本发明涉及激光选区熔化金属3D打印(SLM)技术领域，尤其涉及一种用于3D打印的保护气体预热方法及装置。
背景技术：
3D打印技术，也称为增材制造技术，它的出现改变了传统制造模式。激光选区熔化(SLM)技术是金属3D打印的一种，其成型原理是将设计的三维模型离散成一层一层的轮廓信息，控制激光束扫描金属粉末形成熔道，熔道相互搭接形成层面，逐个层面堆叠成三维金属零件。与传统制造技术相比，SLM技术突出的优点之一是几乎可以直接成型任意复杂结构且具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到近乎100％，其应用范围已拓展到生物医疗、航空航天、汽车等领域。
SLM加工零件是一个高能量激光束与金属粉末作用的过程，由于金属材料在高温下极易与空气中的氧发生反应，氧化物对成型质量具有非常大的消极影响，使得材料润湿性大大下降，阻碍了层与层之间、熔道之间的冶金结合能力；同时在SLM成型的过程中经常激起一些烟气，烟气量将视材料以及成型工艺不同而不同，但总是很难避免。这些烟气在长时间的成型过程中，会逐步积累在成型室内物品上，对粉末、透光镜、铺粉机构都造成污染，降低了成型质量，甚至因为透光镜受严重污染，造成成型中断。所以为了防止金属粉末在被激光光斑熔化的过程中发生氧化和减小烟尘对成型的影响，通常在整个成型过程中都要通入惰性气体，一般是氩气或氮气，使得成型室内的氧含量降到很低的水平。
采用SLM加工零件的过程中，会产生很大的热应力，因为激光与金属粉末的作用是一个快速熔化、快速凝固的过程，最高瞬时温度甚至可以达到2000摄氏度以上，并且这个过程在极短的时间内发生。通常，从标准贮气瓶中释放出来的气体接近室温，粉料缸和成型缸内表层金属粉在未和激光发生作用时，温度接近成型室内气体的温度。实际加工中，激光扫描粉末区域与非扫描粉末区域，扫描区域和成型室内惰性气体之间形成非常大的温度梯度，材料收缩不一致，形成较大的热应力和残余应力，使得零件在加工的过程中出现变形。加工过程中出现过大的热应力甚至可以导致支撑被拉断，加工层出现严重的翘曲，既影响零件的形状精度和尺寸精度，也会损坏柔性铺粉刷。
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，提供一种用于3D打印的保护气体预热方法及装置。本发明通过二次梯级加热，使加热后的惰性气体更加稳定，不仅减小了激光扫描区域与成型腔室内气体之间的温度差，同时二次加热后的惰性气体可以持续对成型缸和粉料缸内表层金属粉末进行预热，大大减少加工层内和层间的温度差，减小热应力，从而减小SLM成型过程中的残余应力和变形。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于3D打印的保护气体预热装置，包括保护外罩3、设置在保护外罩3内的真空预热腔81、以及分别设置在真空预热腔81一端的进气口1和另一端的出气口9；所述真空预热腔81内部设有两路结构相同的气体加热通道13；气体由进气口1进入气体加热通道13被加热后进入真空预热腔81内，再由出气口9进入成型室。
在气体加热通道13内设有多个相互间隔、阵列排布的电加热柱6；所述电加热柱6的轴线垂直于气体流动方向；进入气体加热通道13内的气体被电加热柱6加热后进入真空预热腔81内。
所述气体加热通道13的中部还设有一隔板131，该隔板131将气体加热通道13分割成第一预热通道132和第二预热通道133；电加热柱6分布在第一预热通道132和第二预热通道133的内壁面上；第二预热通道133内的温度大于第一预热通道132内的温度；第一预热通道132和第二预热通道133为气体提供一个梯级升温及迂回流动路径；
气体先进入第一预热通道132进行初步预热，初步预热的气体进入第二预热通道133进行二次加热升温，完成二次加热升温后的气体进入真空预热腔81内，再由出气口9进入成型室。
分布在第二预热通道133的电加热柱6排布密度，大于第一预热通道132的电加热柱6排布密度。
进气口1与两路气体加热通道13之间设置有分流器2；分流器2将进入其内的气体分成两路后分别送入各路气体加热通道13。
所述保护气体预热装置还包括一个用于回收真空预热腔81内部气体的气体回收瓶14和一个用于给真空预热腔81提供气体的供气瓶15；
气体回收瓶14的进口通过带有一水冷玻璃管12的管路连通真空预热腔81，在真空预热腔81与该管路的接口处设有减压阀11；气体回收瓶14和供气瓶15的出气口均设有一阀门、并通过三通阀连接进气口1。
所述真空预热腔81是由真空玻璃内衬8合围成的真空腔体；所述真空玻璃内衬8的外壁与保护外罩3之间设有石棉保温层4。
所述真空预热腔81内安装有压力检测装置5和温度检测装置7；
压力检测装置5用于检测真空预热腔81内的气压，温度检测装置7用于检测真空预热腔81内的温度；在真空预热腔81的出气口9设置有用于检测气体流量的流量计10。
上述用于3D打印的保护气体预热装置对气体进行预热的方法如下：
惰性气体的初步预热步骤：
供气瓶15和/或气体回收瓶14内的惰性气体经过三通阀后，由进气口1进入分流器2，在分流器2内分成两路后，被送入各路气体加热通道13的第一预热通道132内，由电加热柱6对其进行第一次预热，完成惰性气体的初步预热；
惰性气体的再次加热步骤：
惰性气体在第一预热通道132内完成初步预热后，接着进入第二预热通道133进行二次加热，使进入第二预热通道133内的惰性气体温度大于在第一预热通道132时的温度；
惰性气体依次在第一预热通道132和第二预热通道133构成的梯级升温及迂回流动路径后，进入真空预热腔81内，最后由出气口9进入成型室。
在保护气体预热装置的工作过程中，当压力检测装置5检测到真空预热腔81内的气压高于设定值时，开启减压阀11将真空预热腔81内高于设定值的惰性气体，经过水冷玻璃管12降温后送入气体回收瓶14中储存；待真空预热腔81内的气压恢复至设定值或设定值以下时，关闭减压阀11。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明真空预热腔81设置了气体加热通道13；进入气体加热通道13内的气体被电加热柱6加热后再进入真空预热腔81内；气体加热通道13包括了第一预热通道132和第二预热通道133；第二预热通道133内的温度大于第一预热通道132内的温度；第一预热通道132和第二预热通道133为气体提供一个梯级升温及迂回流动路径。供气瓶15和/或气体回收瓶14内的惰性气体经过三通阀后，由进气口1进入分流器2，在分流器2内分成两路后，被送入各路气体加热通道13的第一预热通道132内，由电加热柱6对其进行第一次预热，接着进入第二预热通道133进行二次加热，使进入第二预热通道133内的惰性气体温度大于在第一预热通道132时的温度；惰性气体依次在第一预热通道132和第二预热通道133构成的梯级升温及迂回流动路径后，进入真空预热腔81内，最后由出气口9进入成型室。这种结构实现了对惰性气体的梯级加热，使惰性气体加热温度稳步上升，气体流动平稳，进而对金属3D打印(SLM)加工过程中所通的(保护)惰性气体进行预热。当激光扫描金属粉末的时候，由于进入成型室扫描层的金属粉末和惰性气体已经被预热到比所需温度，激光扫描时层间与层内的温度梯度相对减小了，保证了零件的成型质量和精度。
具体说，本发明利用第一预热通道132和第二预热通道133，可对惰性气体在通入成型室前进行预热，包含了预热与在加热过程，这种结构不仅增加了惰性气体在进入真空预热腔的路径，而且通过逐次梯级加热的方法，使加热后的惰性气体更加稳定，不仅减小了激光扫描区域与成型腔室内气体之间的温度差，同时二次加热后的惰性气体可以持续对成型缸和粉料缸内表层金属粉末进行预热，大大减少加工层内和层间的温度差，减小热应力，从而减小SLM成型过程中的残余应力和变形。
本发明在第一预热通道132和第二预热通道133内设置了排布(交错)密度不同的电加热柱，电加热柱6的轴线垂直于惰性气体流动方向；这种排布电加热柱不仅具备加热作用，而且还能起到对惰性气体的扰流作用，进一步增加了惰性气体在气体加热通道13内的行程及与电加热柱6接触的时间，而且还为对惰性气体在进入真空预热腔81内之前，先提供一个缓冲的作用，使其更加稳定。
本发明在真空预热腔81内安装有压力检测装置5和温度检测装置7；通过温度检测装置7，实时监控与检测真空预热腔81内温度的情况，并通过温度控制系统来调节电加热柱6上电流的大小，实现加热效率的实时改变，保证真空预热腔81内的惰性气体温度的稳定。压力检测装置5用于实时检测真空预热腔81内的气压，保证了真空预热腔81的保持稳定的工作压力；并在真空预热腔81的腔壁上安装了减压阀，进一步维持加热腔室内气压的稳定与安全，杜绝了密闭空间内高温高压气体来来的安全隐患。
本发明还增设有一套气体回收装置，将预热过程中真空预热腔81内部的多余惰性气体和SLM加工结束之后整个循环气路中残存的高温高压气体收集存储起来供下次加工继续使用，防止了资源浪费。惰性气体回收过程中，为了安全起见，在回收管路上设置了一气体冷却装置(水冷玻璃管)对回收的惰性气体在进入气体回收瓶存储之前进行降温冷却。
本发明技术手段简便易行，造价低廉，为3D打印(SLM)加工过程中成型件的加工精度，提供了保障。
附图说明
图1为本发明用于3D打印的保护气体预热装置的结构示意图。
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所示。本发明公开了一种用于3D打印的保护气体预热装置，包括保护外罩3、设置在保护外罩3内的真空预热腔81、以及分别设置在真空预热腔81一端的进气口1和另一端的出气口9；所述真空预热腔81内部设有两路结构相同的气体加热通道13；气体由进气口1进入气体加热通道13被加热后进入真空预热腔81内，再由出气口9进入成型室。所述气体一般是指惰性气体。
在气体加热通道13内设有多个相互间隔、阵列排布的电加热柱6；所述电加热柱6的轴线垂直于气体流动方向；进入气体加热通道13内的气体被电加热柱6加热后进入真空预热腔81内。
所述气体加热通道13的中部还设有一隔板131，该隔板131将气体加热通道13分割成第一预热通道132和第二预热通道133；电加热柱6分布在第一预热通道132和第二预热通道133的内壁面上；第二预热通道133内的温度大于第一预热通道132内的温度；第一预热通道132和第二预热通道133为气体提供一个梯级升温及迂回流动路径；气体先进入第一预热通道132进行初步预热，初步预热的气体进入第二预热通道133进行二次加热升温，完成二次加热升温后的气体进入真空预热腔81内，再由出气口9进入成型室。这种结构不仅增加了惰性气体在进入真空预热腔的路径，而且通过逐次梯级加热的方法，使加热后的惰性气体更加稳定，不仅减小了激光扫描区域与成型腔室内气体之间的温度差，同时二次加热后的惰性气体可以持续对成型缸和粉料缸内表层金属粉末进行预热，大大减少加工层内和层间的温度差，减小热应力，从而减小SLM成型过程中的残余应力和变形。
分布在第二预热通道133的电加热柱6排布密度，大于第一预热通道132的电加热柱6排布密度。这种布局不仅可使气体逐渐加热，而且能对气流在进入真空预热腔81前，起到缓冲过渡的作用。
进气口1与两路气体加热通道13之间设置有分流器2；分流器2将进入其内的气体分成两路后分别送入各路气体加热通道13。
所述保护气体预热装置还包括一个用于回收真空预热腔81内部气体的气体回收瓶14和一个用于给真空预热腔81提供气体的供气瓶15；气体回收瓶14的进口通过带有一水冷玻璃管12的管路连通真空预热腔81，在真空预热腔81与该管路的接口处设有减压阀11；气体回收瓶14和供气瓶15的出气口均设有一阀门、并通过三通阀连接进气口1。将预热过程中真空预热腔81内部的多余惰性气体和SLM加工结束之后整个循环气路中残存的高温高压气体收集存储起来供下次加工继续使用，防止了资源浪费。水冷玻璃管12使惰性气体回收过程中，为了安全起见，对惰性气体在进入气体回收瓶存储之前进行降温冷却。
所述真空预热腔81是由真空玻璃内衬8合围成的真空腔体；所述真空玻璃内衬8的外壁与保护外罩3之间设有石棉保温层4。
所述真空预热腔81内安装有压力检测装置5和温度检测装置7；压力检测装置5用于检测真空预热腔81内的气压，温度检测装置7用于检测真空预热腔81内的温度；在真空预热腔81的出气口9设置有用于检测气体流量的流量计10。
本发明对气体进行预热的方法可通过如下步骤实现：
供气瓶15和/或气体回收瓶14内的惰性气体经过三通阀后，由进气口1进入分流器2，在分流器2内分成两路后，被送入各路气体加热通道13的第一预热通道132内，由电加热柱6对其进行第一次预热，完成惰性气体的初步预热；
惰性气体在第一预热通道132内完成初步预热后，接着进入第二预热通道133进行二次加热，使进入第二预热通道133内的惰性气体温度大于在第一预热通道132时的温度；
惰性气体依次在第一预热通道132和第二预热通道133构成的梯级升温及迂回流动路径后，进入真空预热腔81内，最后由出气口9进入成型室。
在保护气体预热装置的工作过程中，当压力检测装置5检测到真空预热腔81内的气压高于设定值时，开启减压阀11将真空预热腔81内高于设定值的惰性气体，经过水冷玻璃管12降温后送入气体回收瓶14中储存；待真空预热腔81内的气压恢复至设定值或设定值以下时，关闭减压阀11。
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。