风场自适应调节的增材制造设备及其风场控制方法

摘要

一种风场自适应调节的增材制造设备及其风场控制方法，其中，风场自适应调节的增材制造设备包括工作腔、振镜系统、激光器、风机和控制单元，所述工作腔的两个相对侧壁上分别设有吸风口和吹风口，以使风机产生的风通过吹风口吹入工作腔，并通过吸风口吸走，所述控制单元用于接收并根据工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置判断是否需要控制工作平面上升或下降，且当控制工作平面上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧结工作稳定。本发明可在风场不能改变的前提下，保证工件的烧结质量，即满足工件性能需求；而且，本发明的风速固定，相比于通过增加风速保证扫描质量的现有技术来说，本申请节约了成本。

权利要求

1.一种风场自适应调节的增材制造设备，其特征在于，包括工作腔、振镜系统、激光器、风机和控制单元，所述工作腔的两个相对侧壁上分别设有吸风口和吹风口，以使风机产生的风通过吹风口吹入工作腔，并通过吸风口吸走，所述控制单元用于接收并根据工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置判断是否需要控制工作平面上升或下降，且当控制工作平面上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧结工作稳定；其中，所述控制单元用于接收并根据工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置判断是否需要控制工作平面上升或下降具体包括：当烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置相同时，控制工作平面不需要进行上下运动；

当烟尘或飞溅物的最高点位置低于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面进行上升以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置；

当烟尘或飞溅物的最高点位置高于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面进行下降以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置。

2.根据权利要求1所述的风场自适应调节的增材制造设备，其特征在于，所述吹风口和吸风口位于相同高度，且均为具有多个气孔的网状结构。

3.根据权利要求1所述的风场自适应调节的增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备包括摄像仪，用于获取工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置。

4.根据权利要求1所述的风场自适应调节的增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备还包括循环过滤机构，用于与吸风口和风机相连通，以将通过吸风口吸进的带有烟尘和飞溅物的风经过循环过滤机构后输送到风机。

5.根据权利要求1至4任一项所述的风场自适应调节的增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备包括用于支撑工作平面的成型缸和活塞机构，以通过控制活塞机构的上升或下降驱动工作平面进行上升或下降运动。

6.一种权利要求1至5任一项所述的风场自适应调节的增材制造设备的风场控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置；

步骤二、将烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置进行比较，以根据比较结果判断是否需要控制工作平面上升或下降；

步骤三、当控制工作平面上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧结工作稳定；其中，

根据比较结果判断是否需要控制工作平面上升或下降具体包括：当烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置相同时，控制工作平面不需要进行上下运动；

当烟尘或飞溅物的最高点位置低于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面进行上升以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置；

当烟尘或飞溅物的最高点位置高于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面进行下降以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置。

7.根据权利要求6所述的风场控制方法，其特征在于，所述预存的烟尘或飞溅物的理想位置通过以下方式获取：

控制工作平面进行上下运动并停留在多个不同高度位置进行工件烧结，同时依次记录工作平面停留在每一位置进行工件烧结的粉面质量；

选取粉面质量最好时工作平面所停留的位置对应的烟尘或飞溅物的最高点位置，并将该最高点位置记录为预存的烟尘或飞溅物的理想位置。

8.根据权利要求6‑7任一项所述的风场控制方法，其特征在于，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一层的工作平面采用的扫描工艺相同时，不启动上述权利要求6至7任一项所述的风场自适应调节的增材制造设备的风场控制方法。

9.根据权利要求6‑7任一项所述的风场控制方法，其特征在于，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一层的工作平面采用的扫描工艺不相同时，启动上述权利要求6至7任一项所述的风场自适应调节的增材制造设备的风场控制方法。

说明书

风场自适应调节的增材制造设备及其风场控制方法

技术领域

[0001] 本申请涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种风场自适应调节的增材制造设备及其风场控制方法。

背景技术

[0002] 增材制造技术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鲜明特点的先进制造技术，由于其不受零件形状复杂程度的限制，
不需要任何的工装模具，因此应用范围非常广。选区激光熔融技术（Selective Laser 
Melting，简称SLM）是近年来发展迅速的增材制造技术之一，其以粉末材料为原料，采用激
光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要
任何的工装模具，应用范围广。选择性激光熔融工艺的基本过程是：送粉装置将一定量粉末
送至工作平台面，铺粉装置将一层粉末材料平铺在成型缸底板或已成型零件的上表面，激
光振镜系统控制激光以一个近似不变的光斑大小和光束能量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，
工作平台下降一个层的厚度，铺粉装置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。

[0003] 在选区激光熔融设备中，工作腔需要充入惰性气体。目前，风场的出风口和吸风口一般是固定设置。而当设备打印不同的金属粉末，或者采用不同的扫描工艺等，工作平面烧
结产生的烟尘及飞溅物（包括激光烧结粉末飞溅的大颗粒物质和火花）的高度不同，由于经
出风口吹出的风在不同的高度下风速不一样，从而使得位于不同高度的烟尘及飞溅物对应
不同的风速，这样则可能导致某些材料或者某些扫描工艺等烧结产生的烟尘及激光烧结粉
末由于位于的高度风速较低而不能够很好地被风吹走，从而造成激光烧结粉末飞溅的大颗
粒物质落在粉面上，进而影响下一层工件烧结的质量及性能。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种很好地吹走工作平面烧结产生的烟尘及飞溅物，从而保证工件烧结质量稳定的风场自适应调节的增材制造设备及其风场控制
方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种风场自适应调节的增材制造设备，包括工作腔、振镜系统、激光器、风机和控制单元，所述工作腔的两个相对侧壁上分别设有吸风口和
吹风口，以使风机产生的风通过吹风口吹入工作腔，并通过吸风口吸走，所述控制单元用于
接收并根据工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置判断是否需要控制工作平面
上升或下降，且当控制工作平面上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧
结工作稳定。

[0006] 作为本发明的进一步优选方案，所述吹风口和吸风口位于相同高度，且均为具有多个气孔的网状结构。

[0007] 作为本发明的进一步优选方案，所述增材制造设备包括摄像仪，用于获取工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置。

[0008] 作为本发明的进一步优选方案，所述增材制造设备还包括循环过滤机构，用于与吸风口和风机相连通，以将通过吸风口吸进的带有烟尘和飞溅物的风经过循环过滤机构后
输送到风机。

[0009] 作为本发明的进一步优选方案，所述增材制造设备包括用于支撑工作平面的成型缸和活塞机构，以通过控制活塞机构的上升或下降驱动工作平面进行上升或下降运动。

[0010] 本发明还提供了一种风场自适应调节的增材制造设备的风场控制方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤一、获取工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置；

[0012] 步骤二、将烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置进行比较，以根据比较结果判断是否需要控制工作平面上升或下降；

[0013] 步骤三、当控制工作平面上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧结工作稳定。

[0014] 作为本发明的进一步优选方案，所述预存的烟尘或飞溅物的理想位置通过以下方式获取：

[0015] 控制工作平面进行上下运动并停留在多个不同高度位置进行工件烧结，同时依次记录工作平面停留在每一位置进行工件烧结的粉面质量；

[0016] 选取粉面质量最好时工作平面所停留的位置对应的烟尘或飞溅物的最高点位置，并将该最高点位置记录为预存的烟尘或飞溅物的理想位置。

[0017] 作为本发明的进一步优选方案，根据比较结果判断是否需要控制工作平面上升或下降具体包括：

[0018] 当烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置相同时，控制工作平面不需要进行上下运动；

[0019] 当烟尘或飞溅物的最高点位置低于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面进行上升以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置；

[0020] 当烟尘或飞溅物的最高点位置高于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面进行下降以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置。

[0021] 作为本发明的进一步优选方案，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一层的工作平面采用的扫描工艺相同时，不启动上述任一项所述的风场自适应调节的增材制
造设备的风场控制方法。

[0022] 作为本发明的进一步优选方案，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一层的工作平面采用的扫描工艺不相同时，启动上述任一项所述的风场自适应调节的增材制
造设备的风场控制方法。

[0023] 本发明的风场自适应调节的增材制造设备及其风场控制方法，其中，风场自适应调节的增材制造设备通过包括工作腔、振镜系统、激光器、风机和控制单元，所述工作腔的
两个相对侧壁上分别设有吸风口和吹风口，以使风机产生的风通过吹风口吹入工作腔，并
通过吸风口吸走，所述控制单元用于接收并根据工作平面烧结产生的烟尘或飞溅物的最高
点位置判断是否需要控制工作平面上升或下降，且当控制工作平面上升或下降时，调节振
镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧结工作稳定，使得本发明可在风场不能改变的前提下，
保证工件的烧结质量，即满足工件性能需求；而且，本发明的风速固定，相比于通过增加风
速保证扫描质量的现有技术来说，本发明节约了成本。

附图说明

[0024] 图1为本发明风场自适应调节的增材制造设备提供的一实施例的结构示意图；

[0025] 图2为本发明风场自适应调节的增材制造设备的风场控制方法提供的一实施例的方法流程图。

[0026] 图中：

[0027] 1、工作平面， 2、活塞机构，3、吹风口，4、吸风口，5、激光器，6、风机，7、循环过滤机构。

具体实施方式

[0028] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不
用于限定本申请。

[0029] 如图1所示，本发明提供了一种风场自适应调节的增材制造设备，包括工作腔、振镜系统、激光器5、风机6和控制单元，所述工作腔的两个相对侧壁上分别设有吸风口4和吹
风口3，以使风机6产生的风通过吹风口3吹入工作腔，并通过吸风口4吸走，所述控制单元用
于接收并根据工作平面1烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位置判断是否需要控制工作平
面1上升或下降，且当控制工作平面1上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系
统烧结工作稳定。

[0030] 由于工作平面1上升或下降，使得工作平面1与激光器5的距离改变，因此，为了在工作平面1上升或下降后保证扫描系统烧结的工作稳定，需要重新设置振镜系统的烧结参
数，以使得激光重新适合于工件的扫描烧结，例如，很好地保证激光的动态聚焦，具体实施
中，可以通过预先通过实验获得一组工作平面1处于不同位置所分别对应的烧结参数，这样
当工作平面1移动后，可以根据工作平面1当前的位置快速查询对应的烧结参数，从而快速
对振镜系统的烧结参数进行调节，以使扫描系统烧结工作稳定。

[0031] 优选地，所述吹风口3和吸风口4位于相同高度，且均为具有多个气孔的网状结构，这样不仅布局合理，美观，而且也便于获取工作平面1烧结产生的烟尘或飞溅物的最高点位
置。在此需说明的是，本申请中的烟尘或飞溅物的最高点位置是指烟尘或飞溅物浓度最高
的位置，具体实施中，可通过摄像仪进行获取，当然还可以通过现有技术其它器件获取并分
析得到，优选地，还可以由现有技术器件并结合人为分析处理得到，准确性更高。

[0032] 优选地，为了节约风量以及避免环境污染，所述增材制造设备还包括循环过滤机构7，用于与吸风口4和风机6相连通，以将通过吸风口4吸进的带有烟尘和飞溅物的风经过
循环过滤机构7后输送到风机6。

[0033] 具体实施中，所述增材制造设备包括用于支撑工作平面1的成型缸和活塞机构2，以通过控制活塞机构2的上升或下降驱动工作平面1进行上升或下降运动。当然，所述工作
平面1还可以由其它部件进行驱动，即可通过控制其它部件来控制工作平面1进行运动，也
就是说只要目的是控制工作平面1进行上升或下降便可以。

[0034] 如图2所示，本发明还提供了一种风场自适应调节的增材制造设备的风场控制方法，包括以下步骤：

[0035] 步骤22、将烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置进行比较，以根据比较结果判断是否需要控制工作平面1上升或下降；

[0036] 步骤23、当控制工作平面1上升或下降时，调节振镜系统的烧结参数，以使扫描系统烧结工作稳定。

[0037] 具体实施中，所述预存的烟尘或飞溅物的理想位置通过以下方式获取：

[0038] 控制工作平面1进行上下运动并停留在多个不同高度位置进行工件烧结，同时依次记录工作平面1停留在每一位置进行工件烧结的粉面质量；

[0039] 选取粉面质量最好时工作平面1所停留的位置对应的烟尘或飞溅物的最高点位置，并将该最高点位置记录为预存的烟尘或飞溅物的理想位置。在此需说明的是，选取粉面
质量最好时工作平面1所停留的位置对应的烟尘或飞溅物的最高点位置是指选取粉面质量
最好时工作平面1所停留的位置，该位置时工作平面上的烟尘或飞溅物所处的最高点位置。

[0040] 上述根据比较结果判断是否需要控制工作平面1上升或下降具体包括：

[0041] 当烟尘或飞溅物的最高点位置与预存的烟尘或飞溅物的理想位置相同时，控制工作平面1不需要进行上下运动；

[0042] 当烟尘或飞溅物的最高点位置低于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面1进行上升以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置（此处是指工作平面1上升后，其上
的烟尘或飞溅物的最高点位置达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置）；

[0043] 当烟尘或飞溅物的最高点位置高于预存的烟尘或飞溅物的理想位置时，控制工作平面1进行下降以达到预存的烟尘或飞溅物的理想位置。

[0044] 本申请的风场自适应调节的增材制造设备可在每一层进行执行，但是，为了进一步节约打印时间，简易打印工艺，优选地，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一
层的工作平面1采用的扫描工艺相同时，则可不启动上述任一实施例所述的风场自适应调
节的增材制造设备的风场控制方法。因为，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一
层的工作平面1采用的扫描工艺相同时，此时烟尘或飞溅物的最高点位置与上一层相同，这
样就没有必要调整工作平面1的位置，因此，该优选方案在保证扫描质量的前提下，进一步
提高了工作效率。

[0045] 然而，同理，当采用同一种材料打印工件时，当当前层与上一层的工作平面1采用的扫描工艺不相同时，则需启动上述任一实施例所述的风场自适应调节的增材制造设备的
风场控制方法。

[0046] 为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面以一实施例的方式对本发明进行详细阐述。

[0047] 针对材料A、材料B和材料C，假如采用的烧结参数固定，由于在进行烧结过程中材料A产生的烟尘和飞溅的颗粒物的高度为H1，在进行烧结过程中材料B产生的烟尘和飞溅的
颗粒物的高度为H2，在进行烧结过程中材料C产生的烟尘和飞溅的颗粒物的高度为H3，烟尘
和飞溅颗粒物产生高度的关系为H1则风机6工作时，进行材料A烧结，材料B材料C烧结时，风机6带走烟尘的能力不同，则烧结出
来的工件的质量存在差异。如果H2高度刚好适应现有的风场的高度，在材料B烧结出的工件
质量可以满足工件性能的需求。

[0048] 在进行材料A烧结时，烟尘和飞溅的颗粒物产生的高度为H1，此时在现有的风场的基础上，要达到满足的烧结效果，需要将H1的高度和H2的高度保持一致，此时调整的方法是
通过驱动活塞机构2将工作平面1提升H2‑H1高度，将材料A烧结产生的烟尘和飞溅的颗粒物
的高度保持在H2的高度，这样可以保证烧结出来的工件质量。

[0049] 在进行材料C烧结时，烟尘和飞溅的颗粒物产生的高度为H3，此时在现有的风场的基础上，要达到满足的烧结效果，需要将H3的高度和H2的高度保持一致，此时调整的方法是
通过驱动活塞机构2将工作平面1下降H3‑H2高度，将材料C烧结产生的烟尘和飞溅的颗粒物
的高度保持在H2的高度，这样可以保证烧结出来的工件质量。

[0050] 同理，对于同一种材料，如果针对不同的扫描工艺进行工件烧结时，也可以通过驱动活塞机构2将工作平面1进行上升或下降运动，目的是保持烧结产生的烟尘和颗粒物在吹
风口3和吸风口4的作用，将粉末上的烟尘和颗粒物带走，不对扫描面及下一层扫描面的质
量产生影响。

[0051] 以上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。

[0052] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护
范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。