一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置及其预热方法与流程

本发明属于激光选区熔化设备粉末预热技术领域，具体涉及一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置，还设置采用该装置进行激光选区熔化设备粉末温度的控制方法。

背景技术：

激光选区熔化SLM是金属件直接成型的一种方法，是快速成型技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。采用传统的机加工手段无法制造出来的形状结构复杂的金属零件，是激光快速成型技术应用的主要方向之一。

为了改善材料成型过程中因不均匀温度场而产生的残余应力，常用的方法是对加工好的成形件进行后续热处理，这样零件则会经历先冷却后升温的过程。然而，在上述冷却过程中，零件内部可能出现应力释放而导致加工好的构建出现变形、翘曲甚至开裂等情况，加大生产出次品、废品的风险。最重要的是，变形、翘曲甚至开裂等情况往往在零件成形过程中便已经出现，此种方法由于缺少对成形过程中内应力控制，并不能从根本上解决问题。

针对这一情况提出在加工前及加工过程中对成形区域进行预热处理，在材料的熔化-凝固过程中起到预热和缓冷的作用，通过对温度场的调节减小甚至消除加工过程中的内应力。当前文献和专利中的处理办法大多集中为在成形区域底部添加加热装置进行温度场的调控，最高加热温度可达900℃。此外，申请号为201510987779.5，公开号为105499569，公开日为2016.04.20，发明名称为一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法，提出基于点阵式布局的主动式控温系统和温度控制方法，但是这种方法的目的是在零件的成形过程中使整个加工区域的温度场恒定，从而减少零件成形过程中的内应力。

传统底层加热技术依赖于粉末和零件之间的热传导作用，其弊端在于仅能通过底部加热进行单向预热，其预热效果随着成形高度的增加而不断下降，造成加工层粉末预热不充分；另外，在零件成形过程中，零件的冷却采用自然冷却，零件冷却不可控，从而使零件在加工和冷却两个阶段均有可能出现变形、翘曲和开裂。

基于点阵式主动控温系统使得零件在加工过程中处于一个趋近于恒温的加热腔内，这极大程度降低了零件成形过程中内部残余应力过于集中的可能。但是，该技术方案结构形式过于复杂，大量的布置加热点及测温点不仅要求加热元件和测温元件本身的结构尺寸要小，而且单点控制还要求更为复杂和精密的响应控制系统。此外，基于点阵式主动控温系统依旧采用的是传统从成形缸外壁进行加热的方案，即加热单元产生的热量需要经过整个成形缸壁面厚度才能传至成形缸内部，而测温元件测量的温度也是成形缸外壁面温度而非成形缸内金属粉末的实际温度。最后，复杂的控温系统必不可少的大大增加设备维护的工作量，甚至会出现控温系统大于设备核心打印所带来的的维护损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置，该粉末预热装置的热量传递效率高。

本发明的另一个目的在于提供一种用于激光选区熔化设备粉末温度的控制方法，采用该方法简化了温度的控制。

本发明所采用的技术方案是：一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置，包括沿成形缸主体高度方向分布的N个加热层，每个加热层由若干个加热单元绕成形缸主体侧面一周设置。

本发明的特点还在于，

N个加热层镶嵌在成形缸主体内，N个加热层与成形缸主体构成一体。

每个加热层中加热单元的工作温度均一致，且N个加热层中的工作温度沿成形缸高度方向自上而下依次等梯度减小。

还包括位于所述成形缸主体底部基板下方的加热板。

加热板的加热温度随零件成形高度的增加而减小。

加热板与中央温度控制器相连。

若干个加热单元均与中央温度控制器相连。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种用于激光选区熔化设备粉末温度的控制方法，采用一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置，包括以下步骤；

步骤1、将基材安装在成形缸基板上，开启加热板，加热板的温度设定为T₀，T₀为粉末预热温度；

步骤2、记沿成形缸高度方向自上而下分布的N个加热层依次为第一加热层、第二加热层、.....、第N加热层，在成形缸基板从成形缸主体的顶部运动至成形缸主体的底部过程中，各加热层逐层依次开启，成形缸基板运动到某一加热层时，对应加热层的加热单元开启，且位于该加热层上方的加热层保持开启状态，直至零件打印完成，每层加热单元的加热温度T_N按照公式(1)确定，

T_N＝T₀-(N-1)ΔT (1)

公式(1)中，T₀为粉末预热温度，ΔT为预先设定的加热层温度梯度差值，N为该层的层数；

随着零件当前打印高度的变化，成形缸基板下方的加热板的加热温度T’_N不断变化，按照公式(2)确定，

T’_N＝T₀-HnΔT’ (2)

公式(2)中，T₀为粉末预热温度，ΔT’为预先设定的加热板温度梯度差值，Hn为零件当前打印高度。

本发明的有益效果是：一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置通过设置若干个加热单元，外端无需任何保温和冷却机构，结构简单且维护方便，更为实用。此外，相比现有的装置，本发明每个加热单元镶嵌在成形缸主体的侧面，使得热量传递效率更高。一种用于激光选区熔化设备粉末温度的控制方法，同一层的加热单元加热温度都相同，且一旦打开温度趋于恒定，这简化了温度的控制。无需测温系统，成形缸主体内温度场分布只依赖于金属粉末和零件的热传导。最后，成形缸主体的侧面分层设置加热单元，使成形缸主体内部形成一个稳定的温度梯度，使零件能够在打印过程中并行实施缓慢冷却，减少零件内部应力集中。

附图说明

图1是本发明一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置的结构示意图；

图2是本发明一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置的截面图；

图3是本发明一种用于激光选区熔化设备粉末温度的控制方法中温度控制系统示意图。

图中：1.加热单元，2.成形缸主体，3.加热板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明；

本发明的一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置，如图1和图2所示，包括沿成形缸主体2高度方向分布的5个加热层，每个加热层均由4个加热单元1绕成形缸主体2侧面一周设置；

5个加热层镶嵌在成形缸主体2内，5个加热层与成形缸主体2构成一体；

每个加热层中加热单元1的工作温度均一致，且N个加热层中的工作温度沿成形缸高度方向自上而下依次等梯度减小；

还包括位于成形缸主体2底部基板下方的加热板3；

加热板3的加热温度随零件成形高度的增加而减小；

加热板3与中央温度控制器相连；

4个加热单元1均与中央温度控制器相连。

一种用于激光选区熔化设备粉末温度的控制方法，采用一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置，如图3所示，包括以下步骤；

步骤1、将基材安装在成形缸基板上，开启加热板3，加热板3的温度设定为T₀，T₀为粉末预热温度；

步骤2、记沿成形缸高度方向自上而下分布的N个加热层依次为第一加热层、第二加热层、.....、第N加热层，在成形缸基板从成形缸主体2的顶部运动至成形缸主体2的底部过程中，各加热层逐层依次开启，成形基板运动到某一加热层时，对应加热层的加热单元开启，且位于该加热层上方的加热层保持开启状态，直至零件打印完成，每层加热单元的加热温度T_N按照公式(1)确定，

T_N＝T₀-(N-1)ΔT (1)

公式(1)中，T₀为粉末预热温度，ΔT为预先设定的加热层温度梯度差值，N为该层的层数；

随着零件当前打印高度的变化，成形缸主体2底部基板下方的加热板3的加热温度T’_N不断变化，按照公式2确定，

T’_N＝T₀-HnΔT’ (2)

公式(2)中，T₀为粉末预热温度，ΔT’为预先设定的加热板温度梯度差值，Hn为零件当前打印高度；

中央温度控制器根据设定的加热层温度梯度差值ΔT、粉末预热温度T₀以及实时获取的零件当前打印高度Hn，给出不同加热单元1和加热板3的温度值，而加热单元根据中央温度控制器给定的温度竖直设定每个加热点的温度。

本发明的一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置通过设置若干个加热单元1，外端无需任何保温和冷却机构，结构简单且维护方便，更为实用。此外，相比现有的装置，本发明每个加热单元1镶嵌在成形缸主体2的侧面，使得热量传递效率更高。一种用于激光选区熔化设备粉末温度的控制方法，同一层的加热单元1加热温度都相同，且一旦打开温度趋于恒定，这简化了温度的控制。无需测温系统，成形缸主体2内温度场分布只依赖于金属粉末和零件的热传导。最后，成形缸主体2的侧面分层设置加热单元1，使成形缸主体2内部形成一个稳定的温度梯度，使零件能够在打印过程中并行实施缓慢冷却，减少零件内部应力集中。