3D打印金属粉末床成形腔体的保护气循环过滤装置及其优化方法与流程

本发明属于3D金属粉末打印技术领域，尤其涉及金属粉末床成形腔体保护气循环过滤系统的改进。

背景技术：

基于金属粉末床技术的3D打印技术因其能最大限度地不受零件复杂形状限制，能高效且低成本地制备出精度极高的复杂金属功能整体零件。由于金属具有强氧化性，故所制备零件都在充满惰性气体的密封成形腔中完成。但高能量激光与金属粉末短时剧烈作用时，熔化液滴具有强大不稳定性且容易产生熔滴飞溅和金属汽化，尤其是加工物理化学活性极高金属，如镁、铝和钛等，所产生烟尘将笼罩在待加工工件上方，将导致凝固金属表面污染严重：表面质量降低、层/道间润湿性降低及结合性差、零件致密度下降和失去金属光泽。同时，该烟尘位置处于激光与金属粉末材料之间，将大大削减传至金属粉末的激光能量，造成激光能量浪费和金属粉末熔化不完全，进而导致成形件内部存在未熔金属粉末夹杂，极大地加大激光器能耗，增加了建设和发展绿色可持续制造业阻力。

现有粉末床成形腔体基本都加入了保护气循环过滤装置，尽最大能力避免金属氧化或减少烟尘对加工凝固金属影响。但腔体保护气循环过滤装置基本上都根据经验进行设计，设计人员对进气口保护气流量、压力和进气分流截面面积与成形腔体尺寸之间的内在关系还存在认识不足。所设计保护气循环过滤装置进气口流速过大，将严重影响成形基板均匀预铺粉末质量；而进气口流速过小，对加工过程形成烟尘完全没有过滤作用。设计者将需经历无数次循环过滤装置调试，无形加大了设计及制造成本；并且，不合理保护气循环过滤装置也很难保证制备出优异机械性能金属功能件。

保护气循环过滤装置将直接影响粉末床成形腔体压力分布，进而对烟尘在进气分流口与吸气导流口之间的流动行为起决定作用。粉末床成形腔体压力理想分布为：由进气分流口至吸气导流口表现为逐渐减小趋势；但目前设备腔体中基本都面临着腔体中压力梯度不可控难题，例如：腔体进气分流口“负压”现象。“负压”现象将使烟尘向进气分流口方向运动，造成烟尘在进气口堆积和多次污染已过滤保护气，严重时将引起进气口堵塞或者其他机械干涉现象。

尤其当采用该技术对大型复杂金属构件加工时，零件一次成形周期非常长，加工需一气呵成，这将是对保护气循环过滤系统极大的挑战。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供3D打印金属粉末床成形腔体的保护气循环过滤装置及其优化方法，实现了高效、量化、可行、经济、安全、能有效循环过滤加工烟尘，保证加工金属零件具有表面质量好，致密度高，机械性能好等特点。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种3D打印金属粉末床成形腔体的保护气循环过滤装置的优化方法，该保护气循环过滤装置包括进气分流口、吸气导流道、保护气循环防爆净化装置以及循环保护气电机装置，进气分流口、吸气导流道相对地设置于成形腔体中，且吸气导流道依次通过保护气循环防爆净化装置、循环保护气电机装置与进气分流口之间形成循环连通，进气分流口、吸气导流道中心的连线与成形腔体内腔的水平方向平行，通过调整加工烟尘竖直运动距离z，使得加工烟尘竖直运动距离z不大于吸气导流道的高度h，进而达到加工烟尘完全被吸气导流道捕获、成形腔体中进气分流口至吸气导流口的压力逐渐减小的目的；其中：

z＝v₀×l/v_in-1/2×g×(l/v_in)²

式中：l为进气分流口与吸气导流道的距离；v₀为加工烟尘脱离加工熔池表面竖直初速度；进气分流口中单个进气孔的保护气流速v_in＝Q_in/(A×n)，Q_in为进气通道中的保护气体流量，A为进气分流口单个进气孔的截面面积；n为进气孔的数量。

作为本发明的进一步优选，加工烟尘竖直运动距离z的调整是通过调节进气口流速v_in来实现的。

作为本发明的进一步优选，进气口流速v_in的调节是通过配置进气分流口单个进气孔的截面面积A和进气孔的数量n来实现的。

作为本发明的进一步优选，吸气导流道与保护气循环防爆净化装置之间的吸气通道上安装有第一电动阀开关；进气分流口与循环保护气电机装置之间的进气通道上安装有气体热流量监测控制器、压力表、第二电动阀开关；气体热流量监测控制器，用于将保护气进气分流口的气体流量信息反馈给循环保护气电机装置；压力表，用于将进气分流口的压力信息反馈给循环保护气电机装置；循环保护气电机装置根据所接收到的气体流量信息、压力信息，通过控制第一电动阀开关、第二电动阀开关，自动调节保护气流量。

成形腔体配装有气压释放机构。

作为本发明的进一步优选，所述气压释放机构包括与大气连通的电磁阀。

本发明的另一技术目的是提供一种3D打印金属粉末床成形腔体的保护气循环过滤装置，包括进气分流口、吸气导流道、保护气循环防爆净化装置以及循环保护气电机装置，进气分流口、吸气导流道相对地设置于成形腔体中，且吸气导流道依次通过保护气循环防爆净化装置、循环保护气电机装置与进气分流口之间形成循环连通，进气分流口、吸气导流道中心的连线与成形腔体内腔的水平方向平行，所述吸气导流道的高度h满足下列公式：

其中，l为进气分流口与吸气导流道的距离；v₀为烟尘脱离加工熔池表面竖直初速度；A为进气分流口单个进气孔的截面面积；n为进气孔的数量；Q_in为进气分流口的保护气体流量。

作为本发明的进一步优选，吸气导流道与保护气循环防爆净化装置之间的吸气通道上安装有第一电动阀开关；进气分流口与循环保护气电机装置之间的进气通道上安装有气体热流量监测控制器、压力表、第二电动阀开关；气体热流量监测控制器，用于将保护气进气分流口的气体流量信息反馈给循环保护气电机装置；压力表，用于将进气分流口的压力信息反馈给循环保护气电机装置；循环保护气电机装置根据所接收到的气体流量信息、压力信息，通过控制第一电动阀开关、第二电动阀开关，自动调节保护气流量。

作为本发明的进一步优选，成形腔体配装有气压释放机构。

作为本发明的进一步优选，所述气压释放机构包括与大气连通的电磁阀。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在充分保证加工金属所需氧含量低于50ppm条件下，根据成形腔体进气口与出气口距离l及吸气口高度h，调节进气口流量Q_in，考虑加工烟尘密度ρ和进气口截面面积A及数量n，建立w、h、Q_in、ρ、A和n数学关系，保证加工烟尘能完全进入吸气口，达到烟尘除净和腔体压力平衡的要求。所优化成形腔体保护气循环过滤系统保证腔体成形基板洁净，零件致密度达到100％，零件表面质量高并呈现金属光泽。

(2)本发明能快速设计完成保护气循环过滤系统制造过程，大大降低以往设计及加工成本。腔体烟尘能按成形腔压力梯度(由进气分流口至吸气导流口压力逐渐减小)方向运动，且完全进入吸气导流口，确保烟尘对加工金属构件零污染；成形腔体保持整洁，稳定可靠的保护气循环过滤系统为顺利制备加工周期长的复杂零件保驾护航。

(3)本发明可将腔体循环气氧含量、杂质含量进行有效地降低控制，成形腔体气压差呈有序梯度变化，避免逆向负压引起的粉末倒吸现象，确保激光加工金属熔池、凝固件上方为循环滤净惰性气体，切实提高金属件加工质量。

(4)本发明可维持液态熔池稳定性，避免加工过程熔滴飞溅现象；夹杂物的减少可显著提高熔体与已加工层/道润湿性，确保层/道间为优异全熔化/凝固冶金结合。熔体稳定无飞溅、良好润湿性及铺展性，为获得高表面质量和高致密试件提供了环境基础。

(5)本发明进气通道流速可智能调控，因为：进气通道一侧分别设有气体热流量监测控制器，压力表，电动阀开关和循环保护气电机装置。进气分流口流速/流量信息反馈循环保护气电机装置，可迅速调节进气口流速，有效调控烟尘运动方向及流动速度。

(6)本发明可有效节约保护气使用量，能耗小，降低加工成本，无需频繁更换保护气瓶。

(7)本发明可为腔体提高优异加工环境，激光能量能完全与所需加工粉末区域作用，避免成形过程中燃烧和爆炸等危险

附图说明

图1是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统的结构示意图；

图2是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统的原理结构示意图；

图3(a)是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统改进前的保护气流场矢量图；

图3(b)是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统改进后的保护气流场矢量图；

图4(a)是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统改进前的保护气压分布图；

图4(b)是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统改进后的保护气压分布图；

图5是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统改进前进气分流口粉末堆积图；

图6是本发明粉末床腔体保护气循环过滤系统改进后进气分流口粉末堆积图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1～6所示，本发明的3D打印金属粉末床成形腔体的保护气循环过滤装置，包括保护气循环过滤净化机构，以及设在成形腔体内的进气分流口和吸气导流道，其中：所述进气分流口包含多个进气孔；所述吸气导流道为为台阶式导流道，且开口设在侧面；所述保护气循环过滤净化机构，包括通过管道依次连接气体热流量监测控制器、压力表、第一电动阀开关、循环保护气电机装置、气体循环防爆机构和第二电动阀开关，所述气体热流量监测控制器通过管道与进气分流口连通，所述第二电动阀开关通过管道与吸气导流道连通，从而使保护气循环过滤净化机构与成形腔体形成循环连通。

本发明对3D打印金属粉末床成形腔体保护气循环过滤系统的改进原理依据：根据粉末床成形腔体尺寸(长L、宽W和高H)，设计并确定腔体内保护气进气分流口与吸气导流道距离l，吸气导流道高度为h。通常，W与l为相互平行关系，加工金属烟尘密度ρ，单进气孔截面面积A，进气口数量为n，进气通道保护气流量Q_in。因此，进气口流速v_in＝Q_in/(A×n)。加工过程中，离吸气导流道距离最远的烟尘最容易逃逸并最终成为杂质气体而污染加工金属表面，其最大距离为l；烟尘脱离加工熔池表面其水平速度迅速升至v_in并随后匀速运动，烟尘至吸气导流道时间t＝l/v_in；烟尘脱离加工熔池表面竖直初速度为v₀，随后在烟尘重力作用下，作加速度为g的匀减速运动，在t时间范围内运动距离为z＝v₀×l/v_in-1/2×g×(l/v_in)²。加工烟尘竖直运动距离z应不大于h，即z≤h，v₀×l/v_in-1/2×g×(l/v_in)²≤h，以保证烟尘完全被吸气导流道捕获，进而保证加工金属样件具有表面质量好，致密度高，机械性能好等特点。

以下通过实施例具体说明本发明的技术方案：

优化前

根据粉末床成形腔体：长L＝700mm、宽W＝450mm和高H＝250mm，设计并确定腔体内保护气进气分流口29与吸气导流道27距离l＝200mm，吸气导流道高度为h＝30mm。通常，W与l为相互平行关系，加工金属为铝合金粉末。通常，激光与铝粉相互作用后形成的熔池，其温度高于1300℃，故所形成烟尘α-Al₂O₃密度ρ＝3.9g/cm³，单进气孔圆截面面积A＝12.56mm²，进气口数量为n＝16，进气通道21保护气流量Q_in＝40L/min。因此，进气口流速v_in＝Q_in/(A×n)＝3.3m/s。

加工过程中，离吸气导流道27距离最远的烟尘最容易逃逸并最终成为杂质气体而污染加工金属表面，其最大距离为l＝200mm；烟尘脱离加工熔池表面其水平速度迅速升至v_in并随后匀速运动，烟尘至吸气导流道27时间t＝l/v_in，本实施例中，t为0.06s。

烟尘脱离加工熔池表面竖直初速度为v₀。通常，激光加工铝合金粉体所形成熔池表面为外对流，即熔池中心熔体速度竖直向上。在本实例实施过程中，数值模拟研究方法确定熔池中心熔体竖直速度为1m/s，故初速度v₀定位1m/s。

随后在烟尘重力作用下，作加速度为9.8m/s²的匀减速运动，烟尘初始速度为v₀＝1m/s，当速度减至0m/s所需时间为0.1s。烟尘运动形式为：t＝0～0.06s。烟尘在成形腔保护气循环过滤系统优化前加工烟尘竖直运动距离z＝v₀×l/v_in-1/2×g×(l/v_in)²为42mm；

3D打印Al合金金属粉末，其工艺参数为：激光功率P为200W，扫描速度v为1200mm/s，扫描间距η为50μm，铺粉厚度k为30μm。

优化后

根据粉末床成形腔体：长L＝700mm、宽W＝450mm和高H＝250mm，设计并确定腔体内保护气进气分流口29与吸气导流道27距离l＝200mm，吸气导流道高度为h＝30mm。通常，W与l为相互平行关系，加工金属为铝合金粉末。通常，激光与铝粉相互作用后形成的熔池，其温度高于1300℃，故所形成烟尘α-Al₂O₃密度ρ＝3.9g/cm³，单进气孔圆截面面积A＝28.26mm²，进气口数量为n＝20，进气通道21保护气流量Q_in＝40L/min。因此，进气口流速v_in＝Q_in/(A×n)＝1.2m/s。

加工过程中，离吸气导流道27距离最远的烟尘最容易逃逸并最终成为杂质气体而污染加工金属表面，其最大距离为l＝200mm；烟尘脱离加工熔池表面其水平速度迅速升至v_in并随后匀速运动，烟尘至吸气导流道27时间t＝l/v_in，本实施例中，t为0.17s。

烟尘脱离加工熔池表面竖直初速度为v₀。通常，激光加工铝合金粉体所形成熔池表面为外对流，即熔池中心熔体速度竖直向上。在本实例实施过程中，数值模拟研究方法确定熔池中心熔体竖直速度为1m/s，故初速度v₀定位1m/s。

随后在烟尘重力作用下，作加速度为9.8m/s²的匀减速运动，烟尘初始速度为v₀＝1m/s，当速度减至0m/s所需时间为0.1s。烟尘运动形式分为两段：t₁＝0～0.1s，t₂＝0.1～0.17s；烟尘在成形腔保护气循环过滤系统中的加工烟尘竖直运动距离z＝v₀×l/v_in-1/2×g×(l/v_in)²为27mm；

3D打印Al合金金属粉末，其工艺参数为：激光功率P为200W，扫描速度v为1200mm/s，扫描间距η为50μm，铺粉厚度k为30μm。

加工烟尘竖直运动距离z应不大于h，即z≤h，据以上结果可知：

优化前：h＝42mm>30mm；

优化后：h＝27mm<30mm。

故可得出，优化后所设计的保护气循环过滤装置可保证烟尘完全被吸气导流道捕获，进而保证加工金属样件具有表面质量好，致密度高，机械性能好等特点。

进一步改进，经过上述设计加工腔体压强分布在进气分流口29与吸气导流道27距离l上为梯度减小变化状态。避免在进气口侧产生负压而导致加工烟尘堆积，造成不必要的设备机械故障，优化前后压力分布如图4所示。优化前后加工过程烟尘运动图5和图6。

当加工腔体压力达到危险阙值时，压力释放电磁阀31将自动与大气接通，完成气压释放，以此来保证设备安全性，实现加工腔体内外压力平衡。