本發(fā)明涉及一種在金屬3D打印設備成型倉中保護氣體出入的裝置，主要是解決在選區(qū)激光熔化成型過程中激光燒結粉末時產生的黑煙及金屬等離子體對激光嚴重損耗的問題，從而能提升約10％-15％的激光能量的利用率，并有效提升成型件質量和精度，使成型件致密度接近100％。

背景技術：

當今的市場環(huán)境正在發(fā)生著巨大的變化，一方面表現(xiàn)為消費者需求日趨個性化和多樣化；另一方面則是產品制造商們都著眼于全球市場的激烈競爭。面對這樣一個迅速變化且無法預料的買方市場，制造商們不但要很快地設計出符合人們消費需求的產品，而且必須很快地生產制造出來，才能搶占市場。傳統(tǒng)的大批量生產模式對市場的響應遲緩，無法快速響應市場需求。為此，近十幾年來工業(yè)化國家一直在努力地研發(fā)新型的制造技術，提高制造業(yè)發(fā)展水平，以便在激烈的全球競爭中占有一席之地。得益于計算機、微電子、信息、自動化、新材料和現(xiàn)代企業(yè)管理技術的發(fā)展與進步，產品設計、加工制造、質量檢測、生產管理和企業(yè)經營都發(fā)生了重大變革，產生了一批新的制造技術和制造模式，制造工程與科學取得了前所未有的發(fā)展。

快速成型技術就是在這種背景下逐步形成并得以發(fā)展的?？焖俪尚图夹g的發(fā)展，使得產品設計、制造的周期大大縮短，提高了產品設計、制造的一次成功率，降低產品開發(fā)成本，從而給制造業(yè)帶來了根本性的變化。快速成型技術(RP)是一種集成了計算機輔助設計及制造技術、逆向工程技術、分層制造技術(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技術而產生的新型產品制造技術。通俗地說，快速成型技術就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。在市場競爭日益激烈的情況下，產品創(chuàng)新和上市速度以及制造技術的柔性必然成為企業(yè)的核心競爭力?？焖俪尚图夹g和虛擬現(xiàn)實技術一起，都是產品數(shù)字化開發(fā)的重要手段和有力工具，同時也已經成為先進制造技術群不可分割的組成部分，在制造業(yè)獲得越來越廣泛的應用。與傳統(tǒng)的制造過程相比，采用激光快速成型和激光快速制模技術后，可以將產品試制和批量生產的模具準備工作并行作業(yè)，明顯縮短新產品設計和試制周期，并節(jié)省產品開發(fā)費用。

其中激光快速成型技術中應用比較廣泛的為選區(qū)激光熔化(如圖1所示)，選區(qū)激光熔化(SLM-Selective Laser Melting)是一種金屬件直接成型方法，是快速成型技術的最新發(fā)展。該技術基于快速成型的最基本思想，用逐層添加方式根據(jù)CAD數(shù)據(jù)直接成型具有特定幾何形狀的零件，成型過程中金屬粉末完全熔化，產生冶金結合。該技術突破了傳統(tǒng)加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，最大程度的減少了材料的浪費；成型過程幾乎不受零件復雜程度的限制，因而具有很大的柔性，特別適合于單件小批量產品的制造。

目前國內外各個公司，研究機構，高校等機構針對選區(qū)激光熔化技術研發(fā)出各種成型設備，其成型設備雖然結構，外形等存在差別但其工作原理卻極為相似(如圖2所示)。在這些已經生產的設備中普遍還存在一些問題。問題1：成型過程中，由于激光燒結粉末層會產生大量黑煙以及金屬蒸汽等離子體，造成激光功率的大幅衰減，造成了成型件的質量不好，尺寸精度差等。有的甚至直接影響單層粉末融化的質量從而使得打印過程很難繼續(xù)進行。

問題2：即使成型過程中保護氣體足夠能把黑煙和金屬蒸汽等離子體吹走不影響激光的功率，但是由于有些設備打印幅面比較大，一般激光掃描時為了避免整個面應力過大，會選擇對角掃描或者棋盤式掃描，這時候靠近出氣口位置的黑煙和大顆粒就會被吹散落在靠近吸風口那邊的工件表面，從而影響下一層的鋪粉和燒結質量。

面對這種問題，本發(fā)明設計了一種安裝于選區(qū)熔化成型設備工作倉出氣口與吸氣口的裝置，能使得保護氣體形成穩(wěn)定強烈的層流從而大幅提升單層燒結性能，提升成型件的精度和質量。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服背景技術中所敘述的缺陷，本發(fā)明從相關金屬打印機的打印機理和成型工藝出發(fā)設計了一組安裝在成型底板兩邊的保護氣進氣和出氣的裝置。發(fā)明本裝置的目的是將打印過程中在激光燒結粉末過程中進氣口產生的氣流很難把激光與粉末相互作用產生的黑煙和金屬蒸汽等離子體(如圖3所示)吹走，防止激光的功率損耗較大，造成熔池形貌不規(guī)則從而嚴重影響成型件的成型質量和成型精度。或者將靠近進氣口的粉末燒結的黑煙吹散落在靠近出氣口的粉層上面影響打印工作。本發(fā)明的特定裝置是使得氣流形成穩(wěn)定層流(如圖4所示)并有效吹走激光燒結粉末時產生的黑煙及金屬蒸汽等離子體，從而能提升約10％-15％的激光能量的利用率，并有效提升成型件質量和精度，使成型件致密度接近100％。

1、一種用于金屬3D打印裝備內部工作倉中的保護氣進出的裝置，其特征是：該裝置由兩部分組成，分別是進氣裝置和出氣裝置；兩種裝置在成型倉中平行對立放置在成型底板兩邊；

其進氣裝置氣流分成上下兩層，上下層流道之間由隔板隔開；其中下層流道靠近進氣口一端長50mm，水平向前；靠近出氣口一端長100mm，呈斜向上5度角至出口，上層流道無傾斜，水平至出口處；

上下層流道均由多個板豎直隔開形成長方體通道，豎直隔板末端距離出氣口處5-10mm以便氣體從出氣口出去之前混合均勻

出氣裝置由上下平行的5個流道組成，且出氣裝置的出氣口處設計為弧形彎曲。

2、進一步，所述板的制作材料均為不銹鋼薄板，厚度為1mm。進氣裝置高度30mm，出氣裝置高度50mm，進氣裝置和出氣裝置寬度與相應打印設備中基材寬度相等。

3、進一步，其進氣裝置氣流分成上下兩層高度分別為20mm和10mm。

4、進一步，其進氣裝置的出氣口處由多個小孔組成，其中上層流道出氣口孔直徑4mm，下層流道出氣口孔直徑3mm。

5、進一步，其進氣裝置豎直隔板末端距離出氣口處10mm。

6、進一步，其出氣裝置5個流道由隔板隔開高度方向上均勻分布；弧形彎曲區(qū)域與水平豎直區(qū)域均相切連接，圓心角均為90度。

7、進一步，其進氣裝置兩側留有螺孔固定于工作倉中；其出氣裝置左側為便于與設備外部的抽氣電機設備連接而設計預留接口，接口形狀和尺寸與相應設備的抽氣裝置形狀一致。

8、進一步，其進出氣裝置的擺放位置為平行列于成型基材兩側，進氣裝置的左下角距離成型基材水平距離和豎直距離均為10mm，出氣裝置的右下角距離成型基材的水平距離10mm豎直距離5mm。

本發(fā)明裝置的具體特點如下。

1、一種用于金屬3D打印裝備內部工作倉保護氣進出的裝置由兩部分組成，分別是進氣裝置和出氣裝置。兩種裝置在成型倉中平行對立放置在成型底板兩邊。進氣裝置的左下角距離成型基材水平距離和豎直距離均為10mm，出氣裝置的右下角距離成型基材的水平距離10mm豎直距離5mm。(如圖7所示)。進氣裝置的高度設計為30mm，出氣裝置的高度設置為50mm。兩種裝置的寬度與實際所用金屬打印設備的成型基材寬度相等。實際打印過程中，保護氣會把黑煙和黑色顆粒往吸風口的方向吹，由于重力的作用，部分黑色顆?？赡軙湓趻呙鑵^(qū)域造成不必要的影響。因此安裝時出氣裝置略高于進氣裝置，使得層流具有斜向上的角度，以減小黑色顆粒落在掃描區(qū)域的概率。

2、進氣裝置和出氣裝置其制作材料均為不銹鋼薄板，厚度為1mm。進氣裝置氣流分成上下兩層高度分別為20mm和30mm，上下層流道之間由隔板隔開。下層流道靠近進氣口一端長50mm，水平向前；靠近出氣口一端長100mm，呈斜向上5度角至出口，上層流道無傾斜，水平至出口處。進氣層分為兩層的目的是獲得更適合吹走黑煙的層流。下層流道的5度傾角會使氣流帶著黑色雜質斜向上方流動即給黑色雜質一個斜向上方的初速度，然后上層流道的水平層流又會帶著黑色雜質直接往出氣口的位置流動，此種上下流道的配合能避免打印大幅面切片數(shù)據(jù)時因黑顆粒重力作用而下落到切片數(shù)據(jù)另一端的弊端，起到更好的保護作用。

3、進氣裝置上下層流道均由多個薄板豎直隔開，使得每層氣流又豎直分開流動。且進氣裝置的出氣口處由多個小孔組成，小孔的目的是防止從流道過來的氣流由于長距離的運輸，各部分流速不同，造成進氣口附近形成紊流，不能有效吹走黑煙。其中上層流道出氣口孔直徑4mm，下層流道出氣口更狹小些，孔直徑3mm。

4、出氣裝置由5個流道組成，多流道同樣是為了防止氣流紊亂。出氣口處設計為弧形彎曲彎曲弧半徑為35mm，其目的是在氣流轉彎時能夠更好的過渡，更有益于氣流的流動。

5、進氣裝置兩側分別留有2個螺孔，具體安裝時可在工作倉內部相應位置留兩個螺孔與進氣裝置配合安裝，出氣裝置左側最終匯聚在一個四方形的匯聚口，可直接接入設備的吸氣過濾裝置。

6、進出氣裝置的擺放位置為平行列于成型基材兩側，由于進氣裝置距離基材的水平和豎直距離太遠會很難將黑煙等雜質完全吹走，距離太近又極易吹走基材上的粉層因此根據(jù)工藝經驗設計進氣裝置的左下角距離成型基材水平距離和豎直距離均為10mm；而出氣裝置的位置距離基材的水平和豎直距離太遠的話不能及時有效的吸走進氣裝置帶過來的黑色雜質，太近易吸走基材上的粉末，且由于進氣裝置具有5度角的傾斜向上，因此根據(jù)工藝經驗設計出氣裝置的右下角距離成型基材的水平距離10mm豎直距離5mm。

附圖說明

圖1選區(qū)激光熔化設備原理圖(其中包括：1、PC端 2、光纖激光器 3、光束隔離器 4、擴束鏡 5、振鏡 6、F-θ鏡 7、出氣口 8、刮刀 9、回收過濾系統(tǒng) 10、回收缸 11、成型缸 12、供粉缸)

圖2選區(qū)激光熔化設備成型倉部分結構圖(其中包括：13、刮刀 14、成型底板 15、進氣口 16、出氣口)

圖3選區(qū)激光熔化過程示意圖(其中包括：17、黑煙及金屬蒸汽等離子體 18、激光束 19、金屬顆粒)

圖4進氣口和出氣之間氣流流動示意圖

圖5.A進氣裝置正等側視圖(其中包括：20、預留螺孔)

圖5.B進氣裝置頂視圖

圖5.C進氣裝置下層氣道傾斜角度示意圖

圖5.D進氣裝置的實物圖展示

圖6.A出氣裝置正等側視圖

圖6.B出氣裝置前視圖

圖6.C出氣裝置頂視圖

圖6.D出氣裝置的實物圖展示

圖7進出氣裝置放置示意圖及傾斜氣流流動示意圖(其中包括：21、成型基材 22、出氣裝置 23、進氣裝置)

圖8.A發(fā)動機葉輪與打印基材示意圖

圖8.B發(fā)動機葉輪底面切片示意圖

具體實施方式

下面結合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的概述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

具體實施例：

本實施例是選區(qū)激光熔化設備中進出氣裝置在鋁合金發(fā)動機葉輪(圖8.A)的制造過程中的應用。眾所周知鋁合金粉末較其他金屬粉末輕，且流動性差鋪粉效果不好，易產生揚塵，因此在選區(qū)激光熔化的過程中熔池上方極易產生黑色煙霧，及火星飛濺等現(xiàn)象。且如圖8.B所示，部分發(fā)動機葉輪尺寸較大，因此底部的切片幅面較大。

當選擇一般的水平進氣與出氣裝置時，由于氣流沒有形成強大而穩(wěn)定的層流因此很難講大量的黑色顆粒與煙霧及時吹走，此時激光功率就會大幅衰減，造成底層粉末不能熔透，以及熔池形貌不規(guī)則。這不僅影響下層粉末的掃描融化更會容易使后來燒結的實體因應力作用而發(fā)生翹曲現(xiàn)象，阻擋刮刀刮粉，最終導致打印過程的終止。即使有些裝置可以將黑色煙霧和顆粒及時吹走，而不影響激光的功率，但是如圖8.B所示的葉輪切面，其幅面過大，進氣一側的氣流雖然將過燒的黑色顆粒帶離激光粉末相互作用區(qū)，但是黑顆粒依然會因為重力作用而下落到切片數(shù)據(jù)的另一側，從而影響下層粉末鋪粉精度和激光的燒結，影響成型件的內部性能，嚴重者可使打印過程停止。而選擇本發(fā)明中的進出氣裝置時，進氣口兩層穩(wěn)定的氣流形成的層流能輕易帶走激光粉末相互作用產生的黑煙等雜質，且下層氣流有斜向上方5度的傾角，使得下層層流具有斜向上的初速度即給黑色雜質一個斜向上的初速度，遇到上層平行的層流時被水平帶走。安裝時，出氣口略高于進氣口，出氣口的吸力會將進氣口帶來的黑色雜質斜向上吸走。這種裝置的實用不僅可以提高打印件的成型精度，且可以使得部分難加工的工件成功加工出來。

本發(fā)明的進出氣裝置，為了與打印機更好的裝配，都進行了設計，例如進氣口裝置兩端各有兩個螺孔，而出氣口裝置的一側留有一個四邊形的接口可以直接與設備的吸氣裝置連接。此種裝置是結合金屬打印的設備與工藝以及實際打印經驗研制而成，能使金屬打印工作更容易進行，提升打印工件性能，且擴大的金屬打印件的形狀范圍。此外此裝置制作材料廉價且易獲得，制作方法直接用不銹鋼薄板機加工即可，具有制作簡單、加工成本低、實用性強等優(yōu)點，適合大量生產，具有很大的經濟效益。