3D打印金屬粉末床成形腔體的保護氣循環過濾裝置及其優化方法與流程
本發明屬于3D金屬粉末打印技術領域，尤其涉及金屬粉末床成形腔體保護氣循環過濾系統的改進。
背景技術：
基于金屬粉末床技術的3D打印技術因其能最大限度地不受零件復雜形狀限制，能高效且低成本地制備出精度極高的復雜金屬功能整體零件。由于金屬具有強氧化性，故所制備零件都在充滿惰性氣體的密封成形腔中完成。但高能量激光與金屬粉末短時劇烈作用時，熔化液滴具有強大不穩定性且容易產生熔滴飛濺和金屬汽化，尤其是加工物理化學活性極高金屬，如鎂、鋁和鈦等，所產生煙塵將籠罩在待加工工件上方，將導致凝固金屬表面污染嚴重：表面質量降低、層/道間潤濕性降低及結合性差、零件致密度下降和失去金屬光澤。同時，該煙塵位置處于激光與金屬粉末材料之間，將大大削減傳至金屬粉末的激光能量，造成激光能量浪費和金屬粉末熔化不完全，進而導致成形件內部存在未熔金屬粉末夾雜，極大地加大激光器能耗，增加了建設和發展綠色可持續制造業阻力。
現有粉末床成形腔體基本都加入了保護氣循環過濾裝置，盡最大能力避免金屬氧化或減少煙塵對加工凝固金屬影響。但腔體保護氣循環過濾裝置基本上都根據經驗進行設計，設計人員對進氣口保護氣流量、壓力和進氣分流截面面積與成形腔體尺寸之間的內在關系還存在認識不足。所設計保護氣循環過濾裝置進氣口流速過大，將嚴重影響成形基板均勻預鋪粉末質量；而進氣口流速過小，對加工過程形成煙塵完全沒有過濾作用。設計者將需經歷無數次循環過濾裝置調試，無形加大了設計及制造成本；并且，不合理保護氣循環過濾裝置也很難保證制備出優異機械性能金屬功能件。
保護氣循環過濾裝置將直接影響粉末床成形腔體壓力分布，進而對煙塵在進氣分流口與吸氣導流口之間的流動行為起決定作用。粉末床成形腔體壓力理想分布為：由進氣分流口至吸氣導流口表現為逐漸減小趨勢；但目前設備腔體中基本都面臨著腔體中壓力梯度不可控難題，例如：腔體進氣分流口“負壓”現象。“負壓”現象將使煙塵向進氣分流口方向運動，造成煙塵在進氣口堆積和多次污染已過濾保護氣，嚴重時將引起進氣口堵塞或者其他機械干涉現象。
尤其當采用該技術對大型復雜金屬構件加工時，零件一次成形周期非常長，加工需一氣呵成，這將是對保護氣循環過濾系統極大的挑戰。
技術實現要素：
發明目的：針對上述現有存在的問題和不足，本發明的目的是提供3D打印金屬粉末床成形腔體的保護氣循環過濾裝置及其優化方法，實現了高效、量化、可行、經濟、安全、能有效循環過濾加工煙塵，保證加工金屬零件具有表面質量好，致密度高，機械性能好等特點。
技術方案：為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
一種3D打印金屬粉末床成形腔體的保護氣循環過濾裝置的優化方法，該保護氣循環過濾裝置包括進氣分流口、吸氣導流道、保護氣循環防爆凈化裝置以及循環保護氣電機裝置，進氣分流口、吸氣導流道相對地設置于成形腔體中，且吸氣導流道依次通過保護氣循環防爆凈化裝置、循環保護氣電機裝置與進氣分流口之間形成循環連通，進氣分流口、吸氣導流道中心的連線與成形腔體內腔的水平方向平行，通過調整加工煙塵豎直運動距離z，使得加工煙塵豎直運動距離z不大于吸氣導流道的高度h，進而達到加工煙塵完全被吸氣導流道捕獲、成形腔體中進氣分流口至吸氣導流口的壓力逐漸減小的目的；其中：
z＝v0×l/vin-1/2×g×(l/vin)2
式中：l為進氣分流口與吸氣導流道的距離；v0為加工煙塵脫離加工熔池表面豎直初速度；進氣分流口中單個進氣孔的保護氣流速vin＝Qin/(A×n)，Qin為進氣通道中的保護氣體流量，A為進氣分流口單個進氣孔的截面面積；n為進氣孔的數量。
作為本發明的進一步優選，加工煙塵豎直運動距離z的調整是通過調節進氣口流速vin來實現的。
作為本發明的進一步優選，進氣口流速vin的調節是通過配置進氣分流口單個進氣孔的截面面積A和進氣孔的數量n來實現的。
作為本發明的進一步優選，吸氣導流道與保護氣循環防爆凈化裝置之間的吸氣通道上安裝有第一電動閥開關；進氣分流口與循環保護氣電機裝置之間的進氣通道上安裝有氣體熱流量監測控制器、壓力表、第二電動閥開關；氣體熱流量監測控制器，用于將保護氣進氣分流口的氣體流量信息反饋給循環保護氣電機裝置；壓力表，用于將進氣分流口的壓力信息反饋給循環保護氣電機裝置；循環保護氣電機裝置根據所接收到的氣體流量信息、壓力信息，通過控制第一電動閥開關、第二電動閥開關，自動調節保護氣流量。
成形腔體配裝有氣壓釋放機構。
作為本發明的進一步優選，所述氣壓釋放機構包括與大氣連通的電磁閥。
本發明的另一技術目的是提供一種3D打印金屬粉末床成形腔體的保護氣循環過濾裝置，包括進氣分流口、吸氣導流道、保護氣循環防爆凈化裝置以及循環保護氣電機裝置，進氣分流口、吸氣導流道相對地設置于成形腔體中，且吸氣導流道依次通過保護氣循環防爆凈化裝置、循環保護氣電機裝置與進氣分流口之間形成循環連通，進氣分流口、吸氣導流道中心的連線與成形腔體內腔的水平方向平行，所述吸氣導流道的高度h滿足下列公式：
其中，l為進氣分流口與吸氣導流道的距離；v0為煙塵脫離加工熔池表面豎直初速度；A為進氣分流口單個進氣孔的截面面積；n為進氣孔的數量；Qin為進氣分流口的保護氣體流量。
作為本發明的進一步優選，吸氣導流道與保護氣循環防爆凈化裝置之間的吸氣通道上安裝有第一電動閥開關；進氣分流口與循環保護氣電機裝置之間的進氣通道上安裝有氣體熱流量監測控制器、壓力表、第二電動閥開關；氣體熱流量監測控制器，用于將保護氣進氣分流口的氣體流量信息反饋給循環保護氣電機裝置；壓力表，用于將進氣分流口的壓力信息反饋給循環保護氣電機裝置；循環保護氣電機裝置根據所接收到的氣體流量信息、壓力信息，通過控制第一電動閥開關、第二電動閥開關，自動調節保護氣流量。
作為本發明的進一步優選，成形腔體配裝有氣壓釋放機構。
作為本發明的進一步優選，所述氣壓釋放機構包括與大氣連通的電磁閥。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
(1)本發明在充分保證加工金屬所需氧含量低于50ppm條件下，根據成形腔體進氣口與出氣口距離l及吸氣口高度h，調節進氣口流量Qin，考慮加工煙塵密度ρ和進氣口截面面積A及數量n，建立w、h、Qin、ρ、A和n數學關系，保證加工煙塵能完全進入吸氣口，達到煙塵除凈和腔體壓力平衡的要求。所優化成形腔體保護氣循環過濾系統保證腔體成形基板潔凈，零件致密度達到100％，零件表面質量高并呈現金屬光澤。
(2)本發明能快速設計完成保護氣循環過濾系統制造過程，大大降低以往設計及加工成本。腔體煙塵能按成形腔壓力梯度(由進氣分流口至吸氣導流口壓力逐漸減小)方向運動，且完全進入吸氣導流口，確保煙塵對加工金屬構件零污染；成形腔體保持整潔，穩定可靠的保護氣循環過濾系統為順利制備加工周期長的復雜零件保駕護航。
(3)本發明可將腔體循環氣氧含量、雜質含量進行有效地降低控制，成形腔體氣壓差呈有序梯度變化，避免逆向負壓引起的粉末倒吸現象，確保激光加工金屬熔池、凝固件上方為循環濾凈惰性氣體，切實提高金屬件加工質量。
(4)本發明可維持液態熔池穩定性，避免加工過程熔滴飛濺現象；夾雜物的減少可顯著提高熔體與已加工層/道潤濕性，確保層/道間為優異全熔化/凝固冶金結合。熔體穩定無飛濺、良好潤濕性及鋪展性，為獲得高表面質量和高致密試件提供了環境基礎。
(5)本發明進氣通道流速可智能調控，因為：進氣通道一側分別設有氣體熱流量監測控制器，壓力表，電動閥開關和循環保護氣電機裝置。進氣分流口流速/流量信息反饋循環保護氣電機裝置，可迅速調節進氣口流速，有效調控煙塵運動方向及流動速度。
(6)本發明可有效節約保護氣使用量，能耗小，降低加工成本，無需頻繁更換保護氣瓶。
(7)本發明可為腔體提高優異加工環境，激光能量能完全與所需加工粉末區域作用，避免成形過程中燃燒和爆炸等危險
附圖說明
圖1是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統的結構示意圖；
圖2是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統的原理結構示意圖；
圖3(a)是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統改進前的保護氣流場矢量圖；
圖3(b)是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統改進后的保護氣流場矢量圖；
圖4(a)是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統改進前的保護氣壓分布圖；
圖4(b)是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統改進后的保護氣壓分布圖；
圖5是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統改進前進氣分流口粉末堆積圖；
圖6是本發明粉末床腔體保護氣循環過濾系統改進后進氣分流口粉末堆積圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
如圖1～6所示，本發明的3D打印金屬粉末床成形腔體的保護氣循環過濾裝置，包括保護氣循環過濾凈化機構，以及設在成形腔體內的進氣分流口和吸氣導流道，其中：所述進氣分流口包含多個進氣孔；所述吸氣導流道為為臺階式導流道，且開口設在側面；所述保護氣循環過濾凈化機構，包括通過管道依次連接氣體熱流量監測控制器、壓力表、第一電動閥開關、循環保護氣電機裝置、氣體循環防爆機構和第二電動閥開關，所述氣體熱流量監測控制器通過管道與進氣分流口連通，所述第二電動閥開關通過管道與吸氣導流道連通，從而使保護氣循環過濾凈化機構與成形腔體形成循環連通。
本發明對3D打印金屬粉末床成形腔體保護氣循環過濾系統的改進原理依據：根據粉末床成形腔體尺寸(長L、寬W和高H)，設計并確定腔體內保護氣進氣分流口與吸氣導流道距離l，吸氣導流道高度為h。通常，W與l為相互平行關系，加工金屬煙塵密度ρ，單進氣孔截面面積A，進氣口數量為n，進氣通道保護氣流量Qin。因此，進氣口流速vin＝Qin/(A×n)。加工過程中，離吸氣導流道距離最遠的煙塵最容易逃逸并最終成為雜質氣體而污染加工金屬表面，其最大距離為l；煙塵脫離加工熔池表面其水平速度迅速升至vin并隨后勻速運動，煙塵至吸氣導流道時間t＝l/vin；煙塵脫離加工熔池表面豎直初速度為v0，隨后在煙塵重力作用下，作加速度為g的勻減速運動，在t時間范圍內運動距離為z＝v0×l/vin-1/2×g×(l/vin)2。加工煙塵豎直運動距離z應不大于h，即z≤h，v0×l/vin-1/2×g×(l/vin)2≤h，以保證煙塵完全被吸氣導流道捕獲，進而保證加工金屬樣件具有表面質量好，致密度高，機械性能好等特點。
以下通過實施例具體說明本發明的技術方案：
優化前
根據粉末床成形腔體：長L＝700mm、寬W＝450mm和高H＝250mm，設計并確定腔體內保護氣進氣分流口29與吸氣導流道27距離l＝200mm，吸氣導流道高度為h＝30mm。通常，W與l為相互平行關系，加工金屬為鋁合金粉末。通常，激光與鋁粉相互作用后形成的熔池，其溫度高于1300℃，故所形成煙塵α-Al2O3密度ρ＝3.9g/cm3，單進氣孔圓截面面積A＝12.56mm2，進氣口數量為n＝16，進氣通道21保護氣流量Qin＝40L/min。因此，進氣口流速vin＝Qin/(A×n)＝3.3m/s。
加工過程中，離吸氣導流道27距離最遠的煙塵最容易逃逸并最終成為雜質氣體而污染加工金屬表面，其最大距離為l＝200mm；煙塵脫離加工熔池表面其水平速度迅速升至vin并隨后勻速運動，煙塵至吸氣導流道27時間t＝l/vin，本實施例中，t為0.06s。
煙塵脫離加工熔池表面豎直初速度為v0。通常，激光加工鋁合金粉體所形成熔池表面為外對流，即熔池中心熔體速度豎直向上。在本實例實施過程中，數值模擬研究方法確定熔池中心熔體豎直速度為1m/s，故初速度v0定位1m/s。
隨后在煙塵重力作用下，作加速度為9.8m/s2的勻減速運動，煙塵初始速度為v0＝1m/s，當速度減至0m/s所需時間為0.1s。煙塵運動形式為：t＝0～0.06s。煙塵在成形腔保護氣循環過濾系統優化前加工煙塵豎直運動距離z＝v0×l/vin-1/2×g×(l/vin)2為42mm；
3D打印Al合金金屬粉末，其工藝參數為：激光功率P為200W，掃描速度v為1200mm/s，掃描間距η為50μm，鋪粉厚度k為30μm。
優化后
根據粉末床成形腔體：長L＝700mm、寬W＝450mm和高H＝250mm，設計并確定腔體內保護氣進氣分流口29與吸氣導流道27距離l＝200mm，吸氣導流道高度為h＝30mm。通常，W與l為相互平行關系，加工金屬為鋁合金粉末。通常，激光與鋁粉相互作用后形成的熔池，其溫度高于1300℃，故所形成煙塵α-Al2O3密度ρ＝3.9g/cm3，單進氣孔圓截面面積A＝28.26mm2，進氣口數量為n＝20，進氣通道21保護氣流量Qin＝40L/min。因此，進氣口流速vin＝Qin/(A×n)＝1.2m/s。
加工過程中，離吸氣導流道27距離最遠的煙塵最容易逃逸并最終成為雜質氣體而污染加工金屬表面，其最大距離為l＝200mm；煙塵脫離加工熔池表面其水平速度迅速升至vin并隨后勻速運動，煙塵至吸氣導流道27時間t＝l/vin，本實施例中，t為0.17s。
煙塵脫離加工熔池表面豎直初速度為v0。通常，激光加工鋁合金粉體所形成熔池表面為外對流，即熔池中心熔體速度豎直向上。在本實例實施過程中，數值模擬研究方法確定熔池中心熔體豎直速度為1m/s，故初速度v0定位1m/s。
隨后在煙塵重力作用下，作加速度為9.8m/s2的勻減速運動，煙塵初始速度為v0＝1m/s，當速度減至0m/s所需時間為0.1s。煙塵運動形式分為兩段：t1＝0～0.1s，t2＝0.1～0.17s；煙塵在成形腔保護氣循環過濾系統中的加工煙塵豎直運動距離z＝v0×l/vin-1/2×g×(l/vin)2為27mm；
3D打印Al合金金屬粉末，其工藝參數為：激光功率P為200W，掃描速度v為1200mm/s，掃描間距η為50μm，鋪粉厚度k為30μm。
加工煙塵豎直運動距離z應不大于h，即z≤h，據以上結果可知：
優化前：h＝42mm>30mm；
優化后：h＝27mm<30mm。
故可得出，優化后所設計的保護氣循環過濾裝置可保證煙塵完全被吸氣導流道捕獲，進而保證加工金屬樣件具有表面質量好，致密度高，機械性能好等特點。
進一步改進，經過上述設計加工腔體壓強分布在進氣分流口29與吸氣導流道27距離l上為梯度減小變化狀態。避免在進氣口側產生負壓而導致加工煙塵堆積，造成不必要的設備機械故障，優化前后壓力分布如圖4所示。優化前后加工過程煙塵運動圖5和圖6。
當加工腔體壓力達到危險闕值時，壓力釋放電磁閥31將自動與大氣接通，完成氣壓釋放，以此來保證設備安全性，實現加工腔體內外壓力平衡。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！