CN103357875A - 一种矢量烧结系统及增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于矢量烧结技术的增材制造方法,通过矢量烧结系统来实现，该系统包括铺粉模块、矢量加热模块、激光加工模块和温度控制模块。零件加工时，通过温度控制模块先将覆膜粉体温度预热到不超过烧结温度的某一特定温度。然后工作腔下降一个层厚，铺粉模块在移动过程中完成铺粉的同时，其后端的矢量加热模块随即对零件内部粉末进行“选区”烧结，得到覆盖略大于单层零件截面的平面烧结区域，再通过激光加工模块扫描轮廓线部位的粉体使其粘结失效，便得到该层精确的零件边界轮廓。逐层下降、铺粉、矢量烧结并进行轮廓失效扫描后，叠加得到稍微大于零件CAD模型的烧结件，整体烘烤强化，最后沿轮廓失效得到的分离面将周边的少许废料清除，便得到最终的制件。

Description

一种矢量烧结系统及增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于矢量烧结技术的增材制造方法，尤其是一种采用粉末逐层矢量加热方式烧结覆膜粉体的方法。
背景技术
增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术又称快速成型技术，是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中主要工艺有四种基本类型：立体光刻法（Stereo lithography Apparatus，简称SLA法）、分层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，简称LOM法）、选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，简称SLS法）和熔融沉积制造法（Fused DepositionManufacturing，简称FDM法）。其中，SLA法、SLS法和FDM法都需要对每层CAD模型截面进行逐点扫描。
基于轮廓失效的增材制造方法（Profile Invalidation Rapid Prototyping，简称PIRP法，类似于LOM法）则只需要扫描每层CAD模型截面的轮廓线。该方法要求工作台先下降一个层厚，单层铺粉，预加热固化，然后由计算机根据三维CAD模型的Z向分层轮廓线信息，控制激光束扫描覆膜粉体材料的轮廓，使该轮廓线处的粉体材料失去固结性能，再下降一个层厚、铺粉、预加热和轮廓扫描，直至所有三维轮廓扫描完毕，最后整体加热，并剥离废料。该方法虽然相对SLS法具有高效率，高精度的优势，但是材料利用率不足，且对于内腔结构复杂的零件，剥离废料较困难。【CN100386173C2008.5.7】如何解决粉料利用效率和后处理问题成为PIRP技术的重要问题。
发明内容
本发明提出了基于粉末逐层矢量烧结技术的增材制造方法，解决了由于采用了整体加热烧结的技术路线产生的粉料利用效率和后处理的问题。
本发明方法通过矢量烧结系统来实现，该矢量烧结系统包括铺粉模块、矢量加热模块、激光加工模块和工作腔温度控制模块，四个模块分布在同一密闭的工作腔内。
铺粉模块利用电机控制的铺粉小车来实现直线往复运动，负责逐层双向均匀铺粉。
矢量加热模块包含两排阵列的加热单元，加热单元利用支架对称连接在铺粉小车两侧，且与铺粉模块由同一电机控制运动，铺粉过程中负责叠层加热覆膜粉体；电源开启后，每个加热单元对其下方的粉体加热，使对应区域的粉体烧结，而电源关闭则其下方粉体不受热。
激光加工模块受电脑控制，矢量烧结完成后，负责扫描CAD模型切片得到的二维轮廓，使轮廓线处粉体的外膜碳化，从而失去粘性。
温度控制模块包含加热装置和温度采集装置，负责在微型单元加热前预热工作腔及覆膜粉体，并在加工零件时使工作腔保持不超过粉体烧结的温度；这不仅减小被加工材料在烧结前后及烧结过程中的温度变化梯度，从而减小零件的变形，同时对粉体的预热可以减小在加工过程中对烧结能量密度的要求，提高成型速度。
零件加工前，利用特殊软件按照一定层厚对CAD模型切片，得到CAD模型每层轮廓线不同的切片文件。
零件加工时，温度控制模块先将工作腔内的粉层预热，预热温度可以手动设定，但不得超过烧结温度。然后粉层下降一个层厚，铺粉模块和矢量加热模块开始工作，铺粉模块在移动过程中完成铺粉的同时，其后端的加热单元随即对零件内部粉末进行“选区”烧结，即在运动过程中的不同位置，根据切片文件对应该层轮廓线数据，电脑控制零件轮廓线内部区域和轮廓线处的微单元打开，其他单元则关闭，从而将零件内部及周围一定范围内的粉体烧结，如图3所示。
矢量加热烧结完成后，得到覆盖大于单层零件截面的平面烧结区域，再通过激光加工模块扫描轮廓线部位的粉体使其粘结失效，便可得到该层精确的零件边界轮廓，如图4所示。紧接着重复该过程，矢量加热模块的另一排加热单元开始工作，使得该层粉体烧结的同时也与上一层粉体粘结在一起，铺粉模块和矢量加热模块的运动方向也与上一过程相反，激光扫描完毕便完成两次加工。
逐层下降、铺粉、矢量烧结并进行轮廓失效扫描，最后叠加得到大于零件CAD模型的烧结件，而工作腔内其余部分为未烧结粉末，对烧结件烘烤强化，沿着轮廓失效得到的分离面将周边的少许废料清除，便得到最终的制件，如图5所示。
本发明的特点在于：这种矢量烧结的方法使得覆膜粉体利用率得到大幅度提高，让后期的废料剥离也变得更为简便。同时，在工作腔被预加热的条件下，矢量烧结过程跟随铺粉过程同步进行，能最大限度节省加工时间，且避免了激光逐点烧结带来的热应力。如在此技术基础上开发更小更精的加热单元，甚至可以省去激光轮廓失效扫描步骤，直接达到最终制件的表面质量要求。
附图说明
图1为基于矢量烧结技术的增材制造工艺流程图。
图2为矢量烧结系统示意图。
图3为单层粉末的矢量烧结方法示意图。
图4为矢量烧结后进行轮廓失效得到的阶梯轮廓和精确轮廓示意图。
图5为基于矢量烧结技术的增材制造方法示范流程图。
图中：1铺砂车；2加热单元；3激光加工模块；4A加热管；4B测温平台；5覆膜砂；6CAD模型轮廓线；7余砂；8砂型零件；9加热炉；10废料；11精确制件。
具体实施方式
本发明提出了一种增材制造方法，该方法采用矢量加热方式逐层烧结覆膜粉体。下面以铸铝覆膜砂的烧结为例结合附图对本发明作进一步论述。
如图1所示为基于矢量烧结技术的增材制造工艺流程图，该工艺不需要模具即可高效制作CAD模型对应几何形状的高精度覆膜砂零件。
图2阐述了矢量烧结系统工作时的示意图，铺砂模块的主要部件为铺砂车1，每次铺砂前自动装满覆膜砂，两排加热单元2通过支架对称分布与铺砂车连在一起，构成了矢量加热模块，每个加热单元均通过计算机控制开闭。激光加工模块通过激光扫描得到的CAD模型轮廓线6处为粘结失效的覆膜砂。工作腔温度控制模块包括加热管4A和测温平台4B，多个加热管分布在工作腔的上方，便于辐射整个工作腔，测温平台4B可移动与旋转，将覆膜砂5表面温度反馈到计算机，并调节加热管功率将工作腔温度控制在一定范围内。
图3为单层粉末的矢量烧结方法示意图，在2A、2B、2C和2D四个不同的位置，CAD模型轮廓线6上及轮廓线以内的加热单元2通电加热，轮廓线以外的加热单元断开，再经激光加工模块3扫描使轮廓线处的覆膜砂粘结失效，便得到CAD模型烧结阶梯轮廓6A所围区域和精确轮廓6B，图4即为矢量烧结后进行轮廓失效得到的阶梯轮廓和精确轮廓示意图。
图5阐述了一个基于矢量烧结技术的增材制造方法示范流程图。在对覆膜砂加工之前，需要预热工作腔，由于市售铸铝覆膜砂的固结温服大约为100℃，故通过温度控制模块测量和控制工作腔及覆膜砂表面的温度，使其保持在80℃左右。工作腔先下降一个层厚，铺砂小车1随即单层铺砂，其后端的线性阵列加热单元2同时工作，在进入CAD模型6B前，在电脑程序的控制下，加热单元2不需要通电。当矢量烧结装置刚进入CAD模型阶梯轮廓6A时，通过计算机控制该区域内的加热单元2提前迅速通电并快速升温达到100℃，使下方对应的覆膜砂单元烧结固化。即将离开CAD模型阶梯轮廓6A时，加热单元2断电并快速降温，对应覆膜砂无法固结，使得该层覆盖零件区域大致轮廓6A内的覆膜砂得到初步固化。再通过计算机控制激光加工模块3，扫描该层CAD模型轮廓，使轮廓线上的覆膜砂失效，便得到稍微大于零件CAD模型轮廓的烧结层。逐层烧结并进行轮廓失效扫描，直至扫描完所有加工层，取出砂型零件8，余砂7便留在工作腔内，然后将砂型零件8放入加热炉9中，对其进行200℃整体烘烤强化，再沿着轮廓失效得到的分离面将周边的少许废料10清除，最后得到精确制件11，该零件即加工完毕。
该方法保留了PIRP方法的制件精度高的优点，同时使覆膜粉体的利用率得到大幅度提高，减少了热量流失，同时让后期的废料剥离也变得更为简便。与SLS方法相比，不但节省成本，还提高了成型效率，一般对于2m的加工台面，即使采用10m/s的高速振镜，SLS法也需要数分钟才能完成单层扫描，而本方法铺粉完成后只需要数秒就能完成轮廓扫描，加工时间只与零件的表面积成正比，随着制件体积的增大，加工效率优势得到体现。
该增材制造方法中的矢量加热单元可选用线性阵列PTC加热单元，其具有大功率、高速动态响应特性，市售的PTC加热片的最小单元宽度可控制在10mm以内，即在加工幅面为2000mm的范围内可以布置200个加热单元，每个加热单元可由一个继电器控制开关，具有可实施性。

Claims (6)

1.一种矢量烧结系统，其特征在于，该矢量烧结系统包括铺粉模块、矢量加热模块、激光加工模块和工作腔温度控制模块，四个模块分布在同一密闭的工作腔内；
铺粉模块利用电机控制的铺粉小车来实现直线往复运动，负责逐层双向均匀铺粉；
矢量加热模块包含两排阵列的加热单元，加热单元利用支架对称连接在铺粉小车两侧，且与铺粉模块由同一电机控制运动，铺粉过程中负责叠层加热覆膜粉体；电源开启后，每个加热单元对其下方的粉体加热，使对应区域的粉体烧结，而电源关闭则其下方粉体不受热；
激光加工模块受电脑控制，矢量烧结完成后，负责扫描CAD模型切片得到的二维轮廓，使轮廓线处粉体的外膜碳化，从而失去粘性；
温度控制模块包含加热装置和温度采集装置，负责在微型单元加热前预热工作腔及覆膜粉体，并在加工零件时使工作腔保持不超过粉体烧结的温度。
2.基于权利要求1所述矢量烧结系统的增材制造方法，其特征在于以下步骤：
A、零件加工前，对CAD模型切片，得到CAD模型每层轮廓线不同的切片文件。
B、零件加工时，温度控制模块先将工作腔内的粉层预热至不超过烧结温度的温度。
C、工作腔下降一个层厚，铺粉模块在移动过程中完成铺粉的同时，其后端的矢量加热模块随即对零件内部粉末进行“选区”烧结，得到覆盖大于单层零件截面的平面烧结区域。
D、通过激光加工模块扫描轮廓线部位的粉体使其粘结失效，便得到该层精确的零件边界轮廓。
E、逐层下降、铺粉、矢量烧结并进行轮廓失效扫描后，叠加得到大于零件CAD模型的烧结件，整体烘烤强化，最后沿轮廓失效得到的分离面将周边的少许废料清除，便得到最终的制件。
3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述的“选区”烧结是根据切片对应该层轮廓线数据，控制零件轮廓线内部区域和轮廓线处的加热单元打开或关闭。
4.根据权利要求2或3所述的增材制造方法，其特征在于，所述的加热单元通过电脑控制，数量为2个或2个以上，通过继电器控制开闭，必要时通过挡板开闭来控制开闭，通过改变与粉体距离或其他方式调节加热覆膜粉体的温度。
5.根据权利要求4中所述的增材制造方法，其特征在于，加热单元为两排，通过连接支架对称分布在铺粉模块的两侧，铺粉过程中即矢量加热覆膜粉体。
6.根据权利要求4中所述的增材制造方法，其特征在于，加热单元为单排，在单层铺粉结束后沿铺粉相反方向对粉体进行矢量加热。
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