阅读说明：本技术 气体置换装置、三维打印设备以及气体置换方法 (Gas replacement device, three-dimensional printing apparatus, and gas replacement method ) 是由 庞伟 俞红祥 咸刘永 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种气体置换装置、三维打印设备以及气体置换方法,所述气体置换装置包括舱体、气源、弹性涨缩元件、第一控制阀以及第二控制阀；所述舱体中空并形成腔室,所述弹性涨缩元件容置于所述腔室内；所述第一控制阀及第二控制阀均至少有三个连通口；所述第一控制阀的第一连通口连接所述气源,所述第一控制阀的第二连通口连接所述弹性涨缩元件,所述第一控制阀的第三连通口连接于所述第二控制阀的第四连通口；所述第二控制阀的第五连通口连通所述舱体的腔室,所述第二控制阀的第六连通口连通外界；所述第一控制阀以及所述第二控制阀能够控制所述弹性涨缩元件在所述腔室内弹性涨缩,以将所述气源中的气体置换至所述腔室内。(The invention relates to a gas replacement device, three-dimensional printing equipment and a gas replacement method, wherein the gas replacement device comprises a cabin body, a gas source, an elastic expansion and contraction element, a first control valve and a second control valve; the cabin body is hollow and forms a cavity, and the elastic expansion and contraction element is accommodated in the cavity; the first control valve and the second control valve are respectively provided with at least three communicating ports; the first communication port of the first control valve is connected with the air source, the second communication port of the first control valve is connected with the elastic expansion and contraction element, and the third communication port of the first control valve is connected with the fourth communication port of the second control valve; a fifth communication port of the second control valve is communicated with the chamber of the cabin body, and a sixth communication port of the second control valve is communicated with the outside; the first control valve and the second control valve can control the elastic expansion and contraction element to elastically expand and contract in the cavity so as to replace the gas in the gas source into the cavity.)

气体置换装置、三维打印设备以及气体置换方法

技术领域

本发明属于三维打印技术领域，具体涉及一种气体置换装置、三维打印设备以及气体置换方法。

背景技术

3D打印技术采用逐层堆积方式进行三维物体成型，所使用的的材料种类、材料形态范围广，可有效避免数控切削加工的刀具干涉问题，从而在复杂轮廓、空腔、晶格等加工领域发挥优势，广泛的应用在消费、工业、航空航天等领域。不同的打印工艺除所用材料和原理不同外，在打印过程中的成形条件也有不同的要求。粉末选区熔融成形工艺(SLM)以及粉末选区烧结成形工艺(SLS)因其成形过程中的材料是粉末状，并且在高温熔融状态下极易和空气中的氧气发生反应，这导致SLM工艺以及SLS工艺的金属粉末成形过程，需要在极低的氧气浓度氛围中才能够正常进行。

现有的气体置换装置，要将22％左右的氧气含量降低到0.1％以下需要很长时间，一般需要半个小时以上的时间，这不仅增加了设备开机损耗，同时这个过程还消耗了大量的惰性气体。目前，气体置换装置的惰性气体消耗量以及气体置换速度等性能亟待提升。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种气体置换装置、三维打印设备以及气体置换方法，该气体置换装置能够解决现有气体置换装置所存在的惰性气体消耗量大以及气体置换速度低等问题。

本发明提供一种气体置换装置，所述气体置换装置包括舱体、气源、弹性涨缩元件、第一控制阀以及第二控制阀；所述舱体中空并形成腔室，所述弹性涨缩元件容置于所述腔室内；

所述第一控制阀及第二控制阀均至少有三个连通口；所述第一控制阀的第一连通口连接所述气源，所述第一控制阀的第二连通口连接所述弹性涨缩元件，所述第一控制阀的第三连通口连接于所述第二控制阀的第四连通口；所述第二控制阀的第五连通口连通所述舱体的腔室，所述第二控制阀的第六连通口连通外界；

所述第一控制阀以及所述第二控制阀能够控制所述弹性涨缩元件在所述腔室内弹性涨缩，以将所述气源中的气体置换至所述腔室内。

进一步地，所述气体置换装置还包括氧气浓度传感器，所述氧气浓度传感器用于检测所述腔室内的氧气含量。

进一步地，所述气体置换装置还包括第三控制阀；所述第三控制阀的一端连通所述气源，另一端连通所述第一控制阀的第一连通口。

进一步地，所述舱体为刚性舱体。

进一步地，所述气源为惰性气体源。

进一步地，所述弹性涨缩元件为弹性气囊。

进一步地，所述弹性气囊的最大涨缩体积大于所述腔室体积的60％。

本发明还提供一种三维打印设备，包括气体置换装置，所述气体置换装置为上述任意一项所述的气体置换装置。

本发明还提供一种气体置换方法，应用于气体置换装置上；所述气体置换装置包括舱体、气源、弹性涨缩元件、第一控制阀以及第二控制阀；所述舱体中空并形成腔室，所述弹性涨缩元件容置于所述腔室内；

所述第一控制阀及第二控制阀均至少有三个连通口；所述第一控制阀的第一连通口连接所述气源，所述第一控制阀的第二连通口连接所述弹性涨缩元件，所述第一控制阀的第三连通口连接于所述第二控制阀的第四连通口；所述第二控制阀的第五连通口连通所述舱体的腔室，所述第二控制阀的第六连通口连通外界；所述气体置换方法包括：

控制所述第一控制阀的第一连通口与所述第二连通口相互连通，并控制所述第二控制阀的第五连通口与所述第六连通口相互连通，以使所述气源中的气体填充至所述弹性涨缩元件内；

控制所述第一控制阀的所述第二连通口与所述第三连通口相互连通，并控制所述第二控制阀的所述第四连通口与所述第五连通口相互连通，以使所述弹性涨缩元件内的气体填充至所述腔室内。

进一步地，所述气体置换装置还包括氧气浓度传感器及第三控制阀；所述氧气浓度传感器用于检测所述腔室内的氧气含量；所述第三控制阀的一端连通所述气源，另一端连通所述第一控制阀的第一连通口；所述气体置换方法还包括：

通过所述氧气浓度传感器检测所述腔室内的氧气浓度，若所述氧气浓度超过预设阈值，则关闭所述第三控制阀。

本发明提供的气体置换装置相对于传统的仅具有气体充入功能的气体置换装置而言，设计了具有收缩和膨胀功能的弹性涨缩元件，利用弹性涨缩元件对腔室的挤压来排空气体空间，从而缩短了置换时间，降低了置换次数，同时高效的置换也减少气体的损耗，尤其对使用惰性气体的工况具有较佳的成本优势。

附图说明

图1为本发明一个实施方式中气体置换装置的结构示意图；

图2为图1所示气体置换装置中的弹性涨缩元件处于膨胀状态的结构示意图；

图3为图1所示气体置换装置中的弹性涨缩元件处于收缩状态的结构示意图。

附图标记说明：

100、气体置换装置；10、舱体；11、腔室；20、气源；30、弹性涨缩元件；40、第一控制阀；41、第一连通口；42、第二连通口；43、第三连通口；50、第二控制阀；51、第四连通口；52、第五连通口；53、第六连通口；60、氧气浓度传感器；70、第三控制阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请一并参阅图1至图3，图1为本发明一个实施方式中气体置换装置100的结构示意图，图2为图1所示气体置换装置100中的弹性涨缩元件30处于膨胀状态的结构示意图，图3为图1所示气体置换装置100中的弹性涨缩元件30处于收缩状态的结构示意图。

本发明提供一种气体置换装置100，该气体置换装置100用于置换密闭腔室内的气体，从而降低密闭腔室内特定气体的含量。

本实施方式中，气体置换装置100应用于三维打印机中，其用于降低三维打印机中的密闭腔室内的氧气含量，从而使得三维打印机能够满足SLS工艺或者SLM工艺的低氧气浓度要求。

可以理解，在其他的实施方式中，气体置换装置100还可以应用于除三维打印机之外的其他领域中，只要该气体置换装置100能够实现对气体的置换即可。

具体地，气体置换装置100包括舱体10、气源20、弹性涨缩元件30、第一控制阀40以及第二控制阀50；舱体10的内部形成密闭的腔室11，弹性涨缩元件30容置在腔室11内；气源20连通弹性涨缩元件30。第一控制阀40以及第二控制阀50用于控制舱体10、气源20以及弹性涨缩元件30之间的连通关系。

本实施方式中，舱体10大致呈块体；对应的，腔室11为方形空腔。可以理解，在其他的实施方式中，舱体10以及腔室11还可以采用其他的形状，本发明对此并不作限制。

在本发明的一个实施方式中，舱体10为刚性舱体，此时的舱体10即使在腔室11的气压变化下也不会具有明显的变形。需要额外说明的是，本文所称的刚性舱体，是指舱体10采用金属、合金、纤维材料等刚性材料制成，而在对应工况下舱体10并不会发生超过肉眼可见的形变(一般形变量低于5％以为)。

气源20通过第一控制阀40连通弹性涨缩元件30。本实施方式中，气源20为惰性气体源，也即气源20的内部填充的气体为惰性气体。可以理解，在其他的实施方式中，气源20也可以选用除惰性气体源之外的其他气源类型，只要气源20内的气体种类符合当前工况的要求即可。

弹性涨缩元件30容置在腔室11的内部，且弹性涨缩元件30能够通过第一控制阀40连通气源20。当第一控制阀40连通气源20与弹性涨缩元件30时，弹性涨缩元件30将在相对高压的气源20的气体供给下发生弹性膨胀；而当第一控制阀40切断气源20与弹性涨缩元件30之间的连通时，弹性涨缩元件30将发生弹性。

本实施方式中，弹性涨缩元件30为弹性气囊，此时弹性涨缩元件30的成本较低。可以理解，在其他的实施方式中，弹性涨缩元件30还可以采用除弹性气囊之外的其他能够弹性涨缩的元件，只要该弹性涨缩元件30的性能符合当前的工况要求即可。

第一控制阀40以及第二控制阀50至少为三通控制阀，也即第一控制阀40以及第二控制阀50均至少均有三个或者更多的连通口。本实施方式中，第一控制阀40以及第二控制阀50为三通控制阀。可以理解，在其他的实施方式中，第一控制阀40以及第二控制阀50还可以为四通以上的控制阀。

本实施方式中，第一控制阀40以及第二控制阀50均采用电子控制阀，此时第一控制阀40以及第二控制阀50的操控性能更佳。可以理解，在其他的实施方式中，第一控制阀40以及第二控制阀50还可以采用除电子控制阀之外的其他类型的控制阀门，只要第一控制阀40以及第二控制阀50能够实现对自身各连通口的通断状态的切换以及操控即可。

具体的，第一控制阀40包括第一连通口41、第二连通口42以及第三连通口43，第二控制阀50包括第四连通口51、第五连通口52以及第六连通口53。第一控制阀40的第一连通口41连接气源，第一控制阀40的第二连通口42连接弹性涨缩元件，第一控制阀40的第三连通口43连接于第二控制阀50的第四连通口51；第二控制阀50的第五连通口52连通舱体10的腔室11，第二控制阀50的第六连通口53连通外界；第一控制阀40以及第二控制阀50能够控制弹性涨缩元件30在腔室11内弹性涨缩，以将气源20中的气体置换至腔室11内。

在气体置换装置100中的弹性涨缩元件30处于膨胀状态时，第一控制阀40中的第一连通口41与第二连通口42相互连通，而第三连通口43与第二连通口42相互隔离；第二控制阀50中的第五连通口52与第六连通口53相互连通，而第四连通口51与第五连通口52相互隔离；此时气源20内的气体能够通过第一连通口41与第二连通口42所形成的气体通道，进入弹性涨缩元件30的内部；由于气源20内的气体处于相对高压的状态，因此弹性涨缩元件30将在相对高压的气体填充下膨胀，从而挤压位于腔室11内的气体，进而将腔室11内的气体通过第五连通口52与第六连通口53所形成的气体通道排除至外界，从而完成弹性涨缩元件30的膨胀过程。

在气体置换装置100中的弹性涨缩元件30处于收缩状态时，第一控制阀40中的第三连通口43与第二连通口42相互连通，第一连通口41与第二连通口42相互隔离；第二控制阀50中的第四连通口51与第五连通口52相互连通，而第五连通口52与第六连通口53相互隔离；此时处于膨胀状态的弹性涨缩元件30将通过第三连通口43与第四连通口51所形成的气体通道，将自身内部自气源20供给而来的气体输送至腔室11的内部，从而完成弹性涨缩元件30的收缩过程。

腔室11的气体在弹性涨缩元件30膨胀时，不断被挤压至外界；在弹性涨缩元件30收缩时，又不断由气源20内的气体输送填充。弹性涨缩元件30的往复收缩和膨胀，就能够实现对腔室11内的气体的持续置换。

本发明中的气体置换效率，以气体稀释的原理进行气体置换，设腔室11的体积为v1，弹性气囊的最大膨胀体积为v2，腔室11内的原始氧气浓度为a，则经过x此上述置换过程后的腔室内氧气浓度y＝(((v1-v2)/v1)^x)×a。

比如腔室11的体积为0.5立方米，弹性涨缩元件30的最大膨胀体积为0.3立方米，氧气原始氧气浓度为22％，则只需进行6次上述过程即可将腔室内的氧气浓度降至0.09％。

在实际应用时，弹性涨缩元件30进行涨缩动作的次数根据弹性涨缩元件30的最大膨胀体积决定，当弹性涨缩元件30的最大膨胀体积与腔室11的体积相同时，理论上涨缩一次即可完成气体置换。每一个置换过程所需要的时间由弹性涨缩元件30的涨缩速度决定，这些因素可以灵活调整以配合更快的置换过程，比如60秒弹性涨缩元件30可以进行一次体积最大的涨缩，则所需的气源20的供气速率和弹性涨缩元件30向腔室11的充气速率为10L/秒。

本发明提供的气体置换装置100相对于传统的仅具有气体充入功能的气体置换装置而言，设计了具有收缩和膨胀功能的弹性涨缩元件30，利用弹性涨缩元件30对腔室11的挤压来排空气体空间，从而缩短了置换时间，降低了置换次数，同时高效的置换也减少气体的损耗，尤其对使用惰性气体的工况具有较佳的成本优势。

优选地，当弹性涨缩元件30采用弹性气囊时，弹性气囊的最大涨缩体积(也即最大膨胀体积)是腔室11体积的60％以上。此时，气体置换装置100完成气体置换所需的涨缩次数更少，有利于保证弹性气囊的寿命。

在本发明的一个实施方式中，气体置换装置100还包括氧气浓度传感器60，该氧气浓度传感器60用于检测腔室11内的氧气含量。在实际使用时，氧气浓度传感器60既可以独立使用，其用于辅助操作人员的操作，提供氧气含量信息以供操作人员参考；也可以与第一控制阀40以及第二控制阀50配套使用，从而实现气体置换的自动启停。

在本发明的一个实施方式中，气体置换装置100还包括第三控制阀70，第三控制阀70的一端(也即其中一个连通口)连通气源20，另一端(也即另一个连通口)连通第一控制阀40中的第一连通口41。此时气源20具有独立的控制元件，在安全性上更佳。

本发明还提供一种应用上述气体置换装置100的三维打印设备(图未示)，该三维打印设备通过使用上述的气体置换装置，抽气时间缩短，打印效率更高。

本发明还提供一种气体置换方法，应用于气体置换装置上；气体置换装置包括舱体、气源、弹性涨缩元件、第一控制阀以及第二控制阀；舱体中空并形成腔室，弹性涨缩元件容置于腔室内；

第一控制阀及第二控制阀均至少有三个连通口；第一控制阀的第一连通口连接气源，第一控制阀的第二连通口连接弹性涨缩元件，第一控制阀的第三连通口连接于第二控制阀的第四连通口；第二控制阀的第五连通口连通舱体的腔室，第二控制阀的第六连通口连通外界；气体置换方法包括：

步骤S10：控制第一控制阀的第一连通口与第二连通口相互连通，并控制第二控制阀的第五连通口与第六连通口相互连通，以使气源中的气体填充至弹性涨缩元件内。

步骤S20：控制第一控制阀的第二连通口与第三连通口相互连通，并控制第二控制阀的第四连通口与第五连通口相互连通，以使弹性涨缩元件内的气体填充至腔室内。

通过使用上述的气体置换方法，气体置换的效率更高，耗费的气体置换的时间更短；同时涨缩置换的方式所耗费的气源内的气体，要大大小于传统持续送气式的气体置换方式所耗费的气源气体量。

在本发明的一个实施方式中，气体置换装置还包括氧气浓度传感器及第三控制阀；氧气浓度传感器用于检测腔室内的氧气含量；第三控制阀的一端连通气源，另一端连通第一控制阀的第一连通口；气体置换方法还包括：

步骤S30：通过氧气浓度传感器检测腔室内的氧气浓度，若氧气浓度超过预设阈值，则关闭第三控制阀。

此时，气体置换方法能够实现对自动换气功能的自动关闭，有助于避免气源内的气体泄露出去。

本发明提供的气体置换装置100相对于传统的仅具有气体充入功能的气体置换装置而言，设计了具有收缩和膨胀功能的弹性涨缩元件30，利用弹性涨缩元件30对腔室11的挤压来排空气体空间，从而缩短了置换时间，降低了置换次数，同时高效的置换也减少气体的损耗，尤其对使用惰性气体的工况具有较佳的成本优势。

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。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。