本發(fā)明涉及激光選區(qū)熔化金屬3D打印(SLM)技術領域，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：
3D打印技術，也稱為增材制造技術，它的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)制造模式。激光選區(qū)熔化(SLM)技術是金屬3D打印的一種，其成型原理是將設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)制造技術相比，SLM技術突出的優(yōu)點之一是幾乎可以直接成型任意復雜結構且具有完全冶金結合的功能零件，致密度可達到近乎100％，其應用范圍已拓展到生物醫(yī)療、航空航天、汽車等領域。
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，氧化物對成型質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、熔道之間的冶金結合能力；同時在SLM成型的過程中經常激起一些煙氣，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物品上，對粉末、透光鏡、鋪粉機構都造成污染，降低了成型質量，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，使得成型室內的氧含量降到很低的水平。
采用SLM加工零件的過程中，會產生很大的熱應力，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，粉料缸和成型缸內表層金屬粉在未和激光發(fā)生作用時，溫度接近成型室內氣體的溫度。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，形成較大的熱應力和殘余應力，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。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，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表層金屬粉末進行預熱，大大減少加工層內和層間的溫度差，減小熱應力，從而減小SLM成型過程中的殘余應力和變形。
本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：
一種用于3D打印的保護氣體預熱裝置，包括保護外罩3、設置在保護外罩3內的真空預熱腔81、以及分別設置在真空預熱腔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內部設有兩路結構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，再由出氣口9進入成型室。
在氣體加熱通道13內設有多個相互間隔、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內的氣體被電加熱柱6加熱后進入真空預熱腔81內。
所述氣體加熱通道13的中部還設有一隔板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的內壁面上；第二預熱通道133內的溫度大于第一預熱通道132內的溫度；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，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之間設置有分流器2；分流器2將進入其內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有減壓閥11；氣體回收瓶14和供氣瓶15的出氣口均設有一閥門、并通過三通閥連接進氣口1。
所述真空預熱腔81是由真空玻璃內襯8合圍成的真空腔體；所述真空玻璃內襯8的外壁與保護外罩3之間設有石棉保溫層4。
所述真空預熱腔81內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內的氣壓，溫度檢測裝置7用于檢測真空預熱腔81內的溫度；在真空預熱腔81的出氣口9設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內的惰性氣體經過三通閥后，由進氣口1進入分流器2，在分流器2內分成兩路后，被送入各路氣體加熱通道13的第一預熱通道132內，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構成的梯級升溫及迂回流動路徑后，進入真空預熱腔81內，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內的氣壓高于設定值時，開啟減壓閥11將真空預熱腔81內高于設定值的惰性氣體，經過水冷玻璃管12降溫后送入氣體回收瓶14中儲存；待真空預熱腔81內的氣壓恢復至設定值或設定值以下時，關閉減壓閥11。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下的優(yōu)點及效果：
本發(fā)明真空預熱腔81設置了氣體加熱通道13；進入氣體加熱通道13內的氣體被電加熱柱6加熱后再進入真空預熱腔81內；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內的溫度大于第一預熱通道132內的溫度；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內的惰性氣體經過三通閥后，由進氣口1進入分流器2，在分流器2內分成兩路后，被送入各路氣體加熱通道13的第一預熱通道132內，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構成的梯級升溫及迂回流動路徑后，進入真空預熱腔81內，最后由出氣口9進入成型室。這種結構實現(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被預熱到比所需溫度，激光掃描時層間與層內的溫度梯度相對減小了，保證了零件的成型質量和精度。
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，這種結構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表層金屬粉末進行預熱，大大減少加工層內和層間的溫度差，減小熱應力，從而減小SLM成型過程中的殘余應力和變形。
本發(fā)明在第一預熱通道132和第二預熱通道133內設置了排布(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內溫度的情況，并通過溫度控制系統(tǒng)來調節(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氣壓的穩(wěn)定與安全，杜絕了密閉空間內高溫高壓氣體來來的安全隱患。
本發(fā)明還增設有一套氣體回收裝置，將預熱過程中真空預熱腔81內部的多余惰性氣體和SLM加工結束之后整個循環(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構示意圖。
具體實施方式
下面結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、設置在保護外罩3內的真空預熱腔81、以及分別設置在真空預熱腔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內部設有兩路結構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，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內設有多個相互間隔、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內的氣體被電加熱柱6加熱后進入真空預熱腔81內。
所述氣體加熱通道13的中部還設有一隔板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的內壁面上；第二預熱通道133內的溫度大于第一預熱通道132內的溫度；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，再由出氣口9進入成型室。這種結構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表層金屬粉末進行預熱，大大減少加工層內和層間的溫度差，減小熱應力，從而減小SLM成型過程中的殘余應力和變形。
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之間設置有分流器2；分流器2將進入其內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有減壓閥11；氣體回收瓶14和供氣瓶15的出氣口均設有一閥門、并通過三通閥連接進氣口1。將預熱過程中真空預熱腔81內部的多余惰性氣體和SLM加工結束之后整個循環(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是由真空玻璃內襯8合圍成的真空腔體；所述真空玻璃內襯8的外壁與保護外罩3之間設有石棉保溫層4。
所述真空預熱腔81內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內的氣壓，溫度檢測裝置7用于檢測真空預熱腔81內的溫度；在真空預熱腔81的出氣口9設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內的惰性氣體經過三通閥后，由進氣口1進入分流器2，在分流器2內分成兩路后，被送入各路氣體加熱通道13的第一預熱通道132內，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構成的梯級升溫及迂回流動路徑后，進入真空預熱腔81內，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內的氣壓高于設定值時，開啟減壓閥11將真空預熱腔81內高于設定值的惰性氣體，經過水冷玻璃管12降溫后送入氣體回收瓶14中儲存；待真空預熱腔81內的氣壓恢復至設定值或設定值以下時，關閉減壓閥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)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。