一种金属3D打印设备成型仓两侧保护气进出的装置的制作方法

本发明涉及一种在金属3D打印设备成型仓中保护气体出入的装置，主要是解决在选区激光熔化成型过程中激光烧结粉末时产生的黑烟及金属等离子体对激光严重损耗的问题，从而能提升约10％-15％的激光能量的利用率，并有效提升成型件质量和精度，使成型件致密度接近100％。

背景技术：

当今的市场环境正在发生着巨大的变化，一方面表现为消费者需求日趋个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对这样一个迅速变化且无法预料的买方市场，制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，才能抢占市场。传统的大批量生产模式对市场的响应迟缓，无法快速响应市场需求。为此，近十几年来工业化国家一直在努力地研发新型的制造技术，提高制造业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。得益于计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代企业管理技术的发展与进步，产品设计、加工制造、质量检测、生产管理和企业经营都发生了重大变革，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的发展。

快速成型技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。快速成型技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成功率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。快速成型技术(RP)是一种集成了计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技术而产生的新型产品制造技术。通俗地说，快速成型技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。在市场竞争日益激烈的情况下，产品创新和上市速度以及制造技术的柔性必然成为企业的核心竞争力。快速成型技术和虚拟现实技术一起，都是产品数字化开发的重要手段和有力工具，同时也已经成为先进制造技术群不可分割的组成部分，在制造业获得越来越广泛的应用。与传统的制造过程相比，采用激光快速成型和激光快速制模技术后，可以将产品试制和批量生产的模具准备工作并行作业，明显缩短新产品设计和试制周期，并节省产品开发费用。

其中激光快速成型技术中应用比较广泛的为选区激光熔化(如图1所示)，选区激光熔化(SLM-Selective Laser Melting)是一种金属件直接成型方法，是快速成型技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，用逐层添加方式根据CAD数据直接成型具有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。该技术突破了传统加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，最大程度的减少了材料的浪费；成型过程几乎不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件小批量产品的制造。

目前国内外各个公司，研究机构，高校等机构针对选区激光熔化技术研发出各种成型设备，其成型设备虽然结构，外形等存在差别但其工作原理却极为相似(如图2所示)。在这些已经生产的设备中普遍还存在一些问题。问题1：成型过程中，由于激光烧结粉末层会产生大量黑烟以及金属蒸汽等离子体，造成激光功率的大幅衰减，造成了成型件的质量不好，尺寸精度差等。有的甚至直接影响单层粉末融化的质量从而使得打印过程很难继续进行。

问题2：即使成型过程中保护气体足够能把黑烟和金属蒸汽等离子体吹走不影响激光的功率，但是由于有些设备打印幅面比较大，一般激光扫描时为了避免整个面应力过大，会选择对角扫描或者棋盘式扫描，这时候靠近出气口位置的黑烟和大颗粒就会被吹散落在靠近吸风口那边的工件表面，从而影响下一层的铺粉和烧结质量。

面对这种问题，本发明设计了一种安装于选区熔化成型设备工作仓出气口与吸气口的装置，能使得保护气体形成稳定强烈的层流从而大幅提升单层烧结性能，提升成型件的精度和质量。

技术实现要素：

为了克服背景技术中所叙述的缺陷，本发明从相关金属打印机的打印机理和成型工艺出发设计了一组安装在成型底板两边的保护气进气和出气的装置。发明本装置的目的是将打印过程中在激光烧结粉末过程中进气口产生的气流很难把激光与粉末相互作用产生的黑烟和金属蒸汽等离子体(如图3所示)吹走，防止激光的功率损耗较大，造成熔池形貌不规则从而严重影响成型件的成型质量和成型精度。或者将靠近进气口的粉末烧结的黑烟吹散落在靠近出气口的粉层上面影响打印工作。本发明的特定装置是使得气流形成稳定层流(如图4所示)并有效吹走激光烧结粉末时产生的黑烟及金属蒸汽等离子体，从而能提升约10％-15％的激光能量的利用率，并有效提升成型件质量和精度，使成型件致密度接近100％。

1、一种用于金属3D打印装备内部工作仓中的保护气进出的装置，其特征是：该装置由两部分组成，分别是进气装置和出气装置；两种装置在成型仓中平行对立放置在成型底板两边；

其进气装置气流分成上下两层，上下层流道之间由隔板隔开；其中下层流道靠近进气口一端长50mm，水平向前；靠近出气口一端长100mm，呈斜向上5度角至出口，上层流道无倾斜，水平至出口处；

上下层流道均由多个板竖直隔开形成长方体通道，竖直隔板末端距离出气口处5-10mm以便气体从出气口出去之前混合均匀

出气装置由上下平行的5个流道组成，且出气装置的出气口处设计为弧形弯曲。

2、进一步，所述板的制作材料均为不锈钢薄板，厚度为1mm。进气装置高度30mm，出气装置高度50mm，进气装置和出气装置宽度与相应打印设备中基材宽度相等。

3、进一步，其进气装置气流分成上下两层高度分别为20mm和10mm。

4、进一步，其进气装置的出气口处由多个小孔组成，其中上层流道出气口孔直径4mm，下层流道出气口孔直径3mm。

5、进一步，其进气装置竖直隔板末端距离出气口处10mm。

6、进一步，其出气装置5个流道由隔板隔开高度方向上均匀分布；弧形弯曲区域与水平竖直区域均相切连接，圆心角均为90度。

7、进一步，其进气装置两侧留有螺孔固定于工作仓中；其出气装置左侧为便于与设备外部的抽气电机设备连接而设计预留接口，接口形状和尺寸与相应设备的抽气装置形状一致。

8、进一步，其进出气装置的摆放位置为平行列于成型基材两侧，进气装置的左下角距离成型基材水平距离和竖直距离均为10mm，出气装置的右下角距离成型基材的水平距离10mm竖直距离5mm。

本发明装置的具体特点如下。

1、一种用于金属3D打印装备内部工作仓保护气进出的装置由两部分组成，分别是进气装置和出气装置。两种装置在成型仓中平行对立放置在成型底板两边。进气装置的左下角距离成型基材水平距离和竖直距离均为10mm，出气装置的右下角距离成型基材的水平距离10mm竖直距离5mm。(如图7所示)。进气装置的高度设计为30mm，出气装置的高度设置为50mm。两种装置的宽度与实际所用金属打印设备的成型基材宽度相等。实际打印过程中，保护气会把黑烟和黑色颗粒往吸风口的方向吹，由于重力的作用，部分黑色颗粒可能会落在扫描区域造成不必要的影响。因此安装时出气装置略高于进气装置，使得层流具有斜向上的角度，以减小黑色颗粒落在扫描区域的概率。

2、进气装置和出气装置其制作材料均为不锈钢薄板，厚度为1mm。进气装置气流分成上下两层高度分别为20mm和30mm，上下层流道之间由隔板隔开。下层流道靠近进气口一端长50mm，水平向前；靠近出气口一端长100mm，呈斜向上5度角至出口，上层流道无倾斜，水平至出口处。进气层分为两层的目的是获得更适合吹走黑烟的层流。下层流道的5度倾角会使气流带着黑色杂质斜向上方流动即给黑色杂质一个斜向上方的初速度，然后上层流道的水平层流又会带着黑色杂质直接往出气口的位置流动，此种上下流道的配合能避免打印大幅面切片数据时因黑颗粒重力作用而下落到切片数据另一端的弊端，起到更好的保护作用。

3、进气装置上下层流道均由多个薄板竖直隔开，使得每层气流又竖直分开流动。且进气装置的出气口处由多个小孔组成，小孔的目的是防止从流道过来的气流由于长距离的运输，各部分流速不同，造成进气口附近形成紊流，不能有效吹走黑烟。其中上层流道出气口孔直径4mm，下层流道出气口更狭小些，孔直径3mm。

4、出气装置由5个流道组成，多流道同样是为了防止气流紊乱。出气口处设计为弧形弯曲弯曲弧半径为35mm，其目的是在气流转弯时能够更好的过渡，更有益于气流的流动。

5、进气装置两侧分别留有2个螺孔，具体安装时可在工作仓内部相应位置留两个螺孔与进气装置配合安装，出气装置左侧最终汇聚在一个四方形的汇聚口，可直接接入设备的吸气过滤装置。

6、进出气装置的摆放位置为平行列于成型基材两侧，由于进气装置距离基材的水平和竖直距离太远会很难将黑烟等杂质完全吹走，距离太近又极易吹走基材上的粉层因此根据工艺经验设计进气装置的左下角距离成型基材水平距离和竖直距离均为10mm；而出气装置的位置距离基材的水平和竖直距离太远的话不能及时有效的吸走进气装置带过来的黑色杂质，太近易吸走基材上的粉末，且由于进气装置具有5度角的倾斜向上，因此根据工艺经验设计出气装置的右下角距离成型基材的水平距离10mm竖直距离5mm。

附图说明

图1选区激光熔化设备原理图(其中包括：1、PC端 2、光纤激光器 3、光束隔离器 4、扩束镜 5、振镜 6、F-θ镜 7、出气口 8、刮刀 9、回收过滤系统 10、回收缸 11、成型缸 12、供粉缸)

图2选区激光熔化设备成型仓部分结构图(其中包括：13、刮刀 14、成型底板 15、进气口 16、出气口)

图3选区激光熔化过程示意图(其中包括：17、黑烟及金属蒸汽等离子体 18、激光束 19、金属颗粒)

图4进气口和出气之间气流流动示意图

图5.A进气装置正等侧视图(其中包括：20、预留螺孔)

图5.B进气装置顶视图

图5.C进气装置下层气道倾斜角度示意图

图5.D进气装置的实物图展示

图6.A出气装置正等侧视图

图6.B出气装置前视图

图6.C出气装置顶视图

图6.D出气装置的实物图展示

图7进出气装置放置示意图及倾斜气流流动示意图(其中包括：21、成型基材 22、出气装置 23、进气装置)

图8.A发动机叶轮与打印基材示意图

图8.B发动机叶轮底面切片示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细的概述，但本发明的实施方式不限于此。

具体实施例：

本实施例是选区激光熔化设备中进出气装置在铝合金发动机叶轮(图8.A)的制造过程中的应用。众所周知铝合金粉末较其他金属粉末轻，且流动性差铺粉效果不好，易产生扬尘，因此在选区激光熔化的过程中熔池上方极易产生黑色烟雾，及火星飞溅等现象。且如图8.B所示，部分发动机叶轮尺寸较大，因此底部的切片幅面较大。

当选择一般的水平进气与出气装置时，由于气流没有形成强大而稳定的层流因此很难讲大量的黑色颗粒与烟雾及时吹走，此时激光功率就会大幅衰减，造成底层粉末不能熔透，以及熔池形貌不规则。这不仅影响下层粉末的扫描融化更会容易使后来烧结的实体因应力作用而发生翘曲现象，阻挡刮刀刮粉，最终导致打印过程的终止。即使有些装置可以将黑色烟雾和颗粒及时吹走，而不影响激光的功率，但是如图8.B所示的叶轮切面，其幅面过大，进气一侧的气流虽然将过烧的黑色颗粒带离激光粉末相互作用区，但是黑颗粒依然会因为重力作用而下落到切片数据的另一侧，从而影响下层粉末铺粉精度和激光的烧结，影响成型件的内部性能，严重者可使打印过程停止。而选择本发明中的进出气装置时，进气口两层稳定的气流形成的层流能轻易带走激光粉末相互作用产生的黑烟等杂质，且下层气流有斜向上方5度的倾角，使得下层层流具有斜向上的初速度即给黑色杂质一个斜向上的初速度，遇到上层平行的层流时被水平带走。安装时，出气口略高于进气口，出气口的吸力会将进气口带来的黑色杂质斜向上吸走。这种装置的实用不仅可以提高打印件的成型精度，且可以使得部分难加工的工件成功加工出来。

本发明的进出气装置，为了与打印机更好的装配，都进行了设计，例如进气口装置两端各有两个螺孔，而出气口装置的一侧留有一个四边形的接口可以直接与设备的吸气装置连接。此种装置是结合金属打印的设备与工艺以及实际打印经验研制而成，能使金属打印工作更容易进行，提升打印工件性能，且扩大的金属打印件的形状范围。此外此装置制作材料廉价且易获得，制作方法直接用不锈钢薄板机加工即可，具有制作简单、加工成本低、实用性强等优点，适合大量生产，具有很大的经济效益。