金属选区烧结3D打印气氛保护系统分析

李金梁　　王洪波　张　　凯

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳 110168）

金属选区烧结3D打印气氛保护系统分析

李金梁王洪波张凯

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳 110168）

为了保证金属选区烧结3D打印的成型质量，就要给金属选区烧结过程中气氛保护，从而防止金属在烧结过程中氧化。本文从理论上分析了金属选区烧结3D打印机气氛保护系统的原理及构造，以及相应的气氛保护技术指标和经验数据，对增材制造成型技术的有发展提供借鉴和参考。

增材制造气氛保护氧含量真空箱

引言

激光3D打印（也称为增材制造）技术是近二十年来制造技术的一项重大突破，其对制造业的影响力可以与二十世纪中期的数控机床相比。激光3D打印技术可直接快速制造复杂的功能零部件，在材料选择、设计自由度以及产品研发等方面具有很大的竞争优势，并能大大缩短加工周期，大幅减少制造准备和数据转换的时间，该技术随着近两年3D打印以及数字制造概念的迅速升温而越来越多的被市场所接受，相对于传统的材料切削成形，该技术所代表的增材制造方式是一种重大的创新，其本身也是应用数字化技术的产品创新。

目前，3D打印技术应用在国内发展很快，而目前国外设备价格高昂。因此，需要尽快完成设备的开发与技术储备，降低设备制造成本，这样在3D打印技术的应用大范围推广中占据主动，掌握先机。

影响激光选区熔化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、光斑直径，扫描的速度、路径、粉层厚度，工作环境中的氧含量、水含量，模型支撑的设置，铺粉的平整性与稳定性、举升机构的精度等。其中工作环境中的氧含量、水含量对成型的质量也是最重要的参数，本文也重点研究在3D打印过程中，工作环境的水含量和氧含量的参数分析和实现气氛保护的原理及结构。

1气氛技术指标及分析

（1）真空箱可达到极限真空为 50Pa。

（2）抽气速率：从大气开始抽气，在≤15分钟内，达到极限真空。

（3）充气速率：在抽到极限真空后往工作腔内充氩气，工作腔内有金属粉末，充气过程过快会引起工作环境的金属粉尘飞溅，这样会对内部的执行机构和气体的循环再生系统造成损害，所以充气过程大约在20分钟。

（4）氧含量：在充完氩气的情况下氧含量在500PPM左右，然后在进行循环除氧大约一个半小时能达到10PPM能够满足烧结要求。

（5）水含量：在充完氩气的情况下水含量在80PPM，然后在进行循环除水大约一个半小时能达到10PPM能过满足烧结要求。

2　设备构造

激光3D打印工作腔体采用密封真空腔体，同时腔体内设有循环净化除氧系统，采用可再生铜触媒与分子筛循环净化腔体中的氧气与水分，并通过传感器实时监测腔体中的氧与水分含量，由可编程控制器实时控制循环系统保证工作腔体中的氧含量小于10ppm。腔体中有精密运动机构，需要进行真空动密封设计。

（1）真空手套箱。真空手套箱分上下两室，上室为成型腔，下室为加工平台升降驱动室。上下两室胶圈密封，螺栓联接，两室外有道通相联保证两室气氛一致。

（2）成型腔（上室）。箱体材料为304不锈钢材质。前后开门，上盖可打开（螺栓联接，胶圈密封）。铺金属粉末，由伺服电机驱动导轨刮板对落料往复刮动；驱动电机由左侧引入，需要侧留有驱动部分矩形法兰安装口，并保证法兰端面与上室底部平面的垂直度公差不大于0.05mm。在上室两侧壁下方有循环气体通道，通道口装有除尘滤网，通道口为矩形口通过过渡接口转成KF40法兰，右侧与下室相联，左侧联接再生循环系统回气管道；上室底部开有一个250×250mm方孔用于安装成型平台导向筒；上室底部设计焊接一个内径Φ38管道，用于上室内各种电路走线 （自上室引至下室后与下到右侧安装的引线法兰相接）并进行密封。

上室上盖：装有Φ150的石英玻璃用入激光的射入；上盖开有矩形口，用于安装落料仓（胶圈密封），另外上盖上需装有一只24V 50W照明灯。上室前门处装有两只丁基手套并设计可挂装手套的装置，前面有一个观察窗。

（3）成型平台升降驱动室（下室）。下室为垂直进给机构安置用途。自上室下方安装粉料回收斗并穿过下室侧壁与箱体外收集罐相联，304不锈钢材质。通过上端矩形法兰与上室相联，前后开门。右侧下方有8个KF40接口，其中3个为预留口，2个安装KF40四芯引线法兰，2个装有8芯航空插头，1个与循环系统进气管道相联。

（4）粉斗机构：分粉仓与下粉通道两部分。粉仓：仓盖可打开，仓盖上方有KF40法兰接口用于安装料罐（配有两个KF40真空球阀），仓体下方落料口为扁口通过矩形法兰安装在上室上盖。另仓盖上方有一KF40法兰通过管道与成型腔上盖相联使两室相通，可调节高度的支座用于支撑料仓。

下粉通道：安装于成型腔上盖下方。

3循环再生系统

（1）净化系统。净化柱1个，使用铜催化剂和分子筛，吸附饱和后用含氢的氮气或氩气再生，其中氢气含量为5%；低噪音、高效率日本松下循环风机，流量80m3/h；电气动控制的循环主阀，KF40标准接口；所有气路都由电磁阀控制，净化柱再生完全实现自动控制。

（2）控制系统。PLC控制系统及触摸屏式控制面板，实现以下功能：单键实现过渡舱多次抽充气操作，自动控制箱体压力，自动控制箱体气氛，箱体气氛自动报警，避免不安全操作损坏设备或破坏箱体内的气氛；脚踏开关，用来调节箱内的相对压力。

（3）水氧指标。H2O＜10ppm，O2＜10ppm（氧分析仪采用美国AII公司GPR1500型氧分析仪，测量范围0～1000 ppm，精度0.2ppm。水分析仪采用美国Xentaur公司LPDT型水分析仪，测量范围20～100℃，精度2℃。）

4结论

在3D打印过程中气氛保护是必须要达到的条件，根据反复的实验最后得出结论是：整体气氛准备时间包括抽真空、充氩气、除氧除水循环净化的时间大约是2个小时左右，而保护箱内的气体水含量可以达到≤10PPM、氧含量达到≤10PPM的洁净度，这样可以达到既提高工作效率又要保证成型质量的平衡点。

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