本發(fā)明涉及激光選區(qū)熔化金屬3D打印(SLM)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于3D打印的保護氣體預熱方法及裝置。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)制造模式。激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是金屬3D打印的一種，其成型原理是將設(shè)計的三維模型離散成一層一層的輪廓信息，控制激光束掃描金屬粉末形成熔道，熔道相互搭接形成層面，逐個層面堆疊成三維金屬零件。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，SLM技術(shù)突出的優(yōu)點之一是幾乎可以直接成型任意復雜結(jié)構(gòu)且具有完全冶金結(jié)合的功能零件，致密度可達到近乎100％，其應(yīng)用范圍已拓展到生物醫(yī)療、航空航天、汽車等領(lǐng)域。

SLM加工零件是一個高能量激光束與金屬粉末作用的過程，由于金屬材料在高溫下極易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，氧化物對成型質(zhì)量具有非常大的消極影響，使得材料潤濕性大大下降，阻礙了層與層之間、熔道之間的冶金結(jié)合能力；同時在SLM成型的過程中經(jīng)常激起一些煙氣，煙氣量將視材料以及成型工藝不同而不同，但總是很難避免。這些煙氣在長時間的成型過程中，會逐步積累在成型室內(nèi)物品上，對粉末、透光鏡、鋪粉機構(gòu)都造成污染，降低了成型質(zhì)量，甚至因為透光鏡受嚴重污染，造成成型中斷。所以為了防止金屬粉末在被激光光斑熔化的過程中發(fā)生氧化和減小煙塵對成型的影響，通常在整個成型過程中都要通入惰性氣體，一般是氬氣或氮氣，使得成型室內(nèi)的氧含量降到很低的水平。

采用SLM加工零件的過程中，會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，因為激光與金屬粉末的作用是一個快速熔化、快速凝固的過程，最高瞬時溫度甚至可以達到2000攝氏度以上，并且這個過程在極短的時間內(nèi)發(fā)生。通常，從標準貯氣瓶中釋放出來的氣體接近室溫，粉料缸和成型缸內(nèi)表層金屬粉在未和激光發(fā)生作用時，溫度接近成型室內(nèi)氣體的溫度。實際加工中，激光掃描粉末區(qū)域與非掃描粉末區(qū)域，掃描區(qū)域和成型室內(nèi)惰性氣體之間形成非常大的溫度梯度，材料收縮不一致，形成較大的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，使得零件在加工的過程中出現(xiàn)變形。加工過程中出現(xiàn)過大的熱應(yīng)力甚至可以導致支撐被拉斷，加工層出現(xiàn)嚴重的翹曲，既影響零件的形狀精度和尺寸精度，也會損壞柔性鋪粉刷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種用于3D打印的保護氣體預熱方法及裝置。本發(fā)明通過二次梯級加熱，使加熱后的惰性氣體更加穩(wěn)定，不僅減小了激光掃描區(qū)域與成型腔室內(nèi)氣體之間的溫度差，同時二次加熱后的惰性氣體可以持續(xù)對成型缸和粉料缸內(nèi)表層金屬粉末進行預熱，大大減少加工層內(nèi)和層間的溫度差，減小熱應(yīng)力，從而減小SLM成型過程中的殘余應(yīng)力和變形。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種用于3D打印的保護氣體預熱裝置，包括保護外罩3、設(shè)置在保護外罩3內(nèi)的真空預熱腔81、以及分別設(shè)置在真空預熱腔81一端的進氣口1和另一端的出氣口9；所述真空預熱腔81內(nèi)部設(shè)有兩路結(jié)構(gòu)相同的氣體加熱通道13；氣體由進氣口1進入氣體加熱通道13被加熱后進入真空預熱腔81內(nèi)，再由出氣口9進入成型室。

在氣體加熱通道13內(nèi)設(shè)有多個相互間隔、陣列排布的電加熱柱6；所述電加熱柱6的軸線垂直于氣體流動方向；進入氣體加熱通道13內(nèi)的氣體被電加熱柱6加熱后進入真空預熱腔81內(nèi)。

所述氣體加熱通道13的中部還設(shè)有一隔板131，該隔板131將氣體加熱通道13分割成第一預熱通道132和第二預熱通道133；電加熱柱6分布在第一預熱通道132和第二預熱通道133的內(nèi)壁面上；第二預熱通道133內(nèi)的溫度大于第一預熱通道132內(nèi)的溫度；第一預熱通道132和第二預熱通道133為氣體提供一個梯級升溫及迂回流動路徑；

氣體先進入第一預熱通道132進行初步預熱，初步預熱的氣體進入第二預熱通道133進行二次加熱升溫，完成二次加熱升溫后的氣體進入真空預熱腔81內(nèi)，再由出氣口9進入成型室。

分布在第二預熱通道133的電加熱柱6排布密度，大于第一預熱通道132的電加熱柱6排布密度。

進氣口1與兩路氣體加熱通道13之間設(shè)置有分流器2；分流器2將進入其內(nèi)的氣體分成兩路后分別送入各路氣體加熱通道13。

所述保護氣體預熱裝置還包括一個用于回收真空預熱腔81內(nèi)部氣體的氣體回收瓶14和一個用于給真空預熱腔81提供氣體的供氣瓶15；

氣體回收瓶14的進口通過帶有一水冷玻璃管12的管路連通真空預熱腔81，在真空預熱腔81與該管路的接口處設(shè)有減壓閥11；氣體回收瓶14和供氣瓶15的出氣口均設(shè)有一閥門、并通過三通閥連接進氣口1。

所述真空預熱腔81是由真空玻璃內(nèi)襯8合圍成的真空腔體；所述真空玻璃內(nèi)襯8的外壁與保護外罩3之間設(shè)有石棉保溫層4。

所述真空預熱腔81內(nèi)安裝有壓力檢測裝置5和溫度檢測裝置7；

壓力檢測裝置5用于檢測真空預熱腔81內(nèi)的氣壓，溫度檢測裝置7用于檢測真空預熱腔81內(nèi)的溫度；在真空預熱腔81的出氣口9設(shè)置有用于檢測氣體流量的流量計10。

上述用于3D打印的保護氣體預熱裝置對氣體進行預熱的方法如下：

惰性氣體的初步預熱步驟：

供氣瓶15和/或氣體回收瓶14內(nèi)的惰性氣體經(jīng)過三通閥后，由進氣口1進入分流器2，在分流器2內(nèi)分成兩路后，被送入各路氣體加熱通道13的第一預熱通道132內(nèi)，由電加熱柱6對其進行第一次預熱，完成惰性氣體的初步預熱；

惰性氣體的再次加熱步驟：

惰性氣體在第一預熱通道132內(nèi)完成初步預熱后，接著進入第二預熱通道133進行二次加熱，使進入第二預熱通道133內(nèi)的惰性氣體溫度大于在第一預熱通道132時的溫度；

惰性氣體依次在第一預熱通道132和第二預熱通道133構(gòu)成的梯級升溫及迂回流動路徑后，進入真空預熱腔81內(nèi)，最后由出氣口9進入成型室。

在保護氣體預熱裝置的工作過程中，當壓力檢測裝置5檢測到真空預熱腔81內(nèi)的氣壓高于設(shè)定值時，開啟減壓閥11將真空預熱腔81內(nèi)高于設(shè)定值的惰性氣體，經(jīng)過水冷玻璃管12降溫后送入氣體回收瓶14中儲存；待真空預熱腔81內(nèi)的氣壓恢復至設(shè)定值或設(shè)定值以下時，關(guān)閉減壓閥11。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明真空預熱腔81設(shè)置了氣體加熱通道13；進入氣體加熱通道13內(nèi)的氣體被電加熱柱6加熱后再進入真空預熱腔81內(nèi)；氣體加熱通道13包括了第一預熱通道132和第二預熱通道133；第二預熱通道133內(nèi)的溫度大于第一預熱通道132內(nèi)的溫度；第一預熱通道132和第二預熱通道133為氣體提供一個梯級升溫及迂回流動路徑。供氣瓶15和/或氣體回收瓶14內(nèi)的惰性氣體經(jīng)過三通閥后，由進氣口1進入分流器2，在分流器2內(nèi)分成兩路后，被送入各路氣體加熱通道13的第一預熱通道132內(nèi)，由電加熱柱6對其進行第一次預熱，接著進入第二預熱通道133進行二次加熱，使進入第二預熱通道133內(nèi)的惰性氣體溫度大于在第一預熱通道132時的溫度；惰性氣體依次在第一預熱通道132和第二預熱通道133構(gòu)成的梯級升溫及迂回流動路徑后，進入真空預熱腔81內(nèi)，最后由出氣口9進入成型室。這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對惰性氣體的梯級加熱，使惰性氣體加熱溫度穩(wěn)步上升，氣體流動平穩(wěn)，進而對金屬3D打印(SLM)加工過程中所通的(保護)惰性氣體進行預熱。當激光掃描金屬粉末的時候，由于進入成型室掃描層的金屬粉末和惰性氣體已經(jīng)被預熱到比所需溫度，激光掃描時層間與層內(nèi)的溫度梯度相對減小了，保證了零件的成型質(zhì)量和精度。

具體說，本發(fā)明利用第一預熱通道132和第二預熱通道133，可對惰性氣體在通入成型室前進行預熱，包含了預熱與在加熱過程，這種結(jié)構(gòu)不僅增加了惰性氣體在進入真空預熱腔的路徑，而且通過逐次梯級加熱的方法，使加熱后的惰性氣體更加穩(wěn)定，不僅減小了激光掃描區(qū)域與成型腔室內(nèi)氣體之間的溫度差，同時二次加熱后的惰性氣體可以持續(xù)對成型缸和粉料缸內(nèi)表層金屬粉末進行預熱，大大減少加工層內(nèi)和層間的溫度差，減小熱應(yīng)力，從而減小SLM成型過程中的殘余應(yīng)力和變形。

本發(fā)明在第一預熱通道132和第二預熱通道133內(nèi)設(shè)置了排布(交錯)密度不同的電加熱柱，電加熱柱6的軸線垂直于惰性氣體流動方向；這種排布電加熱柱不僅具備加熱作用，而且還能起到對惰性氣體的擾流作用，進一步增加了惰性氣體在氣體加熱通道13內(nèi)的行程及與電加熱柱6接觸的時間，而且還為對惰性氣體在進入真空預熱腔81內(nèi)之前，先提供一個緩沖的作用，使其更加穩(wěn)定。

本發(fā)明在真空預熱腔81內(nèi)安裝有壓力檢測裝置5和溫度檢測裝置7；通過溫度檢測裝置7，實時監(jiān)控與檢測真空預熱腔81內(nèi)溫度的情況，并通過溫度控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電加熱柱6上電流的大小，實現(xiàn)加熱效率的實時改變，保證真空預熱腔81內(nèi)的惰性氣體溫度的穩(wěn)定。壓力檢測裝置5用于實時檢測真空預熱腔81內(nèi)的氣壓，保證了真空預熱腔81的保持穩(wěn)定的工作壓力；并在真空預熱腔81的腔壁上安裝了減壓閥，進一步維持加熱腔室內(nèi)氣壓的穩(wěn)定與安全，杜絕了密閉空間內(nèi)高溫高壓氣體來來的安全隱患。

本發(fā)明還增設(shè)有一套氣體回收裝置，將預熱過程中真空預熱腔81內(nèi)部的多余惰性氣體和SLM加工結(jié)束之后整個循環(huán)氣路中殘存的高溫高壓氣體收集存儲起來供下次加工繼續(xù)使用，防止了資源浪費。惰性氣體回收過程中，為了安全起見，在回收管路上設(shè)置了一氣體冷卻裝置(水冷玻璃管)對回收的惰性氣體在進入氣體回收瓶存儲之前進行降溫冷卻。

本發(fā)明技術(shù)手段簡便易行，造價低廉，為3D打印(SLM)加工過程中成型件的加工精度，提供了保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于3D打印的保護氣體預熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖1所示。本發(fā)明公開了一種用于3D打印的保護氣體預熱裝置，包括保護外罩3、設(shè)置在保護外罩3內(nèi)的真空預熱腔81、以及分別設(shè)置在真空預熱腔81一端的進氣口1和另一端的出氣口9；所述真空預熱腔81內(nèi)部設(shè)有兩路結(jié)構(gòu)相同的氣體加熱通道13；氣體由進氣口1進入氣體加熱通道13被加熱后進入真空預熱腔81內(nèi)，再由出氣口9進入成型室。所述氣體一般是指惰性氣體。

在氣體加熱通道13內(nèi)設(shè)有多個相互間隔、陣列排布的電加熱柱6；所述電加熱柱6的軸線垂直于氣體流動方向；進入氣體加熱通道13內(nèi)的氣體被電加熱柱6加熱后進入真空預熱腔81內(nèi)。

所述氣體加熱通道13的中部還設(shè)有一隔板131，該隔板131將氣體加熱通道13分割成第一預熱通道132和第二預熱通道133；電加熱柱6分布在第一預熱通道132和第二預熱通道133的內(nèi)壁面上；第二預熱通道133內(nèi)的溫度大于第一預熱通道132內(nèi)的溫度；第一預熱通道132和第二預熱通道133為氣體提供一個梯級升溫及迂回流動路徑；氣體先進入第一預熱通道132進行初步預熱，初步預熱的氣體進入第二預熱通道133進行二次加熱升溫，完成二次加熱升溫后的氣體進入真空預熱腔81內(nèi)，再由出氣口9進入成型室。這種結(jié)構(gòu)不僅增加了惰性氣體在進入真空預熱腔的路徑，而且通過逐次梯級加熱的方法，使加熱后的惰性氣體更加穩(wěn)定，不僅減小了激光掃描區(qū)域與成型腔室內(nèi)氣體之間的溫度差，同時二次加熱后的惰性氣體可以持續(xù)對成型缸和粉料缸內(nèi)表層金屬粉末進行預熱，大大減少加工層內(nèi)和層間的溫度差，減小熱應(yīng)力，從而減小SLM成型過程中的殘余應(yīng)力和變形。

分布在第二預熱通道133的電加熱柱6排布密度，大于第一預熱通道132的電加熱柱6排布密度。這種布局不僅可使氣體逐漸加熱，而且能對氣流在進入真空預熱腔81前，起到緩沖過渡的作用。

進氣口1與兩路氣體加熱通道13之間設(shè)置有分流器2；分流器2將進入其內(nèi)的氣體分成兩路后分別送入各路氣體加熱通道13。

所述保護氣體預熱裝置還包括一個用于回收真空預熱腔81內(nèi)部氣體的氣體回收瓶14和一個用于給真空預熱腔81提供氣體的供氣瓶15；氣體回收瓶14的進口通過帶有一水冷玻璃管12的管路連通真空預熱腔81，在真空預熱腔81與該管路的接口處設(shè)有減壓閥11；氣體回收瓶14和供氣瓶15的出氣口均設(shè)有一閥門、并通過三通閥連接進氣口1。將預熱過程中真空預熱腔81內(nèi)部的多余惰性氣體和SLM加工結(jié)束之后整個循環(huán)氣路中殘存的高溫高壓氣體收集存儲起來供下次加工繼續(xù)使用，防止了資源浪費。水冷玻璃管12使惰性氣體回收過程中，為了安全起見，對惰性氣體在進入氣體回收瓶存儲之前進行降溫冷卻。

所述真空預熱腔81是由真空玻璃內(nèi)襯8合圍成的真空腔體；所述真空玻璃內(nèi)襯8的外壁與保護外罩3之間設(shè)有石棉保溫層4。

所述真空預熱腔81內(nèi)安裝有壓力檢測裝置5和溫度檢測裝置7；壓力檢測裝置5用于檢測真空預熱腔81內(nèi)的氣壓，溫度檢測裝置7用于檢測真空預熱腔81內(nèi)的溫度；在真空預熱腔81的出氣口9設(shè)置有用于檢測氣體流量的流量計10。

本發(fā)明對氣體進行預熱的方法可通過如下步驟實現(xiàn)：

供氣瓶15和/或氣體回收瓶14內(nèi)的惰性氣體經(jīng)過三通閥后，由進氣口1進入分流器2，在分流器2內(nèi)分成兩路后，被送入各路氣體加熱通道13的第一預熱通道132內(nèi)，由電加熱柱6對其進行第一次預熱，完成惰性氣體的初步預熱；

惰性氣體在第一預熱通道132內(nèi)完成初步預熱后，接著進入第二預熱通道133進行二次加熱，使進入第二預熱通道133內(nèi)的惰性氣體溫度大于在第一預熱通道132時的溫度；

惰性氣體依次在第一預熱通道132和第二預熱通道133構(gòu)成的梯級升溫及迂回流動路徑后，進入真空預熱腔81內(nèi)，最后由出氣口9進入成型室。

在保護氣體預熱裝置的工作過程中，當壓力檢測裝置5檢測到真空預熱腔81內(nèi)的氣壓高于設(shè)定值時，開啟減壓閥11將真空預熱腔81內(nèi)高于設(shè)定值的惰性氣體，經(jīng)過水冷玻璃管12降溫后送入氣體回收瓶14中儲存；待真空預熱腔81內(nèi)的氣壓恢復至設(shè)定值或設(shè)定值以下時，關(guān)閉減壓閥11。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。