李金梁　　王洪波　張　　凱

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽 110168）

金屬選區(qū)燒結(jié)3D打印氣氛保護(hù)系統(tǒng)分析

李金梁王洪波張凱

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽 110168）

為了保證金屬選區(qū)燒結(jié)3D打印的成型質(zhì)量，就要給金屬選區(qū)燒結(jié)過程中氣氛保護(hù)，從而防止金屬在燒結(jié)過程中氧化。本文從理論上分析了金屬選區(qū)燒結(jié)3D打印機(jī)氣氛保護(hù)系統(tǒng)的原理及構(gòu)造，以及相應(yīng)的氣氛保護(hù)技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)增材制造成型技術(shù)的有發(fā)展提供借鑒和參考。

增材制造氣氛保護(hù)氧含量真空箱

引言

激光3D打?。ㄒ卜Q為增材制造）技術(shù)是近二十年來制造技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，其對(duì)制造業(yè)的影響力可以與二十世紀(jì)中期的數(shù)控機(jī)床相比。激光3D打印技術(shù)可直接快速制造復(fù)雜的功能零部件，在材料選擇、設(shè)計(jì)自由度以及產(chǎn)品研發(fā)等方面具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并能大大縮短加工周期，大幅減少制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間，該技術(shù)隨著近兩年3D打印以及數(shù)字制造概念的迅速升溫而越來越多的被市場(chǎng)所接受，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料切削成形，該技術(shù)所代表的增材制造方式是一種重大的創(chuàng)新，其本身也是應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新。

目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)發(fā)展很快，而目前國外設(shè)備價(jià)格高昂。因此，需要盡快完成設(shè)備的開發(fā)與技術(shù)儲(chǔ)備，降低設(shè)備制造成本，這樣在3D打印技術(shù)的應(yīng)用大范圍推廣中占據(jù)主動(dòng)，掌握先機(jī)。

影響激光選區(qū)熔化3D打印效果的因素很多，其中最主要的因素包括材料的成份、激光的功率、光斑直徑，掃描的速度、路徑、粉層厚度，工作環(huán)境中的氧含量、水含量，模型支撐的設(shè)置，鋪粉的平整性與穩(wěn)定性、舉升機(jī)構(gòu)的精度等。其中工作環(huán)境中的氧含量、水含量對(duì)成型的質(zhì)量也是最重要的參數(shù)，本文也重點(diǎn)研究在3D打印過程中，工作環(huán)境的水含量和氧含量的參數(shù)分析和實(shí)現(xiàn)氣氛保護(hù)的原理及結(jié)構(gòu)。

1氣氛技術(shù)指標(biāo)及分析

（1）真空箱可達(dá)到極限真空為 50Pa。

（2）抽氣速率：從大氣開始抽氣，在≤15分鐘內(nèi)，達(dá)到極限真空。

（3）充氣速率：在抽到極限真空后往工作腔內(nèi)充氬氣，工作腔內(nèi)有金屬粉末，充氣過程過快會(huì)引起工作環(huán)境的金屬粉塵飛濺，這樣會(huì)對(duì)內(nèi)部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣體的循環(huán)再生系統(tǒng)造成損害，所以充氣過程大約在20分鐘。

（4）氧含量：在充完氬氣的情況下氧含量在500PPM左右，然后在進(jìn)行循環(huán)除氧大約一個(gè)半小時(shí)能達(dá)到10PPM能夠滿足燒結(jié)要求。

（5）水含量：在充完氬氣的情況下水含量在80PPM，然后在進(jìn)行循環(huán)除水大約一個(gè)半小時(shí)能達(dá)到10PPM能過滿足燒結(jié)要求。

2　設(shè)備構(gòu)造

激光3D打印工作腔體采用密封真空腔體，同時(shí)腔體內(nèi)設(shè)有循環(huán)凈化除氧系統(tǒng)，采用可再生銅觸媒與分子篩循環(huán)凈化腔體中的氧氣與水分，并通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體中的氧與水分含量，由可編程控制器實(shí)時(shí)控制循環(huán)系統(tǒng)保證工作腔體中的氧含量小于10ppm。腔體中有精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行真空動(dòng)密封設(shè)計(jì)。

（1）真空手套箱。真空手套箱分上下兩室，上室為成型腔，下室為加工平臺(tái)升降驅(qū)動(dòng)室。上下兩室膠圈密封，螺栓聯(lián)接，兩室外有道通相聯(lián)保證兩室氣氛一致。

（2）成型腔（上室）。箱體材料為304不銹鋼材質(zhì)。前后開門，上蓋可打開（螺栓聯(lián)接，膠圈密封）。鋪金屬粉末，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌刮板對(duì)落料往復(fù)刮動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)由左側(cè)引入，需要側(cè)留有驅(qū)動(dòng)部分矩形法蘭安裝口，并保證法蘭端面與上室底部平面的垂直度公差不大于0.05mm。在上室兩側(cè)壁下方有循環(huán)氣體通道，通道口裝有除塵濾網(wǎng)，通道口為矩形口通過過渡接口轉(zhuǎn)成KF40法蘭，右側(cè)與下室相聯(lián)，左側(cè)聯(lián)接再生循環(huán)系統(tǒng)回氣管道；上室底部開有一個(gè)250×250mm方孔用于安裝成型平臺(tái)導(dǎo)向筒；上室底部設(shè)計(jì)焊接一個(gè)內(nèi)徑Φ38管道，用于上室內(nèi)各種電路走線 （自上室引至下室后與下到右側(cè)安裝的引線法蘭相接）并進(jìn)行密封。

上室上蓋：裝有Φ150的石英玻璃用入激光的射入；上蓋開有矩形口，用于安裝落料倉（膠圈密封），另外上蓋上需裝有一只24V 50W照明燈。上室前門處裝有兩只丁基手套并設(shè)計(jì)可掛裝手套的裝置，前面有一個(gè)觀察窗。

（3）成型平臺(tái)升降驅(qū)動(dòng)室（下室）。下室為垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)安置用途。自上室下方安裝粉料回收斗并穿過下室側(cè)壁與箱體外收集罐相聯(lián)，304不銹鋼材質(zhì)。通過上端矩形法蘭與上室相聯(lián)，前后開門。右側(cè)下方有8個(gè)KF40接口，其中3個(gè)為預(yù)留口，2個(gè)安裝KF40四芯引線法蘭，2個(gè)裝有8芯航空插頭，1個(gè)與循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)氣管道相聯(lián)。

（4）粉斗機(jī)構(gòu)：分粉倉與下粉通道兩部分。粉倉：倉蓋可打開，倉蓋上方有KF40法蘭接口用于安裝料罐（配有兩個(gè)KF40真空球閥），倉體下方落料口為扁口通過矩形法蘭安裝在上室上蓋。另倉蓋上方有一KF40法蘭通過管道與成型腔上蓋相聯(lián)使兩室相通，可調(diào)節(jié)高度的支座用于支撐料倉。

下粉通道：安裝于成型腔上蓋下方。

3循環(huán)再生系統(tǒng)

（1）凈化系統(tǒng)。凈化柱1個(gè)，使用銅催化劑和分子篩，吸附飽和后用含氫的氮?dú)饣驓鍤庠偕?，其中氫氣含量?%；低噪音、高效率日本松下循環(huán)風(fēng)機(jī)，流量80m3/h；電氣動(dòng)控制的循環(huán)主閥，KF40標(biāo)準(zhǔn)接口；所有氣路都由電磁閥控制，凈化柱再生完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

（2）控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)及觸摸屏式控制面板，實(shí)現(xiàn)以下功能：?jiǎn)捂I實(shí)現(xiàn)過渡艙多次抽充氣操作，自動(dòng)控制箱體壓力，自動(dòng)控制箱體氣氛，箱體氣氛自動(dòng)報(bào)警，避免不安全操作損壞設(shè)備或破壞箱體內(nèi)的氣氛；腳踏開關(guān)，用來調(diào)節(jié)箱內(nèi)的相對(duì)壓力。

（3）水氧指標(biāo)。H2O＜10ppm，O2＜10ppm（氧分析儀采用美國AII公司GPR1500型氧分析儀，測(cè)量范圍0～1000 ppm，精度0.2ppm。水分析儀采用美國Xentaur公司LPDT型水分析儀，測(cè)量范圍20～100℃，精度2℃。）

4結(jié)論

在3D打印過程中氣氛保護(hù)是必須要達(dá)到的條件，根據(jù)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)最后得出結(jié)論是：整體氣氛準(zhǔn)備時(shí)間包括抽真空、充氬氣、除氧除水循環(huán)凈化的時(shí)間大約是2個(gè)小時(shí)左右，而保護(hù)箱內(nèi)的氣體水含量可以達(dá)到≤10PPM、氧含量達(dá)到≤10PPM的潔凈度，這樣可以達(dá)到既提高工作效率又要保證成型質(zhì)量的平衡點(diǎn)。

AnalysisofMetalSelectiveSintering3DPrinting Atmosphere Protection System

LI Jinliang，WANG Hongbo，ZHANG Kai
（ShenyangSIASUNrobotautomationLimitedbyShareLtd，Shenyang 110168）

In order to ensure the forming quality of 3D printing in metal selective sintering process，it is to protect the metal during the sintering process，so as to prevent the metal from oxidation during the sintering process.The paper theoretically analyzed the principle and structureofthemetalselectivesintering3Dprinteratmosphere protectionsystem，andthecorrespondingatmosphereprotection technology index and data of experience，which provide reference and reference to increase in material fabrication technology of development.

increasingmaterialmanufacturing； atmosphere protection；oxygen content；vacuum box