CN105034394B - 一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，先对于大尺寸粉床体预热，将粉床体上方依据不同高度区间划分为2‑3个不同加热层，调整各加热层的高度，每个加热层排布一个加热灯管构成的加热阵列，粉床体根据加热层的数量自动划分为相应数量的环形加热主影响区域，环形主影响区域的叠加构成粉床体的全部加热区域，每个加热层的加热阵列由各自独立的PID路闭环控制,通过控制各个加热层对应的粉床体加热主影响区温度场的均匀性，进而控制并提高了整个粉床体温度场的均匀性，本发明提高工作台面粉床体预热温度场的均匀性，进而提高SLS工艺制件质量以及工作效率。

Description

一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法

技术领域

本发明涉及选择性激光烧结技术领域，尤其涉及一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法。

背景技术

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是一种利用激光照射烧结粉成型的快速成型技术，在SLS加工中，粉末必须被加热到一定的温度，而预热和激光扫描是使得粉末加热到一定温度的两个必要措施。如果仅仅靠激光的扫描来使粉末的温度提高，达到吸收一定能量发生粘结的目的,那么，由于粉末颗粒之间的传热性能比较差，就会使得烧结的时间大大的延长，而且粉末颗粒之间由于剧烈的温度变化，导致粉末颗粒体积变化，进一步导致颗粒产生很大的移动从而造成粉床整体的密度分布极不均匀，继而造成过大的残余应力，最后影响零部件的几何精度和机械性能等等。残余应力引起的变形会经常出现在SLS制件中，其影响因素是多方面的，如激光功率、扫描方式、粉床体温度等等，其中粉床体温度是最重要的因素之一，特别是在使用热塑性材料进行烧结时，粉床体温度显得更加重要。而粉床体加热主要通过预热来实现。烧结过程中，要求在新的一层粉末铺好后，尽快将温度升到预热温度，所以，需要在SLS的加工过程中加入一个重要的环节——预热。预热效果的好坏的重要标准取决于粉床体的温度场的均匀性，均匀性越好，预热效果也就越好。如果预热效果好，将直接减少成型的时间，提高成型件的性能、精度。反之，预热效果很差的情况下甚至会导致烧结过程完全不能进行。

目前SLS设备中粉床体的预热主要通过红外加热灯管的辐射加热来实现，但对于多光源大尺寸激光选区烧结设备，其预热系统开发难度非常大，一方面光源数量的增加致使粉床体上方可安装红外加热灯管的空间缩小，另一方面粉床体尺寸太大致使其温度场均匀性很难保证。于是针对多光源大尺寸激光选区烧结设备的预热系统的开发变得越来越紧迫。

当前最先进的SLS设备的预热装置是按阵列方式在一个加热元件安装上一组石英辐射加热管及一组反光板，整个阵列划分多个区域，人为将被加热的区域划分为9个区域，实现对工作台的均匀加热。但是这种加热方法不能适应多光源大尺寸工作台面的均匀加热，因为在多光源环境下由于激光路径的制约难以在工作台中心区域安装辐射加热灯管，安放辐射加热灯管的集中区域在工作台四周边缘附近的侧面。这种方法在划分区域时中心区域过大难以实现对工作台面的均匀加热，而且这种分区域方法过于复杂，所需温度传感器过多，反射灯罩不易控制，实际应用中安装过于麻烦，不利于多光源大尺寸激光选区烧结设备的搭建。还有一种由华中科技大学提出的加热方法，其在粉床体上方设置多层加热层，每个加热层的高度由特别设置的拉升机械装置控制，通过这种机械装置控制各个加热层的高度进而控制粉床体的总体温度场，但这种预热方法控制较为复杂，机械装置的加入一方面增加了多光源大尺寸激光选区烧结设备搭建的难度，另一方面仅仅通过拉升机械装置改变加热层的高度进而控制粉床体的温度场也很难实现粉床体温度场高度均匀的目标。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，可以提高工作台面粉床体预热温度场的均匀性，进而提高SLS工艺制件质量以及工作效率。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，包括以下步骤：

第一步，对于粉床体边长为1500-2500mm的加热面积的大尺寸粉床体预热，将粉床体上方依据不同高度区间划分为2-3个不同加热层，然后调整各加热层的高度，第一层加热层高度为200mm-500mm，第二层加热层高度为600-900mm,第三层加热层高度为1000mm-1500mm之间，每个加热层排布一个由4根以上的加热灯管构成的加热阵列；

第二步，粉床体根据加热层的数量自动划分为相应数量的环形加热主影响区域，环形主影响区域的叠加构成粉床体的全部加热区域，

在单个加热层加热下，粉床体形成一个不均匀的温度场，将粉床体区域中温度值介于峰值及峰值以下3度的区域称为该加热层在粉床体对应的加热主影响区域，不同高度的加热层对应不同的粉床体主影响区域；

第三步，在进行加热过程中，采用红外摄像机对整个粉床体温度进行实时监测，每个加热层的加热阵列由各自独立的PID路闭环控制,每个加热层对粉床体加热的主影响区温度值通过相应的红外测温传感器采集，信息反馈至PID环，PID环根据温控仪温度设定值与红外探头测定值的比较进而控制加热层加热阵列中加热灯管的功率，从而使各个加热层对应的加热主影响区温度场在温度设定值0-5度内波动，通过控制各个加热层对应的粉床体加热主影响区温度场的均匀性，进而控制并提高了整个粉床体温度场的均匀性。

所述的加热阵列为按照阵列方式排列若干红外加热管，每个加热层中灯管阵列的形状以及加热灯管的数量根据实际需要进行调整，粉床体上方200mm-500mm高度的加热层由于加热距离短，安装4个灯管排布成加热阵列，粉床体上方1000mm-1500mm高度的加热层由于加热距离较长，安装8个灯管排布成叠层的双加热阵列。

本发明的有益效果为：

传统的九区加热方法由于其灯管排列方式的分散性很容易阻碍多光源激光选区设备的激光线路，且控制传感器使用数量太多致使控制过于繁杂，反射罩的加入也造成了灯管调控操作的不便利，所以不适用与多光源大尺寸的激光选区烧结设备，本发明方法克服了传统的多区加热方式在多光源大区域激光选区烧结设备应用的缺点，利用实验规律采用多层加热管对粉床体进行分区域加热，具有操作方便，加热均匀稳定的优点。

采用本发明方法进行加热，可以巧妙的避开激光的扫描路线，保证了工件制作过程中激光扫描路径的实现，且由于各个加热层的加热阵列由各自独立的PID环控制，每个加热层的加热区域有一定的重叠，进而实现对粉床体加热过程中的相互补偿，避免了局部过热或者过冷的现象，保证粉床体加热温度场均匀，这种加热方法也摒弃了传统的加热反射罩的使用，便于实验设备的搭建，分层预热方案实际上也减少了传感器的使用数量，充分利用自然规律使加热装置结构简单合理，操作也更加简单，有效的解决了大尺寸激光选区烧结设备粉床体的加热均匀性问题，进一步提高了激光选区烧结技术水平。

本发明方法利用加热灯管自身的实验规律，创新的提出了通过构造不同高度的加热层以及多种加热层中的加热灯管的排布和加热灯管的功率实现对大尺寸粉床体的分区域加热，在此基础上可以根据粉床体的尺寸大小、预热温度场范围要求、激光的数量等具体情况，进而对多加热层的数量、各个加热层的高度、以及每个加热层的红外灯管的排布进行灵活调整。从而可以改善大尺寸激光选区烧结设备工艺。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图2为本发明实施例1的加热控制原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明，但发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

实施例1

一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，包括以下步骤：

第一步，对于粉床体边长为2000mm的加热面积的大尺寸粉床体预热，将粉床体5上方依据不同高度区间划分为3个不同加热层，然后调整各加热层的高度，如附图所示，第一层加热层1高度为400mm，第二层加热层2高度为800mm,第三层加热层3高度为1200mm，每个加热层排布一个由4根加热灯管4构成的正方形加热阵列；

第二步，粉床体根据3个加热层自动划分为3个的环形加热主影响区域，分别为第一层加热层1在粉床体5中对应的第一环形主影响区域6，第二层加热层2在粉床体5中对应的第二环形主影响区域7，第三层加热层3在粉床体5中对应的第三环形主影响区域8，环形主影响区域的叠加构成粉床体的全部加热区域；

第三步，在进行加热过程中，采用红外摄像机对整个粉床体温度进行实时监测，如图2所示，每个加热层的加热阵列由各自独立的PID路闭环控制,每个加热层对粉床体加热的主影响区温度值通过相应的红外测温传感器采集，信息反馈至PID环，PID环根据温控仪温度设定值与红外探头测定值的比较进而控制加热层加热阵列中加热灯管的功率，从而使各个加热层对应的加热主影响区温度场在温度设定值0-5度内波动，通过控制各个加热层对应的粉床体加热主影响区温度场的均匀性，进而控制并提高了整个粉床体温度场的均匀性。

本实施例的有益效果：本实施例采取的3层预热方案，一方面减少了加热传感器的使用数量，充分利用自然规律使加热装置结构简单合理，操作也更加简单，另一方面有效的解决了大尺寸激光选区烧结设备粉床体的加热均匀性问题，使粉床体区域预热温度范围控制在5度以内，从而进一步提高了激光选区烧结技术水平。

实施例2

一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，包括以下步骤：

第一步，对于粉床体边长为1500mm的加热面积的大尺寸粉床体预热，将粉床体上方依据不同高度区间划分为2个不同加热层，然后调整各加热层的高度，第一层加热层高度为500mm，第二层加热层高度为1200mm,每个加热层排布一个由4根加热灯管4构成的正方形加热阵列；

第二步，粉床体根据2个加热层自动划分为2个的环形加热主影响区域，分别为第一层加热层在粉床体对应的第一环形主影响区域，第二层加热层在粉床体中对应的第二环形主影响区域，环形主影响区域的叠加构成粉床体的全部加热区域；

第三步，在进行加热过程中，采用红外摄像机对整个粉床体温度进行实时监测，每个加热层的加热阵列由各自独立的PID路闭环控制,每个加热层对粉床体加热的主影响区温度值通过相应的红外测温传感器采集，信息反馈至PID环，PID环根据温控仪温度设定值与红外探头测定值的比较进而控制加热层加热阵列中加热灯管的功率，从而使各个加热层对应的加热主影响区温度场在温度设定值0-5度内波动，通过控制各个加热层对应的粉床体加热主影响区温度场的均匀性，进而控制并提高了整个粉床体温度场的均匀性。

本实施例的有益效果：本实施例采取的2层预热方案，一方面减少了加热传感器的使用数量，充分利用自然规律使加热装置结构简单合理，操作也更加简单，另一方面有效的解决了大尺寸激光选区烧结设备粉床体的加热均匀性问题，使粉床体区域预热温度范围控制在5度以内，从而进一步提高了激光选区烧结技术水平。

实施例3

一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，包括以下步骤：

第一步，对于粉床体边长为2500mm的加热面积的大尺寸粉床体预热，将粉床体上方依据不同高度区间划分为3个不同加热层，然后调整各加热层的高度，第一层加热层高度为500mm，第二层加热层高度为1000mm,第三层加热层高度为1500mm，第一层加热层、第二层加热层排布一个由4根加热灯管4构成的正方形加热阵列，第三层加热层排布一个由8个灯管排布成叠层的双加热阵列；

第二步，粉床体根据3个加热层自动划分为3个的环形加热主影响区域，分别为第一层加热层在粉床体中对应的第一环形主影响区域，第二层加热层在粉床体中对应的第二环形主影响区域，第三层加热层在粉床体中对应的第三环形主影响区域，环形主影响区域的叠加构成粉床体的全部加热区域；

第三步，在进行加热过程中，采用红外摄像机对整个粉床体温度进行实时监测，每个加热层的加热阵列由各自独立的PID路闭环控制,每个加热层对粉床体加热的主影响区温度值通过相应的红外测温传感器采集，信息反馈至PID环，PID环根据温控仪温度设定值与红外探头测定值的比较进而控制加热层加热阵列中加热灯管的功率，从而使各个加热层对应的加热主影响区温度场在温度设定值0-5度内波动，通过控制各个加热层对应的粉床体加热主影响区温度场的均匀性，进而控制并提高了整个粉床体温度场的均匀性。

本实施例的有益效果：本实施例采取的3层预热方案，一方面减少了加热传感器的使用数量，充分利用自然规律使加热装置结构简单合理，操作也更加简单，另一方面有效的解决了大尺寸激光选区烧结设备粉床体的加热均匀性问题，使粉床体区域预热温度范围控制在5度以内，从而进一步提高了激光选区烧结技术水平。

Claims (2)

1.一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对于粉床体边长为1500-2500mm的加热面积的大尺寸粉床体预热，将粉床体上方依据不同高度区间划分为3个不同加热层，然后调整各加热层的高度，第一层加热层高度为200mm-500mm，第二层加热层高度为600-900mm,第三层加热层高度为1000mm-1500mm之间，每个加热层排布一个由4根以上的加热灯管构成的加热阵列；

第二步，粉床体根据加热层的数量自动划分为相应数量的环形加热主影响区域，环形主影响区域的叠加构成粉床体的全部加热区域，

在单个加热层加热下，粉床体形成一个不均匀的温度场，将粉床体区域中温度值介于峰值及峰值以下3度的区域称为该加热层在粉床体对应的加热主影响区域，不同高度的加热层对应不同的粉床体主影响区域；

第三步，在进行加热过程中，采用红外摄像机对整个粉床体温度进行实时监测，每个加热层的加热阵列由各自独立的PID路闭环控制,每个加热层对粉床体加热的主影响区温度值通过相应的红外测温传感器采集，信息反馈至PID环，PID环根据温控仪温度设定值与红外探头测定值的比较进而控制加热层加热阵列中加热灯管的功率，从而使各个加热层对应的加热主影响区温度场在温度设定值0-5度内波动，通过控制各个加热层对应的粉床体加热主影响区温度场的均匀性，进而控制并提高了整个粉床体温度场的均匀性。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法，其特征在于：所述的加热阵列为按照阵列方式排列若干红外加热管，每个加热层中灯管阵列的形状以及加热灯管的数量根据实际需要进行调整，粉床体上方200mm-500mm高度的加热层安装4个灯管排布成加热阵列，粉床体上方1000mm-1500mm高度的加热层安装8个灯管排布成叠层的双加热阵列。