金属增材制造设备的气氛保护系统的制作方法

1.本实用新型涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种金属增材制造设备的气氛保护系统。


背景技术：

2.增材制造技术(additive manufacturing，am)是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接cad模型驱动、快速、材料类型丰富多样等优点的先进制造技术。其中，选择性激光熔化技术（selective laser melting，slm）是近年来迅速发展的增材制造技术之一，其基本过程如下：上送粉装置将一定量金属粉末送至工作台面，常规铺粉和刮刀机构将一层粉末材料平铺在成型缸已成型零件的上表面，振镜系统控制激光器按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉和刮刀机构又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。
3.在上述技术中，由于工作平面烧结产生的烟尘及飞溅物污染了工作腔，因此为了避免烟尘及飞溅物的污染，现有的金属增材制造设备一般引入惰性气体以将烟尘及飞溅物很好地吹走，然而，目前却缺少一种能够根据工作腔的环境自动调节气体含量，成本低且安全的气氛保护系统。


技术实现要素：

4.基于此，本实用新型提供了一种根据工作腔的环境自动调节气体含量，成本低且安全的金属增材制造设备的气氛保护系统。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种金属增材制造设备的气氛保护系统，包括中央控制器、集装式气控单元、报警单元、尾气过滤装置以及依次可选择性连通的工作腔、粗过滤器、精过滤器和风机，所述风机还与工作腔连通，所述尾气过滤装置还分别与粗过滤器和工作腔可选择性连通；其中，
6.所述工作腔上设有第一氧含量传感器、水含量传感器和第一压力传感器，所述粗过滤器上部装有反吹储气罐和脉冲反吹电磁阀，下部可选择性地连通反吹储渣罐；
7.所述中央控制器用于与第一氧含量传感器、水含量传感器、第一压力传感器、风机、报警单元和集装式气控单元相连；
8.所述集装式气控单元还分别通过气管向工作腔输入主保护气体或辅助保护气体，以及向粗过滤器充入保护气体，所述主保护气体的流量大于辅助保护气体的流量。
9.作为本实用新型的进一步优选方案，所述工作腔与粗过滤器之间设置有第二压力传感器，所述精过滤器和粗过滤器之间设置有第三压力传感器，所述中央控制器根据第二压力传感器和第三压力传感器实时监测的粗过滤器进出风管的管道风压判定是否对粗过滤器的滤芯开启反吹程序。
10.作为本实用新型的进一步优选方案，当粗过滤器的滤芯进行反吹程序后，第二压
力传感器和第三压力传感器监测的粗过滤器进出风管的管道风压在预设时间内持续处于报警值，中央控制器控制报警单元自动报警并提醒更换粗过滤器的滤芯。
11.作为本实用新型的进一步优选方案，所述集装式气控单元还通过气管向反吹储渣罐输入惰性气体，以在粗过滤器的滤芯开启反吹程序之前，提前对反吹储渣罐充入惰性气体保护。
12.作为本实用新型的进一步优选方案，所述尾气过滤装置的出气端设置有第二氧含量传感器，所述中央控制器根据第一氧含量传感器和第二氧含量传感器实时监测的氧气含量判定是否向工作腔停止输入主保护气体输入，而切换输入辅助保护气体。
13.作为本实用新型的进一步优选方案，所述工作腔和粗过滤器之间设置有第一气动蝶阀、所述粗过滤器和精过滤器之间设置有第二气动蝶阀、所述精过滤器和风机之间设置有第三气动蝶阀、所述尾气过滤装置的进气端与粗过滤器之间设置有第四气动蝶阀，出气端设置有第六气动蝶阀，所述粗过滤器和反吹储渣罐之间设置有第五气动蝶阀，且第一气动蝶阀、第二气动蝶阀、第三气动蝶阀、第四气动蝶阀、第五气动蝶阀和第六气动蝶阀均由集装式气控单元控制打开或关闭。
14.作为本实用新型的进一步优选方案，所述反吹储渣罐的上部设有手动气动蝶阀，所述反吹储渣罐上设有料位观察窗，以当反吹渣粉到达警示线后，将手动蝶阀关闭，并将手动蝶阀随反吹储渣罐一起取下。
15.作为本实用新型的进一步优选方案，所述工作腔和尾气过滤装置之间设有电磁阀，所述电磁阀由中央控制器控制打开或关闭。
16.作为本实用新型的进一步优选方案，所述粗过滤器上部装有两个反吹储气罐和四个脉冲反吹电磁阀。
17.作为本实用新型的进一步优选方案，所述工作腔的一端设有吹风口，用于与风机相连通；工作腔的另一端设有吸风口，用于与粗过滤器可选择性相连通。
18.本实用新型的金属增材制造设备的气氛保护系统，通过采用上述技术方案，具备以下有益效果：
19.1、本实用新型金属增材制造设备的气氛保护系统包括氧含量传感器、水含量传感器、压力传感器，在工作过程中所有的工艺参数均可在中央控制器中进行实时监控，以便于系统自动调节工作腔内的压力，实现恒压打印。金属增材制造设备气氛保护系统的含氧量可控制在100ppm以下，水含量可控制在5ppm以下，能够为金属增材制造设备的打印提供高气氛洁净度的环境。
20.2、本实用新型中粗过滤器装有反吹储气罐和脉冲反吹电磁阀，这样当粗过滤器的进出口压差达到一定值时进行自动反吹，从而将附着在滤芯外表面的渣粉吹落，进而大大提升了滤芯的使用寿命。
21.3、本实用新型的集装式气控单元分别通过气管向工作腔输入主保护气体或辅助保护气体，这样可当工作腔的氧含量值和压力低于或高于设置值时金属增材制造设备气氛保护系统会自动向工作腔由主保护气体输入切换为辅助保护气体输入，从而很大程度节约了保护气体的消耗量，即降低了生产成本。
附图说明
22.图1为本实用新型一实施例中的金属增材制造设备的气氛保护系统的系统框图。
23.附图说明：
24.1、工作腔，2、光学扫描系统，3、第一氧含量传感器，4、水含量传感器，5、第一压力传感器，6、第一气动蝶阀，7、粗过滤器，8、反吹储气罐，9、第二气动蝶阀，10、精过滤器，11、第三气动蝶阀，12、风机，13、第五气动蝶阀，14、手动蝶阀，15、反吹储渣罐，16、脉冲反吹电磁阀，17、第二氧含量传感器，18、尾气过滤装置，19、第六气动蝶阀，20、第三压力传感器，21、第二压力传感器，22、第四气动蝶阀，23、中央控制器，24、报警单元，25、集装式气控单元，26、电磁阀，a1、吹风口，a2、吸风口。
具体实施方式
25.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
27.在描述位置关系时，除非另有规定，否则当一元件被指为在另一元件“上”时，其能直接在其他元件上或亦可存在中间元件。亦可以理解的是，当元件被指为在两个元件“之间”时，其可为两个元件之间的唯一一个，或亦可存在一或多个中间元件。
28.在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由
……
组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
29.还应当理解的是，在解释元件时，尽管没有明确描述，但元件解释为包括误差范围，该误差范围应当由本领域技术人员所确定的特定值可接受的偏差范围内。例如，“大约”、“近似”或“基本上”可以意味着一个或多个标准偏差内，在此不作限定。
30.此外，附图并不是1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。
31.参阅附图1，本实用新型一实施例的金属增材制造设备的气氛保护系统，包括中央控制器23、集装式气控单元25、报警单元24、尾气过滤装置18以及依次可选择性连通的工作腔1、粗过滤器7、精过滤器10和风机12，所述风机12还与工作腔1连通，所述尾气过滤装置18还分别与粗过滤器7和工作腔1可选择性连通，具体地，所述工作腔1和尾气过滤装置18之间设有电磁阀26，所述电磁阀26由中央控制器23控制打开或关闭。以使在压力及对流作用下，工作腔1中空气及惰性气体的混合气即尾气经管道流入尾气过滤装置18，过滤后经管道排入大气；其中，
32.所述工作腔1上设有第一氧含量传感器3、水含量传感器4和第一压力传感器5，所述粗过滤器7上部装有反吹储气罐8和脉冲反吹电磁阀16，在图1提供的一实施例中，反吹储
气罐8为两个，脉冲反吹电磁阀16为四个（其中2个在图1中显示，另外两个由于被遮挡在图中未显示），下部可选择性地连通反吹储渣罐15；
33.所述中央控制器23用于与第一氧含量传感器3、水含量传感器4、第一压力传感器5、风机12、报警单元24和集装式气控单元25相连；具体地，中央控制器23通过各种信号线与各部件相连。
34.所述集装式气控单元25还分别通过气管向工作腔1输入主保护气体或辅助保护气体，以及向粗过滤器7充入保护气体，所述主保护气体的流量大于辅助保护气体的流量，具体地，主保护气体的流量可为辅助保护气体流量的8～10倍，且所述主保护气体和辅助保护气体可均为惰性气体。
35.具体实施中，所述工作腔1的一端设有吹风口a1，用于与风机12相连通；工作腔1的另一端设有吸风口a2，用于与粗过滤器7可选择性相连通。
36.在此需说明的是，上述各部件之间通过管路连接，例如，工作腔1的吸风口a2、粗过滤器7、精过滤器10、风机12以及出风口形成闭环管道回路。
37.为了提升粗过滤器7的滤芯使用寿命，优选地，所述工作腔1与粗过滤器7之间设置有第二压力传感器21，所述精过滤器10和粗过滤器7之间设置有第三压力传感器20，所述中央控制器23根据第二压力传感器21和第三压力传感器20实时监测的粗过滤器7进出风管的管道风压判定是否对粗过滤器7的滤芯开启反吹程序，如当粗过滤器7的进出口压差达到一定值（如1.5kpa.）时进行自动反吹，从而将附着在滤芯外表面的渣粉吹落，以提升滤芯的使用寿命。
38.进一步优选地，当粗过滤器7的滤芯进行反吹程序后，第二压力传感器21和第三压力传感器20监测的粗过滤器7进出风管的管道风压在预设时间（如30分钟）内持续处于报警值，中央控制器23控制报警单元24自动报警并提醒更换粗过滤器的滤芯，以避免多次反吹而达不到效果，不仅浪费时间，降低了工作效率，而且也可能影响金属增材制造设备的打印质量。
39.优选地，所述集装式气控单元25还通过气管向反吹储渣罐15输入惰性气体，以在粗过滤器7的滤芯开启反吹程序之前，提前对反吹储渣罐15充入惰性气体保护，以起到防爆作用，即更安全。
40.所述尾气过滤装置18的出气端设置有第二氧含量传感器17，所述中央控制器23根据第一氧含量传感器3和第二氧含量传感器17实时监测的氧气含量判定是否向工作腔1停止输入主保护气体输入，而切换输入辅助保护气体，这样可在保证工作腔1内氧含量在一定预设值的情况下，进一步节约保护气体的输入量。
41.具体实施中，所述工作腔1和粗过滤器7之间设置有第一气动蝶阀6、所述粗过滤器7和精过滤器10之间设置有第二气动蝶阀9、所述精过滤器10和风机12之间设置有第三气动蝶阀11、所述尾气过滤装置18的进气端与粗过滤器7之间设置有第四气动蝶阀22，出气端设置有第六气动蝶阀19，所述粗过滤器7和反吹储渣罐15之间设置有第五气动蝶阀13，且第一气动蝶阀6、第二气动蝶阀9、第三气动蝶阀11、第四气动蝶阀22、第五气动蝶阀13和第六气动蝶阀19均由集装式气控单元25控制打开或关闭，来控制系统气体的回路导通流向，当然，在具体实施中，还可以通过电磁阀26来控制系统气体的回路导通流向，在此不做具体阐述。
42.进一步优选地，所述反吹储渣罐15的上部设有手动气动蝶阀，所述反吹储渣罐15
上设有料位观察窗，以当反吹渣粉到达警示线后，将手动蝶阀14关闭，并将手动蝶阀14随反吹储渣罐15一起取下，而可将新的反吹储渣罐15和手动蝶阀14重新装上，并将手动蝶阀14打开，这样可实现了反吹储渣罐15的安全更换。
43.为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本实用新型的技术方案，下面对本实用新型的技术方案的工作过程进行具体阐述：
44.本实施例金属增材制造设备的气氛保护系统的保护方法为关闭工作腔1后，通过中央控制器23启动清洗程序，电磁阀26、第二气动蝶阀9、第三气动蝶阀11及第六气动蝶阀19打开，第一气动蝶阀6、第五气动蝶阀13、第四气动蝶阀22关闭，集装式气控单元25控制主保护气体和辅助保护气体流入工作腔1体和粗过滤器7，在压力及对流作用下，空气及惰性气体的混合气即尾气经管道流入尾气过滤装置18，过滤后经管道排入大气。
45.当第一氧含量传感器3、第二氧含量传感器17检测到氧气含量低于500ppm时，中央控制器23关闭清洗程序并开启净化程序。当净化程序开启后，集装式气控单元25控制停止向工作腔1输入主保护气体，而向工作腔1输入辅助保护气体，此时电磁阀26、第一气动蝶阀6、第五气动蝶阀13、第四气动蝶阀22、第六气动蝶阀19关闭，当工作腔1内的氧含量低于100ppm时，可以开启风机12。
46.当中央控制系器接收到开启风机12信号后，第三气动蝶阀11、第一气动蝶阀6、第二气动蝶阀9打开，第四气动蝶阀22、第五气动蝶阀13、第六气动蝶阀19关闭。当风机12开启并稳定后，设备即可开始工作状态。
47.设备在工作状态中，中央控制器23通过工作腔1上的第一氧含量传感器3、水含量传感器4、第二压力传感器21自动监测工作腔1内的氧含量、水含量及压力，超过设定值或低于设定值，中央控制器23会通过算法自动调节，间隙性向工作腔1输入辅助保护气体，当系统自动调节无法满足设备工作条件时，中央控制器23会控制报警单元24自动报警。
48.设备在工作状态中，中央控制器23通过第二压力传感器21、第三压力传感器20实时监测粗过滤器7进出风管的管道风压，当进出口压差到达设置值后，中央控制器23开启自动反吹程序；自动反吹程序开启后，光学扫描系统22停止出光，风机12暂停，第二气动蝶阀9、第一气动蝶阀6、第三气动蝶阀11关闭，集装式气控单元25将惰性流入反吹储气罐8，当反吹储气罐8中充入一定量的惰性气体后，第五气动蝶阀13、第四气动蝶阀22、第六气动蝶阀19打开，集装式气控单元25又将惰性气体流入反吹储渣罐15，为反吹渣粉提供惰性气体保护环境，当第二氧含量传感器17检测到尾气氧含量达到设定值后，停止向反吹储渣罐15吹入惰性气体，脉冲反吹电磁阀16得电打开。自动反吹程序结束后，脉冲反吹电磁阀16、第五气动蝶阀13、第四气动蝶阀22、第六气动蝶阀19关闭，第二气动蝶阀9、第三气动蝶阀11、第一气动蝶阀6打开，风机12开启，光学扫描系统2出光，设备恢复正常打印状态。当粗过滤器7进出风管的管道压差长时间处于报警值附近，并且自动反吹后压差没有明显下降后，中央控制器23会控制报警单元24自动报警并提醒更换粗过滤器7的滤芯。
49.反吹储渣罐15上设置有料位观察窗，反吹渣粉到达警示线后，需将手动蝶阀14关闭，手动蝶阀14随反吹储渣罐15一起取下，然后将新的反吹储渣罐15和手动蝶阀14重新装上，并将手动蝶阀14打开。
50.设备结束打印处于停机状态时，金属增材制造设备气氛保护系统的中央控制器23控制集装式气控单元25关闭所有气动蝶阀和进、排气电磁阀。
51.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
52.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。