一种用于SLM设备的渐缩均压式非接触吸粉腔及吸粉方法与流程

本发明涉及激光选区熔化（slm）增材制造，具体涉及一种用于slm设备的铺粉整平与金属粉末回收装置及方法。

背景技术：

1、激光选区熔化（slm）工艺依靠高功率激光逐层熔化金属粉末成形精密零件，每层金属粉末的厚度均匀性与表面平整度直接影响打印件的致密度和尺寸精度。slm打印过程中，薄壁或大平面金属零件易出现翘曲、凸起变形，传统刚性刮刀整平时，刀刃会直接撞击翘曲工件，造成零件表面划伤、刮刀崩损，增加停机维护成本与零件报废率。

2、为解决上述问题，行业逐步采用负压吸粉方式替代刚性刮刀，通过抽吸过量铺粉实现无接触层厚控制。但现有负压吸粉结构在适配大幅面slm设备时存在以下问题：

3、其一，现有吸粉腔多采用等截面流道或单侧集中出粉结构。金属粉气气流由粉床两端向负压接口持续汇集，流量沿宽度方向不断累积，而腔体通流面积恒定，导致粉床中央区域抽吸强度过大、两端抽吸流量衰减，造成slm打印层厚左右偏差。

4、其二，部分吸粉结构采用多离散独立粉道、隔板或小孔阵列分配气流。隔板根部、小孔边缘及截面突变位置易滞留金属粉末，对于流动性较差的不锈钢或钛合金粉末，极易造成管路堵塞，破坏成型腔惰性气氛，增加粉末氧化风险。

5、其三，金属粉气混合腔体与排粉管路衔接处普遍存在直角台阶或急转弯截面突变，气流流经时产生回流涡流与局部高压损，金属颗粒高速撞击壁面后沉积结块，进一步加剧堵塞并增大负压风机能耗。

6、因此，需要一种能够适配大幅面slm粉床、实现全域均匀抽吸、减少积粉堵塞并适配惰性气氛密闭工况的吸粉腔及吸粉方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于slm设备的渐缩均压式非接触吸粉腔及吸粉方法，以解决现有大幅面slm设备吸粉流量分布不均、离散粉道易积粉堵塞、管路突变截面压损高以及刚性刮刀碰撞翘曲工件的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于slm设备的渐缩均压式非接触吸粉腔，包括安装基座、长条吸粉入口、左渐缩腔、右渐缩腔、中央汇流腔、负压连接颈、弯曲排粉管以及外接接口。

4、左渐缩腔和右渐缩腔对称布置于中央汇流腔两侧并与中央汇流腔连通。长条吸粉入口沿slm设备粉床工作宽度延伸，且分别与左渐缩腔和右渐缩腔的底部连通。

5、左渐缩腔和右渐缩腔的有效通流截面由各自的腔体远端朝向中央汇流腔方向单调递增，以匹配沿长条吸粉入口向中央累积的金属粉气混合物流量。该单调递增结构的意义在于：从粉床两端吸入的金属粉气混合物在向中央流动的过程中，不断有新的粉气流入汇入，体积流量持续增大；通过同步扩大通流截面，可抑制局部流速骤升，使长条吸粉入口沿粉床宽度方向的负压抽吸能力保持均衡，从而提升slm整幅粉层的厚度一致性。

6、中央汇流腔、负压连接颈及弯曲排粉管三者衔接处采用连续曲面圆角过渡。该连续曲面过渡的意义在于：消除直角台阶与突变截面，抑制气流分离涡流的形成，降低管路整体压损，同时减少金属粉末在衔接处的滞留与沉积结块。

7、安装基座上开设有隔离式安装孔。安装孔用于与slm铺粉移动机构锁紧固定，且安装孔的流道与吸粉腔内部气流通道相互隔绝。该隔离设计的意义在于：安装孔仅承担机械连接功能，不参与吸粉气流分配，避免螺栓孔边缘因气流冲刷而成为积粉死角，同时便于更换不同规格的吸粉嘴而无需拆卸腔体主体。

8、可选地，长条吸粉入口为连续狭缝，取消沿宽度分布的离散分隔粉道或独立小孔阵列结构。长条吸粉入口外侧设有可拆卸吸粉嘴，可拆卸吸粉嘴用于限定吸粉区域并与slm粉床目标成形基板形成稳定悬空间隙。

9、可选地，左渐缩腔和右渐缩腔的通流截面通过腔高变化、腔宽变化或高度宽度同步变化实现渐变。

10、示例性的，左渐缩腔和右渐缩腔的截面变化规律为线性渐变、分段线性渐变或幂函数曲线渐变。腔体截面形状为矩形、梯形、圆弧圆角矩形或椭圆形。

11、示例性的，左渐缩腔和右渐缩腔的内壁采用抛光不锈钢或防静电耐磨涂层，以适配slm钛合金、铝合金或不锈钢等金属粉末。

12、可选地，当外接接口相对腔体几何中心偏置布置时，左渐缩腔和右渐缩腔采用差异化截面渐变斜率，以补偿两侧不等流动长度带来的流量衰减，保证长条吸粉入口全域抽吸均匀性。

13、可选地，弯曲排粉管的转弯段采用大曲率圆滑弯管，转弯半径大于弯曲排粉管等效内径的2倍。外接接口采用法兰、卡箍、快插或螺纹可拆卸密封连接结构，管路整体密闭以适配slm惰性气氛成型腔。

14、可选地，吸粉腔内部或外接管路上装配有压力传感器、流量检测元件与可调节流件，用于实时采集沿slm粉床宽度方向的负压分布，配合负压源形成闭环流量校正系统。

15、本发明还提供一种slm设备非接触吸粉整平系统，包括上述渐缩均压式非接触吸粉腔，还包括金属粉末收集装置、负压源以及移动及间隙调节机构。移动及间隙调节机构承载吸粉腔整体沿slm粉床横向平移，并调节长条吸粉入口与粉床目标成形基板之间的悬空间隙。负压源为整套气流通路提供稳定可调负压。金属粉末收集装置包含旋风分离器、防静电精密过滤器及密闭集粉容器，用于金属粉末的气固分离与惰性循环回收。

16、本发明还提供一种采用上述吸粉腔的slm渐缩均压式非接触吸粉整平方法，包括如下步骤：

17、s1、设定吸粉腔与粉床目标成形基板的悬空间隙，使吸粉腔最低吸粉位置始终位于目标打印平面上方，全程不与粉床或已成形金属零件刚性接触。

18、s2、启动负压源，在金属粉末收集装置、外接接口、弯曲排粉管、负压连接颈、中央汇流腔、左渐缩腔、右渐缩腔及长条吸粉入口之间建立贯通的密闭负压气流通道，通道内填充氩气或氮气惰性保护气氛。

19、s3、通过移动及间隙调节机构驱动吸粉腔沿slm粉床横向匀速移动，移动过程中悬空间隙保持恒定。

20、s4、向基板过量铺设金属粉末，高于目标整平打印平面的多余金属粉末随负压气流同步沿整条长条吸粉入口进入左渐缩腔和右渐缩腔。

21、s5、金属粉气混合物自腔体远端向中央汇流腔流动，随流动路程增加持续汇入新金属粉末气流，腔体通流截面同步扩大，均衡长条吸粉入口全域负压抽吸能力，保证slm整幅粉层厚度一致。

22、s6、左右两路金属粉气混合物在中央汇流腔平滑汇流，经连续曲面过渡结构进入负压连接颈和弯曲排粉管，输送至金属粉末收集装置完成粉末回收与气固分离，洁净惰性气体回流至slm成型腔循环使用。

23、s7、采集粉层表面平整度及分段金属粉末回收量，联动调节悬空间隙、负压源输出压力或吸粉腔横向移动速度；本层slm铺粉整平完成后停止负压抽吸，成形缸下降一层，进入下一层激光扫描打印循环。

24、可选地，步骤s7中通过腔体内置压力传感器和/或流量传感器采集粉床端部、1/4幅面及中心区域的流量分布数据，调节管路节流件或负压输出功率，校正长条吸粉入口不同位置的吸粉流量差值，降低slm粉床抽吸均匀性变异系数。

25、可选地，整套吸粉系统密闭隔绝空气，全程通入惰性保护气氛，以适配不锈钢、钛合金、铝合金或钴铬合金等slm常用金属打印粉末，规避金属粉末氧化及粉尘燃爆风险。

26、由于采用上述技术方案，使其与现有技术相比，至少包括以下有益效果：

27、（1）左渐缩腔和右渐缩腔的通流截面由远端向中央单调递增，匹配沿粉床宽度向中央累积的金属粉气混合流量，从流道结构层面消除粉床两端与中心的抽吸强度差，显著提升slm每层金属粉床厚度均匀性。

28、（2）采用无隔断连续长条狭缝吸粉入口，取消传统多离散粉道及分隔隔板，减少金属粉末撞击壁面和滞留积粉的死角，腔体内部结构简洁，拆装与清理难度降低。

29、（3）中央汇流腔、负压连接颈及弯曲排粉管全部采用连续曲面过渡，消除直角台阶与突变截面，降低气流局部压力损耗，抑制回流涡形成，减少金属颗粒沉积结块堵塞管路。

30、（4）全程非接触负压吸粉整平，依靠预设悬空间隙抽吸多余金属粉末，避免薄壁或大平面零件翘曲凸起引发的刮刀碰撞与工件划伤。

31、（5）安装基座采用隔离式安装孔，安装孔与气流通道相互隔绝，便于更换不同规格的可拆卸吸粉嘴而无需拆卸腔体主体。

32、（6）可配套压力与流量检测元件实现闭环抽吸均匀性校正，适配不同幅面slm设备及不同金属粉末的工艺参数。