本發(fā)明屬于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置，還設(shè)置采用該裝置進(jìn)行激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末溫度的控制方法。

背景技術(shù)：

激光選區(qū)熔化SLM是金屬件直接成型的一種方法，是快速成型技術(shù)的最新發(fā)展。該技術(shù)基于快速成型的最基本思想，即逐層熔覆的“增量”制造方式，根據(jù)三維CAD模型直接成型有特定幾何形狀的零件，成型過(guò)程中金屬粉末完全熔化，產(chǎn)生冶金結(jié)合。采用傳統(tǒng)的機(jī)加工手段無(wú)法制造出來(lái)的形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件，是激光快速成型技術(shù)應(yīng)用的主要方向之一。

為了改善材料成型過(guò)程中因不均勻溫度場(chǎng)而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，常用的方法是對(duì)加工好的成形件進(jìn)行后續(xù)熱處理，這樣零件則會(huì)經(jīng)歷先冷卻后升溫的過(guò)程。然而，在上述冷卻過(guò)程中，零件內(nèi)部可能出現(xiàn)應(yīng)力釋放而導(dǎo)致加工好的構(gòu)建出現(xiàn)變形、翹曲甚至開(kāi)裂等情況，加大生產(chǎn)出次品、廢品的風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是，變形、翹曲甚至開(kāi)裂等情況往往在零件成形過(guò)程中便已經(jīng)出現(xiàn)，此種方法由于缺少對(duì)成形過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力控制，并不能從根本上解決問(wèn)題。

針對(duì)這一情況提出在加工前及加工過(guò)程中對(duì)成形區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱處理，在材料的熔化-凝固過(guò)程中起到預(yù)熱和緩冷的作用，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的調(diào)節(jié)減小甚至消除加工過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)前文獻(xiàn)和專利中的處理辦法大多集中為在成形區(qū)域底部添加加熱裝置進(jìn)行溫度場(chǎng)的調(diào)控，最高加熱溫度可達(dá)900℃。此外，申請(qǐng)?zhí)枮?01510987779.5，公開(kāi)號(hào)為105499569，公開(kāi)日為2016.04.20，發(fā)明名稱為一種用于高能束增材制造的溫度場(chǎng)主動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)及其控制方法，提出基于點(diǎn)陣式布局的主動(dòng)式控溫系統(tǒng)和溫度控制方法，但是這種方法的目的是在零件的成形過(guò)程中使整個(gè)加工區(qū)域的溫度場(chǎng)恒定，從而減少零件成形過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力。

傳統(tǒng)底層加熱技術(shù)依賴于粉末和零件之間的熱傳導(dǎo)作用，其弊端在于僅能通過(guò)底部加熱進(jìn)行單向預(yù)熱，其預(yù)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(yù)熱不充分；另外，在零件成形過(guò)程中，零件的冷卻采用自然冷卻，零件冷卻不可控，從而使零件在加工和冷卻兩個(gè)階段均有可能出現(xiàn)變形、翹曲和開(kāi)裂。

基于點(diǎn)陣式主動(dòng)控溫系統(tǒng)使得零件在加工過(guò)程中處于一個(gè)趨近于恒溫的加熱腔內(nèi)，這極大程度降低了零件成形過(guò)程中內(nèi)部殘余應(yīng)力過(guò)于集中的可能。但是，該技術(shù)方案結(jié)構(gòu)形式過(guò)于復(fù)雜，大量的布置加熱點(diǎn)及測(cè)溫點(diǎn)不僅要求加熱元件和測(cè)溫元件本身的結(jié)構(gòu)尺寸要小，而且單點(diǎn)控制還要求更為復(fù)雜和精密的響應(yīng)控制系統(tǒng)。此外，基于點(diǎn)陣式主動(dòng)控溫系統(tǒng)依舊采用的是傳統(tǒng)從成形缸外壁進(jìn)行加熱的方案，即加熱單元產(chǎn)生的熱量需要經(jīng)過(guò)整個(gè)成形缸壁面厚度才能傳至成形缸內(nèi)部，而測(cè)溫元件測(cè)量的溫度也是成形缸外壁面溫度而非成形缸內(nèi)金屬粉末的實(shí)際溫度。最后，復(fù)雜的控溫系統(tǒng)必不可少的大大增加設(shè)備維護(hù)的工作量，甚至?xí)霈F(xiàn)控溫系統(tǒng)大于設(shè)備核心打印所帶來(lái)的的維護(hù)損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置，該粉末預(yù)熱裝置的熱量傳遞效率高。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末溫度的控制方法，采用該方法簡(jiǎn)化了溫度的控制。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置，包括沿成形缸主體高度方向分布的N個(gè)加熱層，每個(gè)加熱層由若干個(gè)加熱單元繞成形缸主體側(cè)面一周設(shè)置。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

N個(gè)加熱層鑲嵌在成形缸主體內(nèi)，N個(gè)加熱層與成形缸主體構(gòu)成一體。

每個(gè)加熱層中加熱單元的工作溫度均一致，且N個(gè)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。

還包括位于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(gè)加熱單元均與中央溫度控制器相連。

本發(fā)明所采用的另一個(gè)技術(shù)方案是：一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末溫度的控制方法，采用一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)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(kāi)啟加熱板，加熱板的溫度設(shè)定為T(mén)₀，T₀為粉末預(yù)熱溫度；

步驟2、記沿成形缸高度方向自上而下分布的N個(gè)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(yùn)動(dòng)至成形缸主體的底部過(guò)程中，各加熱層逐層依次開(kāi)啟，成形缸基板運(yùn)動(dòng)到某一加熱層時(shí)，對(duì)應(yīng)加熱層的加熱單元開(kāi)啟，且位于該加熱層上方的加熱層保持開(kāi)啟狀態(tài)，直至零件打印完成，每層加熱單元的加熱溫度T_N按照公式(1)確定，

T_N＝T₀-(N-1)ΔT (1)

公式(1)中，T₀為粉末預(yù)熱溫度，ΔT為預(yù)先設(shè)定的加熱層溫度梯度差值，N為該層的層數(shù)；

隨著零件當(dāng)前打印高度的變化，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(yù)熱溫度，ΔT’為預(yù)先設(shè)定的加熱板溫度梯度差值，Hn為零件當(dāng)前打印高度。

本發(fā)明的有益效果是：一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置通過(guò)設(shè)置若干個(gè)加熱單元，外端無(wú)需任何保溫和冷卻機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且維護(hù)方便，更為實(shí)用。此外，相比現(xiàn)有的裝置，本發(fā)明每個(gè)加熱單元鑲嵌在成形缸主體的側(cè)面，使得熱量傳遞效率更高。一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)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(kāi)溫度趨于恒定，這簡(jiǎn)化了溫度的控制。無(wú)需測(cè)溫系統(tǒng)，成形缸主體內(nèi)溫度場(chǎng)分布只依賴于金屬粉末和零件的熱傳導(dǎo)。最后，成形缸主體的側(cè)面分層設(shè)置加熱單元，使成形缸主體內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度，使零件能夠在打印過(guò)程中并行實(shí)施緩慢冷卻，減少零件內(nèi)部應(yīng)力集中。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置的截面圖；

圖3是本發(fā)明一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末溫度的控制方法中溫度控制系統(tǒng)示意圖。

圖中：1.加熱單元，2.成形缸主體，3.加熱板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明；

本發(fā)明的一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)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(gè)加熱層，每個(gè)加熱層均由4個(gè)加熱單元1繞成形缸主體2側(cè)面一周設(shè)置；

5個(gè)加熱層鑲嵌在成形缸主體2內(nèi)，5個(gè)加熱層與成形缸主體2構(gòu)成一體；

每個(gè)加熱層中加熱單元1的工作溫度均一致，且N個(gè)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??；

還包括位于成形缸主體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(gè)加熱單元1均與中央溫度控制器相連。

一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末溫度的控制方法，采用一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)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(kāi)啟加熱板3，加熱板3的溫度設(shè)定為T(mén)₀，T₀為粉末預(yù)熱溫度；

步驟2、記沿成形缸高度方向自上而下分布的N個(gè)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(yùn)動(dòng)至成形缸主體2的底部過(guò)程中，各加熱層逐層依次開(kāi)啟，成形基板運(yùn)動(dòng)到某一加熱層時(shí)，對(duì)應(yīng)加熱層的加熱單元開(kāi)啟，且位于該加熱層上方的加熱層保持開(kāi)啟狀態(tài)，直至零件打印完成，每層加熱單元的加熱溫度T_N按照公式(1)確定，

T_N＝T₀-(N-1)ΔT (1)

公式(1)中，T₀為粉末預(yù)熱溫度，ΔT為預(yù)先設(shè)定的加熱層溫度梯度差值，N為該層的層數(shù)；

隨著零件當(dāng)前打印高度的變化，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(yù)熱溫度，ΔT’為預(yù)先設(shè)定的加熱板溫度梯度差值，Hn為零件當(dāng)前打印高度；

中央溫度控制器根據(jù)設(shè)定的加熱層溫度梯度差值ΔT、粉末預(yù)熱溫度T₀以及實(shí)時(shí)獲取的零件當(dāng)前打印高度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(jù)中央溫度控制器給定的溫度豎直設(shè)定每個(gè)加熱點(diǎn)的溫度。

本發(fā)明的一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末預(yù)熱裝置通過(guò)設(shè)置若干個(gè)加熱單元1，外端無(wú)需任何保溫和冷卻機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且維護(hù)方便，更為實(shí)用。此外，相比現(xiàn)有的裝置，本發(fā)明每個(gè)加熱單元1鑲嵌在成形缸主體2的側(cè)面，使得熱量傳遞效率更高。一種用于激光選區(qū)熔化設(shè)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(kāi)溫度趨于恒定，這簡(jiǎn)化了溫度的控制。無(wú)需測(cè)溫系統(tǒng)，成形缸主體2內(nèi)溫度場(chǎng)分布只依賴于金屬粉末和零件的熱傳導(dǎo)。最后，成形缸主體2的側(cè)面分層設(shè)置加熱單元1，使成形缸主體2內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度，使零件能夠在打印過(guò)程中并行實(shí)施緩慢冷卻，減少零件內(nèi)部應(yīng)力集中。