试具体过程为：打开稳压进气阀V4与电子调压阀R2，将电子调压阀R2从下限值逐渐调大输入值W，并读取压力传感器SP对应的压力值P，得到W与P的关系；并将输入值W换算成输入压力相关值P0，得到P0与P的对应关系。

前期系统调试过程中，差压调节单元调试具体过程为：先在出风管10上安装风量仪SV、进风管9上安装流量调节阀V8，根据不同材料成型过程中所要求的压力值，开启稳压单元并开启风机6，调节风机风量使风量仪SV达到设定值，并记录差压传感器SΔP的值；逐渐关闭流量调节阀V8，增加风机6的变频值，使风量仪SV保持在需要值，记录差压传感器的值(不超过更换滤芯要求的报警值)与风机变频值的对应关系。

调试完成后，设备正常工作时，拆除风量仪SV与流量调节阀V8。采取自动控制过程。

请参阅图2，设备处于工作前的准备状态，将成型腔体1密封，系统压力为0，输入所需压力值P0，开启稳压控制器按钮，稳压进气阀V4开、电子调压阀R2开，系统达到所需压力，关闭稳压进气阀和电子调压阀；调试成型轴2与刮粉装置，当成型轴2平台下降时，成型腔体1体积增大，压力降低，则稳压进气阀V4开、电子调压阀R2开，调剂系统压力达到设定值，镜面四周伴有进气产生，防止粉末飞扬污染镜面；当成型轴2平台上升时，成型腔体1体积减小，压力升高，稳压排气阀V6频繁开闭，调剂系统压力达到设定值，并伴有排气产生。

设备前期准备过程完毕，开始充入惰性气体进行气体置换，开启气体置换控制器按钮，除尘柜进气阀V2开、除尘柜排气阀V5开，气体置换进气阀V3开、气体置换排气阀V7开，成型腔体氧传感器SO2检测值逐渐降低，开启风机6，当氧传感器检测值低于要求值时，关闭除尘柜进气阀、除尘柜排气阀、气体置换进气阀和气体置换排气阀；当任何原因导致氧含量上升并大于要求值时，重新开启阀门进行气体置换。

气体置换过程完毕，成型过程开始，请参阅图3，当长时间使用滤芯5导致滤芯差压传感器SΔP反馈值升高，开启差压调节控制器按钮，差压调节控制器自动调节风机变频值增加，保证风量不变，消除滤芯堵塞对成型过程的影响，直到成型过程结束。若成型期间，滤芯差压达到报警值，则暂停成型，更换滤芯重新装备成型流程。

整个设备成型过程中设备一直处于稳压、低氧含量、差压自动补偿的状态下，因任何原因造成的成型腔体1压力值、氧含量值和差压值的变化都会被补偿，从而实现气体置换单元、稳压单元、差压调节单元的自动控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。