CN104260342A - 一种用于3d打印装备的高温预热装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于3D打印装备的高温预热装置，用于激光增材制造设备（前面说是增材制造，前后保持一致），该系统由立体加热装置，工作腔隔热与保温装置，工作台面气流循环装置构成，立体加热系统可以根据需要选择使用单层加热管，也可以选择使用双层加热管，同时，加热层与加热层，加热层与工作台面之间的距离可以按需要任意调节；工作腔隔热与保温装置可以有效的起到隔热与保温作用，避免由于加热温度过高而导致增材制造设备其他工作部件损坏，同时还可以将热量集中在隔热与保温腔内，对工作台面进行加热；工作台面气流循环装置，可以使工作台上表面气氛形成循环，带动工作台上表面气体流动，使工作台温度分布均匀，保证零件优异的成形质量。

Description

一种用于3D打印装备的高温预热装置

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及到实现一种高温粉床的立体加热，工作腔体隔热与保温，循环气流温度场均匀分布的方法。

技术背景

增材制造（Additive Manufacture，AM）是一种应用广泛的快速成形技术，先由CAD三维造型软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息，然后逐层扫描，逐层叠加，最终形成了所需要的原型或零件。

     在增材制造技术成形零件的过程中，由于粉末经历热源的熔化或是部分熔化，产生较大的温度梯度以及工作台面温度分布不均匀，会使零件内部产生热应力，导致零件产生裂纹或发生翘曲变形，严重影响了零件的质量；并且对于熔点较高的材料，加热系统工作台面温度较低，材料成形困难甚至不能成形。控制工作腔体温度梯度，保证工作台面温度均匀分布以及增加工作台面加热温度是提高零件质量的关键因素之一。目前国内较先进的增材制造设备工作台加热装置采用的是多区加热装置（专利号：201020274432.9），即将工作台面划分为多个区域，在每个区域安装一组石英加热管及一组反光板，这样可以缓解工作台面温度分布不均匀的问题，但由于其加热温度相对较低，不适合于成形高温材料，并且由于安装的石英加热管数量较多，不能有效的节省能源，如何增加预热温度降低工作台面的温度梯度以及解决工作台面温度分布不均的问题是增材制造成形装备长期面临的一个重要的难题。

发明内容

    为了解决目前加热系统所面临的技术缺陷，本发明开发出了一种新型的加热系统，用于增材制造装备系统加热，该加热系统可以将工作台面加热到较高的温度，同时还兼有隔热与保温的功能；加热系统采用立体加热，相对于传统的平面加热，可以有效的节省空间，减少石英加热管的数量，提高加热效率以及降低能源消耗；加热系统在工作台上表面两侧分别安装一排进气管与抽气管，进气管低速平稳充入气体，抽气管低速平稳抽出气体，整个体系构成气流循环，带动气氛流动，使工作台面温度分布均匀。该加热系统可以使工作台面的温度得到有效的调整与控制，成形材料受热均匀，并且成形不同种类（金属、高分子等）的材料，保证了成形零件的优异质量，并且可以在较短时间内生产出形状结构复杂的零件。

    本发明采用立体柔性加热系统，隔层保温系统和层流均温系统，其包括有：

    一、立体柔性加热系统，其包括两层石英辐射管，每层有四个辐射管；

    二、隔层保温系统，包括三层：隔热层、保温层、支撑层；

    三、气体循环匀温系统，其包括气流控制器、空气压缩机等。

    本发明所述的加热系统由多层石英辐射加热管组成，多层辐射加热管的加热区域不同，而且有分别的控制系统控制每一层灯管的加热。有的层的加热区域小，有的层加热区域大。在增材制造零件的过程中，根据需要可以选择用单层灯管，也可以选择使用多层加热管。与此同时，层与层之间的距离可以调节，每一层的加热管也可以往外调节。这样可以根据成形腔温度的要求，调节这些距离参数保证成形空间立体温度的上升。在成形过程中，根据成形零件的大小可以选择不同的子加热系统组合。如果需求成形零件很小，可以将小区域加热层拉到离工作台面较近的位置，不需要使用大的加热层，如果需求成形零件大，可以将大区域加热层拉到离工作台面较近的位置对工作台面进行加热。这样可以达到提高效率、节能减排的目的。

隔层保温系统将立体加热系统包围住，主要有三层组成，最里面一层为隔热层，材料用的是硅酸铝板。普通型硅酸铝板，是以焦宝石为主要原料，具有优良的抗热震性及热稳定性，材料耐压强度高并具良好韧性优良的机加工性能，可以很好的将加热辐射管产生的温度保存下来。这里的隔热板有两个作用：一是防止加热辐射热量辐射到设备内壁及其他无关区域，造成不必要的温度损失，对系统进行有效的保温。二是保护成形腔，防止这些热量的辐射导致整个腔体和设备壁面都处于高温状态，这样可以提高设备的寿命和增加操作过程中的安全性。中间保温层材料用玻璃棉毡，玻璃棉毡加温固化成型的毡状材料。其容重比板材轻，有良好的回弹性，价格便宜，施工方便。 玻璃棉毡是为适应大面积敷设需要而制成的卷材，除保持了保温隔热的特点外，还具有十分优异的减震、吸声特性，尤其对中低频和各种震动噪声均有良好的吸收效果，有利于减少噪声污染，改善工作环境。有铝箔贴面的玻璃棉毡，还具有较强的抗热辐射能力，是高温车间、控制室、机房内壁、隔间及平顶极好的内衬材料。中间保温层的作用就是对加热系统进行保温，玻璃棉质地柔软、纤维微细，施工中不会刺激皮肤，可以很好的达到加工和保温的效果。最外层是支撑层，这层材料用普通钢材。因为中间保温层玻璃棉是偏软的材料，需要最里层和最外层相互挤压固定。

本发明所述的气体循环匀温系统的目的在于使工作台面温度分布均匀，通过向工作台面缓慢均匀的吹入与抽出惰性气体，使工作台面上表面形成循环气流。由于进气管道在增材制造设备工作室内呈“树枝状”分布，因此，当惰性气体引入到进气管道时，惰性气体将会在进气管道内行进一定距离，此时，惰性气体将会被工作室的热环境加热至接近工作台面的温度形成热气体，热气体被进一步缓慢的引入到工作台面上表面；抽气管道同样是以“树枝状”的形式分布在工作台面另一侧，将工作台上表面由进气管道引入的惰性气体缓慢抽出，抽出的惰性气体通过闭路循环返回到进气管中，整个体系构成气流循环，带动工作台上表面气体流动，使工作台温度分布均匀，从而保证加工零件良好的成形质量。

    本发明所述的高温粉床激光增材制造系统与传统的增材制造装备加热装置相比具有如下优势：

1.保证了成形台面和成形气氛的高温需求。

立体加热可以使工作台面及其以上的气氛空间温度都能达到很高的温度，多层可以调节的立体加热系统可以对于整个气氛进行辐射传热，最高温度可以达到400度，而且温度可调节。比如，气氛在加热到100度时候，可以增材制造聚苯乙烯、蜡膜等等；气氛加热到100度200度时候，可以增材制造PP和尼龙材料；气氛加热到200度到400度时候，可以增材制造难加工的材料陶瓷和金属。2.减小了成形腔体的体积

该高温粉床激光增材制造系统将传统方法的平面加热改进为立体加热，最大限度的降低了加热装置所占用空间，减小了增材制造装备体积，降低制造成本；

3.实现了柔性加工，节约能源。

根据零件大小可以选择不同的加热层，如果零件很小，只需要用小的加热层就可以达到效果，将使用加热层拉到离工作台面距离较近的位置，不使用大的加热层。

4.保温系统防止了热量的流失，节约了能源，提高了加热效率。

三层隔热保温系统中最里层使用的硅酸铝材料，中间层使用的玻璃棉材料充分的利用了材料的防火隔热保温的特性，可以很好的达到的保温的目的，整个系统加工简单，成本低，清洁，同时这种保温系统变相的节约了加热的能源，达到了节能的目的。

5.保护成型腔内器件，提高设备寿命，增加操作安全性。

    保温系统可以很好的将温度锁在罩子空间里面，防止温度过高，热量辐射到设备元件及设备元件上造成它们的过热，这样提高了设备寿命并且增加了开设备时候操作的安全性。

6.通过循环装置保证工作台面温度分布均匀

加热系统在工作台上表面两侧分别安装一排进气管与一排抽气管，通过进气管道往增材制造设备工作台面缓慢平稳的引入惰性气体，进气管在增材制造设备工作室内绕行一段距离，气体流经绕行的进气管时被工作室的热环境加热形成热气体，热气体被进一步引入到工作台上表面，分布在工作台面另一侧的一排抽气管则缓慢平稳的将工作台上表面的热气体抽出，抽出的惰性气体通过闭路循环返回到进气管中，整个体系构成气流循环，带动工作台上表面气体流动，使工作台温度分布均匀。

附图说明

图1、立体柔性加热系统示意图。

图中：1-石英辐射管 2-支撑结构 3-灯座安装架 4-工作台面。

图2、隔热保温系统示意图。

图中：1-支撑层 2-保温层 3-隔热层 4-窗口镜 5-落粉缸 6-工作缸 7-送粉缸。

图3、气体循环匀温系统工作原理图。

图中：1-进气管 2-工作台面 3-抽气管 4-循环气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

如图1所示：1为石英辐射管，2为支撑结构，3为灯座安装架， 4为工作台面

按照立体加热方式在工作台上表面安装了多层（两层或两层以上）的石英辐射加热管，其中，石英辐射加热管安装在加热元件的安装架上。加热元件安装架与其他支撑结构构成活动支架，可实现加热层与工作台面以及加热层之间距离的自由调节；在加热元件安装架内侧涂上反光材料，同时调节加热元件安装架角度，将辐射到加热元件安装架内侧的光反射到工作台面。由于加热层之间石英辐射加热管大小不一样，加热层面积大小也不一样，在实际工作中，可根据零件的大小来调整合适的加热层。

如图2所示：1为隔热层，2为保温层，3为支撑层，4为窗口镜 5为落粉缸，6为工作缸，7为送粉缸。

在实际工作过程中，工作腔体需要被加热到很高的温度，为了保护增材制造设备不受高温破坏，需要在工作腔体内进行隔热与保温处理。如图2所示采用三层盒式保温结构，三层结构由内到外依次为隔热层、保温层、支撑层；隔热层在材料选择上优先选用硅酸铝材料，硅酸铝具有较强的隔热能力，可以将热量很好的集中在保温结构内部，只对工作台面进行加热，保护增材制造设备其他部分不受高温损伤；保温层在材料选择上优先选用玻璃棉材料，玻璃棉具有不俗的防火保温能力，可以很好的起到保温的作用，相对于石棉，玻璃棉还具有无毒等优点；支撑层在材料选择上选用普通钢材即可，降低成本。需要说明，以上所述材料为本发明较佳的实施例，并不仅仅局限于这几种材料。

如图3所示：1为进气管，2为工作台面，3为抽气管，4为循环气管。

进气管与抽气管均为“树枝状”结构的管道，其中，进气管的起始端与惰性气体源相连，抽气管的终端与机械泵相连。气体进入进气管并在进气管行进一段距离之后，均匀分为两股气流按相反的方向继续在进气管内绕行，最后均匀分为四股气流平稳缓慢的引入到工作台面的上表面；往进气管道中输入常温下的惰性气体，气体沿着进气管道流通，流经工作腔内“树枝状”的进气管道之后，常温气体被加热到接近工作室温度的热气体，因此，将气体引入到工作台面上表面时不会引起较大的温度变化。气体在抽气管道内的流动情况恰好与在进气管道内的流动情况相反，工作台面的气体分为四股气流缓慢平稳的被抽进抽气管，气体在抽气管内行进一段距离之后，由四股气流汇集成两股气流，两股气流按照相同的方向继续在抽气管内行进，最后汇集为一股气流由机械泵抽出，抽出的惰性气体通过闭路循环返回到进气管中。这样可以使整个体系构成气流循环，带动工作台上表面气体流动，使工作台面温度分布均匀；同时还可以减少降低惰性气体的消耗量，节省成本；避免将热气体排放到大气中，有效的降低的能源的损失，提高了能源的利用率。

Claims (4)

1.一种用于3D打印装备的高温预热装置，其特征在于，该系统包括立体加热装置，工作腔隔热与保温装置，工作台面气流循环装置。

2.根据权利要求书1所述一种用于3D打印装备的高温预热装置，其特征在于，在立体加热装置工作台上表面安装了多层（两层或两层以上）的石英辐射加热管，每一层安装四根石英辐射加热管，在加热管安装架内侧涂有反光材料，以及加热管安装架的角度可以自由调节。

3.根据权利要求书1所述一种用于3D打印装备的高温预热装置，其特征在于，工作腔隔热与保温装置采用的是三层“盒式”保温结构，最里面层是隔热层，采用材料为硅酸铝材料；中间层时保温层，采用材料为玻璃棉材料；最外面层时支撑层，采用材料为普通钢板。

4.根据权利要求书1所述一种用于3D打印装备的高温预热装置，其特征在于，在气流循环装置工作台上表面安装一排进气管与一排抽气管，从进气管中充入惰性气体引入到工作台面，然后在由抽气管将惰性气体抽出，从而使工作台上表面气氛构成循环。