CN102335741A - 一种选择性激光烧结用多区加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种选择性激光烧结用(Selective Laser Sintering，简称SLS)多区加热装置，该多区加热装置按阵列组合方式在一个加热元件安装架上安装一组石英辐射加热管及一组弧形反光板，整个阵列组划分为多个区域。本发明用于SLS系统加热，使工作台各区域温度均能得到有效调整与控制，烧结材料受热均匀，保证了优异的SLS成型质量。

Description

一种选择性激光烧结用多区加热装置

技术领域

本发明涉及一种加热装置，尤其涉及一种选择性激光烧结用多区加热装置。

背景技术

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)工艺是利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型，是激光在快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)领域的典型应用，其具有选材范围广、精度高、材料利用率高、无需支撑等优势。SLS加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。整个SLS设备是一台热机器，烧结材料具备较高的热敏感度，温度变化与控制是影响SLS成型质量的关键因素之一。现有最先进的SLS设备工作台加热装置采用的为2区加热元件，即一个水平的外加热线圈和一个倾向中心集聚的内(中心)加热线圈，两个加热线圈通过同一个可编程控制器(Programmable Logic Controllers，简称PLC)控制，对整个工作台进行加热。但由于只有内、外两个加热圈，此种加热方式必然存在工作台温度分配不均的问题，材料受热不均，烧结层会出现过热点及过冷点，无法采取更为精准的方法对工作台各区域进行加热控制，最终影响SLS成型质量。如何解决工作台温度分配不均的问题SLS技术长期以来面临的一个重要难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，开发出一种新型的多区加热装置，用于SLS系统加热，使SLS工作台各区域温度均能得到有效调整与控制，烧结材料受热均匀，保证优异的SLS成型质量。

本发明提供的一种选择性激光烧结用多区加热装置是按阵列组合方式在一个加热元件安装架上安装一组石英辐射加热管及一组反光板，整个阵列组划分为多个区域。阵列组区域划分的数量为2个或2个以上，优选划分为后区(V₁)、前区(V₂)、左区(V₃)、右区(V₄)、左后区(V₅)、左前区(V₆)、右前区(V₇)、右后区(V₈)、中心区(V₉)等9个区域。

上述阵列组的各个区域中分别安装了若干个石英辐射加热管，各区域安装的石英辐射加热管数量可根据实际需要进行调整，如1个区域可以只安装1个加热管，也可以安装2个或2个以上加热管。在实际使用中只需在原有安装架基础上进行安装点的调整，以适应实际所需的加热管的安装即可，操作简单易行；本发明摒弃了传统的电阻丝加热法，采用石英辐射加热管对工作台进行辐射加热，具有加热均匀稳定的优点。每个石英辐射加热管配装有一个弧形反光板，每个弧形反光板可以单独调节角度，通过反光板角度的调节来调整反光板与石英辐射加热管的相对位置，从而可使石英辐射加热管对工作台的特定区域进行辐射加热，弧形反光板与石英辐射加热管的组合可有效满足不同的加热需求、控制工作台加热效果。

采用本发明提供的多区加热装置进行加热的过程中，可采用红外传感器与红外照相机两种方式对工作台温度进行监测。

当采用红外传感器为工作台温度监测器时，与现有SLS工作台加热监测手段相同，安装在SLS设备上的红外传感器仅能对工作台某一区域的平均温度进行监测。在本发明所述的多区加热装置的各区域中，对红外传感器感知区温度起主要影响作用的区域为主区，其余区域为从属区。数据采集器将输入的设定置与红外传感器探测的区域温度平均值以一定频率进行采集，信息反馈至PLC的PID环，PID环根据温度设定值与探测值进行计算得到实际所需的占空比，该占空比即为主区加热管实际输入值，主区加热回路为闭环控制系统。各从属区加热管的占空比在主区加热管占空比的基础上按比例进行调节设置，各从属区加热管对相应区域进行补充辐射加热，使工作台各区域温度趋向一致，各从属区为开环控制系统。使用红外传感器为体系温度监测方式，优势在于操作简便，成本较低。

当采用红外照相机为工作台温度监测器时，安装在SLS设备上的红外照相机对整个工作台温度进行实时监测。工作台划分为多个区域，每个区域分别与所述多区加热装置的各个区域相对应，各石英辐射加热管对相应的区域工作台进行辐射加热。每个加热回路都由一个单独的PID环控制，每个PID环根据PLC系统输入的设定温度值及红外照相机探测的对应区域平均温度值，计算每个区域的实际占空比，各区加热回路是独立的完整的闭环控制系统。使用红外照相机为体系温度监测方式，对温度的控制更为精确有效，而设备成本较高。

采用本发明所提供的多区加热装置对SLS系统工作台进行加热，工作台各区域受热均匀，可将SLS烧结材料稳定加热至烧结温度，避免了局部过热或过冷现象，保证了优异的SLS成型质量。整个加热装置结构合理、操作简便，使现有SLS设备的加热体系更趋完善，进一步提高了SLS技术水平。

本发明涉及的红外辐射加热管、反光板、红外传感器、红外照相机、PID控制等原理及各元件的连接组装为本领域公知的知识和技术，本发明创新性提出了SLS设备工作台加热装置中加热管的陈列式组合，在此基础上可根据工作台平面大小、温度高低等具体情况与不同需求对阵列组区域划分方式及各加热元件的形状、相对位置、数量等进行灵活的调整变换，根据本发明公开的内容达到本发明目的的技术方案均属于本发明的范围。

附图说明

图1为一种选择性激光烧结用多区加热装置的阵列布局图

图2为石英辐射加热管与弧形反光板组合加热示意图

图3为红外传感器监测温度的多区加热装置工作原理图

图4为红外照相机监测温度的多区加热装置工作原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步论述。

实施例1

如图1所示，1为石英辐射加热管，2为弧形反光板，3为加热元件安装架。

如图2所示，1为石英辐射加热管，2为弧形反光板，4为工作台平面。

按阵列组合方式在加热元件安装架上安装了石英辐射加热管及弧形反光板。其中V₁区并行安装了2个石英辐射加热管，每个加热管外侧配装1个可自由调节角度的弧形反光板，V₂、V₃、V₄区石英辐射加热管与反光板的安装方式与V₁区相同；V₅、V₆、V₇、V₈区采用相同的安装方式，2个石英加热管呈90°角分别安装在四个角区，每个加热管外侧配装1个可自由调节角度的弧形反光板；V₉区处于工作台四周最内侧，每个侧边居中安装1个石英加热管，每个加热管外侧配装1个可自由调节角度的弧形反光板，调节好各弧形反光板的角度。

如图2所示采用红外传感器温度监测方式，通过PLC系统输入占空比与工作台温度设定值，数据采集器将输入的设定置与红外传感器探测的区域温度平均值以50ms的频率进行采集，PLC的PID环根据设定值与探测值进行计算得到主区占空比，经D/A转换，控制主区石英辐射加热管输出功率，主区为闭环控制系统；同时设置V₂～V₉8个从属区占空比与主区占空比的比率，各占空比转换器将计算得到各从属区占空比，经D/A转换，控制各从属区石英辐射加热管输出功率，各从属区为开环控制系统。工作台温度均匀稳定加热至趋于设定值。

实施例2

如图1所示，1为石英辐射加热管，2为弧形反光板，3为加热元件安装架。

如图2所示，1为石英辐射加热管，2为弧形反光板，4为工作台平面。

按阵列组合方式在加热元件安装架上安装了石英辐射加热管及弧形反光板。其中V₁区并行安装了2个石英辐射加热管，每个加热管外侧配装1个可自由调节角度的弧形反光板，V₂、V₃、V₄区石英辐射加热管与反光板的安装方式与V₁区相同；V₅、V₆、V₇、V₈区采用相同的安装方式，2个石英加热管呈90°角分别安装在四个角区，每个加热管外侧配装1个可自由调节角度的弧形反光板；V₉区处于工作台四周最内侧，每个侧边居中安装1个石英加热管，每个加热管外侧配装1个可自由调节角度的弧形反光板，调节好各弧形反光板的角度。

如图3所示采用红外照相机温度监测方式，通过PLC系统输入工作台温度设定值，红外照相机实时监测工作台各区域平均温度，各区PID环根据PLC系统输入的设定温度值及红外照相机探测的相应区域平均温度值，计算每个区域的实际占空比，经D/A转换，控制各区石英辐射加热管输出功率，各区为独立完整的闭环控制系统。工作台温度均匀稳定加热至趋于设定值。

Claims (4)

1.一种选择性激光烧结用多区加热装置，其特征在于所述多区加热装置是按阵列组合方式在一个加热元件安装架上安装一组石英辐射加热管及一组反光板，整个阵列组划分为多个区域。

2.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结用多区加热装置，其中阵列组区域划分的数量为2个或2个以上，优选划分为后区(V₁)、前区(V₂)、左区(V₃)、右区(V₄)、左后区(V₅)、左前区(V₆)、右前区(V₇)、右后区(V₈)、中心区(V₉)等9个区域。

3.根据权利要求1所述的一种选择性激光烧结用多区加热装置，其中阵列组的每个区域分别安装了1个或1个以上石英辐射加热管，每个石英辐射加热管配装一个反光板。

4.根据权利要求1或3所述的一种选择性激光烧结用多区加热装置，其中反光板为弧形反光板。

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