一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置及其預熱方法與流程
2023-12-01 05:57:06 4
本發明屬於雷射選區熔化設備粉末預熱技術領域，具體涉及一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置，還設置採用該裝置進行雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法。
背景技術：
雷射選區熔化SLM是金屬件直接成型的一種方法，是快速成型技術的最新發展。該技術基於快速成型的最基本思想，即逐層熔覆的「增量」製造方式，根據三維CAD模型直接成型有特定幾何形狀的零件，成型過程中金屬粉末完全熔化，產生冶金結合。採用傳統的機加工手段無法製造出來的形狀結構複雜的金屬零件，是雷射快速成型技術應用的主要方向之一。
為了改善材料成型過程中因不均勻溫度場而產生的殘餘應力，常用的方法是對加工好的成形件進行後續熱處理，這樣零件則會經歷先冷卻後升溫的過程。然而，在上述冷卻過程中，零件內部可能出現應力釋放而導致加工好的構建出現變形、翹曲甚至開裂等情況，加大生產出次品、廢品的風險。最重要的是，變形、翹曲甚至開裂等情況往往在零件成形過程中便已經出現，此種方法由於缺少對成形過程中內應力控制，並不能從根本上解決問題。
針對這一情況提出在加工前及加工過程中對成形區域進行預熱處理，在材料的熔化-凝固過程中起到預熱和緩冷的作用，通過對溫度場的調節減小甚至消除加工過程中的內應力。當前文獻和專利中的處理辦法大多集中為在成形區域底部添加加熱裝置進行溫度場的調控，最高加熱溫度可達900℃。此外，申請號為201510987779.5，公開號為105499569，公開日為2016.04.20，發明名稱為一種用於高能束增材製造的溫度場主動調控系統及其控制方法，提出基於點陣式布局的主動式控溫系統和溫度控制方法，但是這種方法的目的是在零件的成形過程中使整個加工區域的溫度場恆定，從而減少零件成形過程中的內應力。
傳統底層加熱技術依賴於粉末和零件之間的熱傳導作用，其弊端在於僅能通過底部加熱進行單向預熱，其預熱效果隨著成形高度的增加而不斷下降，造成加工層粉末預熱不充分；另外，在零件成形過程中，零件的冷卻採用自然冷卻，零件冷卻不可控，從而使零件在加工和冷卻兩個階段均有可能出現變形、翹曲和開裂。
基於點陣式主動控溫系統使得零件在加工過程中處於一個趨近於恆溫的加熱腔內，這極大程度降低了零件成形過程中內部殘餘應力過於集中的可能。但是，該技術方案結構形式過於複雜，大量的布置加熱點及測溫點不僅要求加熱元件和測溫元件本身的結構尺寸要小，而且單點控制還要求更為複雜和精密的響應控制系統。此外，基於點陣式主動控溫系統依舊採用的是傳統從成形缸外壁進行加熱的方案，即加熱單元產生的熱量需要經過整個成形缸壁面厚度才能傳至成形缸內部，而測溫元件測量的溫度也是成形缸外壁面溫度而非成形缸內金屬粉末的實際溫度。最後，複雜的控溫系統必不可少的大大增加設備維護的工作量，甚至會出現控溫系統大於設備核心列印所帶來的的維護損耗。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置，該粉末預熱裝置的熱量傳遞效率高。
本發明的另一個目的在於提供一種用於雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法，採用該方法簡化了溫度的控制。
本發明所採用的技術方案是：一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置，包括沿成形缸主體高度方向分布的N個加熱層，每個加熱層由若干個加熱單元繞成形缸主體側面一周設置。
本發明的特點還在於，
N個加熱層鑲嵌在成形缸主體內，N個加熱層與成形缸主體構成一體。
每個加熱層中加熱單元的工作溫度均一致，且N個加熱層中的工作溫度沿成形缸高度方向自上而下依次等梯度減小。
還包括位於所述成形缸主體底部基板下方的加熱板。
加熱板的加熱溫度隨零件成形高度的增加而減小。
加熱板與中央溫度控制器相連。
若干個加熱單元均與中央溫度控制器相連。
本發明所採用的另一個技術方案是：一種用於雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法，採用一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置，包括以下步驟；
步驟1、將基材安裝在成形缸基板上，開啟加熱板，加熱板的溫度設定為T0，T0為粉末預熱溫度；
步驟2、記沿成形缸高度方向自上而下分布的N個加熱層依次為第一加熱層、第二加熱層、.....、第N加熱層，在成形缸基板從成形缸主體的頂部運動至成形缸主體的底部過程中，各加熱層逐層依次開啟，成形缸基板運動到某一加熱層時，對應加熱層的加熱單元開啟，且位於該加熱層上方的加熱層保持開啟狀態，直至零件列印完成，每層加熱單元的加熱溫度TN按照公式(1)確定，
TN＝T0-(N-1)ΔT (1)
公式(1)中，T0為粉末預熱溫度，ΔT為預先設定的加熱層溫度梯度差值，N為該層的層數；
隨著零件當前列印高度的變化，成形缸基板下方的加熱板的加熱溫度T』N不斷變化，按照公式(2)確定，
T』N＝T0-HnΔT』 (2)
公式(2)中，T0為粉末預熱溫度，ΔT』為預先設定的加熱板溫度梯度差值，Hn為零件當前列印高度。
本發明的有益效果是：一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置通過設置若干個加熱單元，外端無需任何保溫和冷卻機構，結構簡單且維護方便，更為實用。此外，相比現有的裝置，本發明每個加熱單元鑲嵌在成形缸主體的側面，使得熱量傳遞效率更高。一種用於雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法，同一層的加熱單元加熱溫度都相同，且一旦打開溫度趨於恆定，這簡化了溫度的控制。無需測溫系統，成形缸主體內溫度場分布只依賴於金屬粉末和零件的熱傳導。最後，成形缸主體的側面分層設置加熱單元，使成形缸主體內部形成一個穩定的溫度梯度，使零件能夠在列印過程中並行實施緩慢冷卻，減少零件內部應力集中。
附圖說明
圖1是本發明一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置的結構示意圖；
圖2是本發明一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置的截面圖；
圖3是本發明一種用於雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法中溫度控制系統示意圖。
圖中：1.加熱單元，2.成形缸主體，3.加熱板。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明；
本發明的一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置，如圖1和圖2所示，包括沿成形缸主體2高度方向分布的5個加熱層，每個加熱層均由4個加熱單元1繞成形缸主體2側面一周設置；
5個加熱層鑲嵌在成形缸主體2內，5個加熱層與成形缸主體2構成一體；
每個加熱層中加熱單元1的工作溫度均一致，且N個加熱層中的工作溫度沿成形缸高度方向自上而下依次等梯度減小；
還包括位於成形缸主體2底部基板下方的加熱板3；
加熱板3的加熱溫度隨零件成形高度的增加而減小；
加熱板3與中央溫度控制器相連；
4個加熱單元1均與中央溫度控制器相連。
一種用於雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法，採用一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置，如圖3所示，包括以下步驟；
步驟1、將基材安裝在成形缸基板上，開啟加熱板3，加熱板3的溫度設定為T0，T0為粉末預熱溫度；
步驟2、記沿成形缸高度方向自上而下分布的N個加熱層依次為第一加熱層、第二加熱層、.....、第N加熱層，在成形缸基板從成形缸主體2的頂部運動至成形缸主體2的底部過程中，各加熱層逐層依次開啟，成形基板運動到某一加熱層時，對應加熱層的加熱單元開啟，且位於該加熱層上方的加熱層保持開啟狀態，直至零件列印完成，每層加熱單元的加熱溫度TN按照公式(1)確定，
TN＝T0-(N-1)ΔT (1)
公式(1)中，T0為粉末預熱溫度，ΔT為預先設定的加熱層溫度梯度差值，N為該層的層數；
隨著零件當前列印高度的變化，成形缸主體2底部基板下方的加熱板3的加熱溫度T』N不斷變化，按照公式2確定，
T』N＝T0-HnΔT』 (2)
公式(2)中，T0為粉末預熱溫度，ΔT』為預先設定的加熱板溫度梯度差值，Hn為零件當前列印高度；
中央溫度控制器根據設定的加熱層溫度梯度差值ΔT、粉末預熱溫度T0以及實時獲取的零件當前列印高度Hn，給出不同加熱單元1和加熱板3的溫度值，而加熱單元根據中央溫度控制器給定的溫度豎直設定每個加熱點的溫度。
本發明的一種用於雷射選區熔化設備粉末預熱裝置通過設置若干個加熱單元1，外端無需任何保溫和冷卻機構，結構簡單且維護方便，更為實用。此外，相比現有的裝置，本發明每個加熱單元1鑲嵌在成形缸主體2的側面，使得熱量傳遞效率更高。一種用於雷射選區熔化設備粉末溫度的控制方法，同一層的加熱單元1加熱溫度都相同，且一旦打開溫度趨於恆定，這簡化了溫度的控制。無需測溫系統，成形缸主體2內溫度場分布只依賴於金屬粉末和零件的熱傳導。最後，成形缸主體2的側面分層設置加熱單元1，使成形缸主體2內部形成一個穩定的溫度梯度，使零件能夠在列印過程中並行實施緩慢冷卻，減少零件內部應力集中。