CN106563806A - 一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统 - Google Patents

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Abstract

一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统,包括光路系统的两侧设有第一、第二储粉筒，储粉筒的出粉口安装有控制漏粉的电磁阀并与中央控制器连接，可升降成形缸上连接的铺粉机架中部连接有金属铺粉板，铺粉机架两边开有第一、第二储粉槽，储粉槽内壁嵌有温度传感器并与中央控制器连接，储粉槽的出粉口下安装有控制漏粉的电磁阀并和中央控制器连接，储粉槽外壁绕有金属线圈，金属线圈和电磁感应加热控制器连接，电磁感应加热控制器与中央控制器连接，本发明通过对铺设单层所需粉末进行电磁感应加热，每次加热粉末量少，加热迅速，在对成型区域进行铺粉的同时，高温粉末又对上一成形层进行了加热，减小残余应力，减少成形件翘曲、开裂。

Description

一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统
技术领域
本发明涉及增材制造领域，特别涉及一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统。
背景技术
选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是激光快速成形制造领域中最具发展潜力的技术之一。它基于分层叠加制造原理，通过激光束逐层熔化金属粉末而成形复杂结构金属零件，在此方面与其它常规制造技术相比具有不可替代的优势，已经成为研究热点。
然而，SLM设备在成形金属零件过程中，因为激光快速成形局部热输入造成的不均匀温度场而产生残余应力，进而导致成形件翘曲、开裂，所以消除残余应力对抑制零件在成形过程中裂纹的产生具有重要意义。近年来研究发现对基板或粉末预热能降低残余应力，进而减少成形件翘曲、开裂。由于基板大多通过连接形式固定于成形平台上的，所以目前市场上的SLM设备大多通过对整个成形平台采用电阻加热或电磁加热来达到对基板加热的目的，由于需要加热温度较高，其中电阻式加热需较高能耗维持，且热量容易通过成形缸壁散失，同时又需要复杂的设备结构以保证温度的均一，而且在实际加工过程中，随着成形层数的增加，预热效果越来越不显著；而采用电磁加热则会由于集肤效应导致温度不一致，难于控制加工区域的预热温度，可能进一步加剧翘曲、开裂。因此这种方式在实际成形中仍具有较大的局限性。
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粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统，减小残余应力，减少成形件翘曲、开裂，同时减少需要加热的粉末总量，减少设备总体能耗，简化设备结构对于温度的维持和防护要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统,包括可升降成形缸12，可升降成形缸12上方设有光路系统1，光路系统1的两侧设有第一储粉筒2-1和第二储粉筒2-2，第一储粉筒2-1的出粉口安装有控制漏粉的第一电磁阀3-1，第二储粉筒2-2的出粉口安装有控制漏粉的第二电磁阀3-2，第一电磁阀3-1、第二电磁阀3-2与中央控制器4连接，可升降成形缸12上连接有铺粉机架5，铺粉机架5中部连接有金属铺粉板11，铺粉机架5两边开有第一储粉槽6-1、第二储粉槽6-2，第一储粉槽6-1内壁嵌有第一温度传感器8-1，第二储粉槽6-2内壁嵌有第二温度传感器8-2，第一温度传感器8-1、第二温度传感器8-2与中央控制器4连接，第一储粉槽6-1的出粉口下安装有控制漏粉的第三电磁阀10-1，第二储粉槽6-2的出粉口下安装有控制漏粉的第四电磁阀10-2，第三电磁阀10-1、第四电磁阀10-2和中央控制器4连接，第一储粉槽6-1外壁绕有第一金属线圈7-1，第二储粉槽6-2外壁绕有第二金属线圈7-2，第一金属线圈7-1和第一电磁感应加热控制器9-1连接，第二金属线圈7-2和第二电磁感应加热控制器9-2连接，第一电磁感应加热控制器9-1、第二电磁感应加热控制器9-2与中央控制器4连接。
所述的光路系统1采用激光器振镜系统或电子束。
使用所述的一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统的生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：开启激光选区熔化(SLM)设备，启动中央控制器4；
步骤二：中央控制器4发出第一电磁阀3-1的开关指令，打开第一电磁阀3-1，而第二电磁阀3-2仍保持关闭状态，第二储粉槽6-2初始位置处于第一储粉筒2-1出粉口正下方，此时第一储粉槽6-1、第二储粉槽6-2处于关闭状态，第一储粉筒2-1中的粉末漏进第二储粉槽6-2，将第二储粉槽6-2填充满粉末的时间预先计算好，并在中央控制器4中设置好，中央控制器4在指定时间自动发出第一电磁阀3-1的开关指令，关闭第一电磁阀3-1；
步骤三：铺粉机架5向第二储粉筒2-2移动，进行铺粉；
步骤四：在铺粉机架5移动开始的同时，中央控制器4发出第二电磁感应加热控制器9-2的开关指令，第二电磁感应加热控制器9-2启动高频或者中频电流，导通第二金属线圈7-2，第二金属线圈7-2在高频或者中频电流的作用下产生交变磁场，第二储粉槽6-2内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而对第二储粉槽6-2内的少量金属粉末进行迅速加热，第二温度传感器8-2实时监测第二储粉槽6-2内的金属粉末的温度，并将温度信息传送至中央控制器4；中央控制器4接收到温度信息后根据内置程序控制高频或中频电流大小以使第二储粉槽6-2内金属粉末处于恒温，因为第二储粉槽6-2内存储的金属粉量只够一次铺粉，所以第二储粉槽6-2内存储的金属分量很少，通过中央控制器4内置程序自动调节高频或中频电流大小以保证在铺粉机架5进行铺粉开始前使金属粉末达到指定温度；
步骤五：在铺粉机架5的第二储粉槽6-2开始进入可升降成形缸12时，中央控制器4发出第四电磁阀10-2的指令开关，打开第四电磁阀10-2，第二储粉槽6-2在向下漏粉的同时，金属铺粉板11也进行铺粉；
步骤六：铺粉机架5移动到可升降成形缸12右端时，第一储粉槽6-1处于第二储粉筒2-2出粉口正下方，中央控制器4发出第二电磁阀3-2、第四电磁阀10-2的开关指令，关闭第四电磁阀10-2，打开第二电磁阀3-2，第二储粉筒2-2中的粉末漏进第一储粉槽6-1，中央控制器4在指定时间发出第二电磁阀3-2的开关指令，关闭第二电磁阀3-2；
步骤七：铺粉机架5向第一储粉筒2-1移动，进行铺粉；
步骤八：在铺粉机架5移动开始的同时，中央控制器4发出第一电磁感应加热控制器9-1的开关指令，第一电磁感应加热控制器9-1启动高频或者中频电流，导通第一金属线圈7-1，第一金属线圈7-1在高频或者中频电流的作用下产生交变磁场，第一储粉槽6-1内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而对第一储粉槽6-1内的少量金属粉末进行迅速加热，第一温度传感器8-1实时监测第一储粉槽6-1内的金属粉末的温度，并将温度信息传送至中央控制器4；中央控制器4接收到温度信息后根据内置程序控制高频或中频电流大小以使第一储粉槽6-1内金属粉末处于恒温，因为第一储粉槽6-1内存储的金属粉量只够一次铺粉，所以第一储粉槽6-1内存储的金属分量很少，通过中央控制器4内置程序自动调节高频或中频电流大小以保证在铺粉机架5进行铺粉开始前使金属粉末达到指定温度；
步骤九：铺粉机架5移动到可升降成形缸12左端时，第二储粉槽6-2处于第一储粉筒2-1出粉口正下方，中央控制器4发出第一电磁阀3-1、第三电磁阀10-1的开关指令，关闭第三电磁阀10-1，打开第一电磁阀3-1，第一储粉筒2-1中的粉末漏进第二储粉槽6-2，中央控制器4在指定时间发出第一电磁阀3-1的开关指令，关闭第一电磁阀3-1；
步骤十：重复上述步骤二到步骤九，循环往复，最终成形出整个零件。
所述的生产工艺在惰性气体环境下或真空环境下进行。
本发明具有以下优点：
本发明通过对铺设单层所需粉末进行电磁感应加热，每次加热粉末量少，加热迅速，粉末构成的导体截面积很小，避免了电磁感应加热所引起的集肤效应，使得粉末加热温度几乎能够保持均匀一致。在对成型区域进行铺粉的同时，高温粉末又对上一成形层进行了加热，既达到对上一成形层进行在线退火的作用又降低了激光快速成形局部热输入造成的温度场不均匀性，减小残余应力，减少成形件翘曲、开裂。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参照图1，一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统,包括可升降成形缸12，可升降成形缸12上方设有光路系统1，光路系统1采用激光器振镜系统或电子束，光路系统1的两侧设有第一储粉筒2-1和第二储粉筒2-2，第一储粉筒2-1的出粉口安装有控制漏粉的第一电磁阀3-1，第二储粉筒2-2的出粉口安装有控制漏粉的第二电磁阀3-2，第一电磁阀3-1、第二电磁阀3-2与中央控制器4连接，可升降成形缸12上连接有铺粉机架5，铺粉机架5中部连接有金属铺粉板11，铺粉机架5两边开有第一储粉槽6-1、第二储粉槽6-2，第一储粉槽6-1内壁嵌有第一温度传感器8-1，第二储粉槽6-2内壁嵌有第二温度传感器8-2，第一温度传感器8-1、第二温度传感器8-2与中央控制器4连接，第一储粉槽6-1的出粉口下安装有控制漏粉的第三电磁阀10-1，第二储粉槽6-2的出粉口下安装有控制漏粉的第四电磁阀10-2，第三电磁阀10-1、第四电磁阀10-2和中央控制器4连接，第一储粉槽6-1外壁绕有第一金属线圈7-1，第二储粉槽6-2外壁绕有第二金属线圈7-2，第一金属线圈7-1和第一电磁感应加热控制器9-1连接，第二金属线圈7-2和第二电磁感应加热控制器9-2连接，第一电磁感应加热控制器9-1、第二电磁感应加热控制器9-2与中央控制器4连接。
使用所述的一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统的生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：开启激光选区熔化(SLM)设备，启动中央控制器4；
步骤二：中央控制器4发出第一电磁阀3-1的开关指令，打开第一电磁阀3-1，而第二电磁阀3-2仍保持关闭状态，第二储粉槽6-2初始位置处于第一储粉筒2-1出粉口正下方，此时第一储粉槽6-1、第二储粉槽6-2处于关闭状态，第一储粉筒2-1中的粉末漏进第二储粉槽6-2，将第二储粉槽6-2填充满粉末的时间预先计算好，并在中央控制器4中设置好，中央控制器4在指定时间自动发出第一电磁阀3-1的开关指令，关闭第一电磁阀3-1；
步骤三：铺粉机架5向第二储粉筒2-2移动，进行铺粉；
步骤四：在铺粉机架5移动开始的同时，中央控制器4发出第二电磁感应加热控制器9-2的开关指令，第二电磁感应加热控制器9-2启动高频或者中频电流，导通第二金属线圈7-2，第二金属线圈7-2在高频或者中频电流的作用下产生交变磁场，第二储粉槽6-2内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而对第二储粉槽6-2内的少量金属粉末进行迅速加热，第二温度传感器8-2实时监测第二储粉槽6-2内的金属粉末的温度，并将温度信息传送至中央控制器4；中央控制器4接收到温度信息后根据内置程序控制高频或中频电流大小以使第二储粉槽6-2内金属粉末处于恒温，因为第二储粉槽6-2内存储的金属粉量只够一次铺粉，所以第二储粉槽6-2内存储的金属分量很少，通过中央控制器4内置程序自动调节高频或中频电流大小以保证在铺粉机架5进行铺粉开始前使金属粉末达到指定温度；
步骤五：在铺粉机架5的第二储粉槽6-2开始进入可升降成形缸12时，中央控制器4发出第四电磁阀10-2的指令开关，打开第四电磁阀10-2，第二储粉槽6-2在向下漏粉的同时，金属铺粉板11也进行铺粉；
步骤六：铺粉机架5移动到可升降成形缸12右端时，第一储粉槽6-1处于第二储粉筒2-2出粉口正下方，中央控制器4发出第二电磁阀3-2、第四电磁阀10-2的开关指令，关闭第四电磁阀10-2，打开第二电磁阀3-2，第二储粉筒2-2中的粉末漏进第一储粉槽6-1，中央控制器4在指定时间发出第二电磁阀3-2的开关指令，关闭第二电磁阀3-2；
步骤七：铺粉机架5向第一储粉筒2-1移动，进行铺粉；
步骤八：在铺粉机架5移动开始的同时，中央控制器4发出第一电磁感应加热控制器9-1的开关指令，第一电磁感应加热控制器9-1启动高频或者中频电流，导通第一金属线圈7-1，第一金属线圈7-1在高频或者中频电流的作用下产生交变磁场，第一储粉槽6-1内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而对第一储粉槽6-1内的少量金属粉末进行迅速加热，第一温度传感器8-1实时监测第一储粉槽6-1内的金属粉末的温度，并将温度信息传送至中央控制器4；中央控制器4接收到温度信息后根据内置程序控制高频或中频电流大小以使第一储粉槽6-1内金属粉末处于恒温，因为第一储粉槽6-1内存储的金属粉量只够一次铺粉，所以第一储粉槽6-1内存储的金属分量很少，通过中央控制器4内置程序自动调节高频或中频电流大小以保证在铺粉机架5进行铺粉开始前使金属粉末达到指定温度；
步骤九：铺粉机架5移动到可升降成形缸12左端时，第二储粉槽6-2处于第一储粉筒2-1出粉口正下方，中央控制器4发出第一电磁阀3-1、第三电磁阀10-1的开关指令，关闭第三电磁阀10-1，打开第一电磁阀3-1，第一储粉筒2-1中的粉末漏进第二储粉槽6-2，中央控制器4在指定时间发出第一电磁阀3-1的开关指令，关闭第一电磁阀3-1；
步骤十：重复上述步骤二到步骤九，循环往复，最终成形出整个零件。

Claims (4)

1.一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统,包括可升降成形缸(12)，可升降成形缸(12)上方设有光路系统(1)，其特征在于：光路系统(1)的两侧设有第一储粉筒(2-1)和第二储粉筒(2-2)，第一储粉筒(2-1)的出粉口安装有控制漏粉的第一电磁阀(3-1)，第二储粉筒(2-2)的出粉口安装有控制漏粉的第二电磁阀(3-2)，第一电磁阀(3-1)、第二电磁阀(3-2)与中央控制器(4)连接，可升降成形缸(12)上连接有铺粉机架(5)，铺粉机架(5)中部连接有金属铺粉板(11)，铺粉机架(5)两边开有第一储粉槽(6-1)、第二储粉槽(6-2)，第一储粉槽(6-1)内壁嵌有第一温度传感器(8-1)，第二储粉槽(6-2)内壁嵌有第二温度传感器(8-2)，第一温度传感器(8-1)、第二温度传感器(8-2)与中央控制器(4)连接，第一储粉槽(6-1)的出粉口下安装有控制漏粉的第三电磁阀(10-1)，第二储粉槽(6-2)的出粉口下安装有控制漏粉的第四电磁阀(10-2)，第三电磁阀(10-1)、第四电磁阀(10-2)和中央控制器(4)连接，第一储粉槽(6-1)外壁绕有第一金属线圈(7-1)，第二储粉槽(6-2)外壁绕有第二金属线圈(7-2)，第一金属线圈(7-1)和第一电磁感应加热控制器(9-1)连接，第二金属线圈(7-2)和第二电磁感应加热控制器(9-2)连接，第一电磁感应加热控制器(9-1)、第二电磁感应加热控制器(9-2)与中央控制器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统,其特征在于：所述的光路系统(1)采用激光器振镜系统或电子束。
3.使用所述的一种粉床增材制造的电磁感应加热供铺粉一体化系统的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：开启激光选区熔化(SLM)设备，启动中央控制器(4)；
步骤二：中央控制器(4)发出第一电磁阀(3-1)的开关指令，打开第一电磁阀(3-1)，而第二电磁阀(3-2)仍保持关闭状态，第二储粉槽(6-2)初始位置处于第一储粉筒(2-1)出粉口正下方，此时第一储粉槽(6-1)、第二储粉槽(6-2)处于关闭状态，第一储粉筒(2-1)中的粉末漏进第二储粉槽(6-2)，将第二储粉槽(6-2)填充满粉末的时间预先计算好，并在中央控制器(4)中设置好，中央控制器(4)在指定时间自动发出第一电磁阀(3-1)的开关指令，关闭第一电磁阀(3-1)；
步骤三：铺粉机架(5)向第二储粉筒(2-2)移动，进行铺粉；
步骤四：在铺粉机架(5)移动开始的同时，中央控制器(4)发出第二电磁感应加热控制器(9-2)的开关指令，第二电磁感应加热控制器(9-2)启动高频或者中频电流，导通第二金属线圈(7-2)，第二金属线圈(7-2)在高频或者中频电流的作用下产生交变磁场，第二储粉槽(6-2)内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而对第二储粉槽(6-2)内的少量金属粉末进行迅速加热，第二温度传感器(8-2)实时监测第二储粉槽(6-2)内的金属粉末的温度，并将温度信息传送至中央控制器(4)；中央控制器4接收到温度信息后根据内置程序控制高频或中频电流大小以使第二储粉槽(6-2)内金属粉末处于恒温，因为第二储粉槽(6-2)内存储的金属粉量只够一次铺粉，所以第二储粉槽(6-2)内存储的金属分量很少，通过中央控制器(4)内置程序自动调节高频或中频电流大小以保证在铺粉机架(5)进行铺粉开始前使金属粉末达到指定温度；
步骤五：在铺粉机架(5)的第二储粉槽(6-2)开始进入可升降成形缸(12)时，中央控制器(4)发出第四电磁阀(10-2)的指令开关，打开第四电磁阀(10-2)，第二储粉槽(6-2)在向下漏粉的同时，金属铺粉板(11)也进行铺粉；
步骤六：铺粉机架(5)移动到可升降成形缸(12)右端时，第一储粉槽(6-1)处于第二储粉筒(2-2)出粉口正下方，中央控制器(4)发出第二电磁阀(3-2)、第四电磁阀(10-2)的开关指令，关闭第四电磁阀(10-2)，打开第二电磁阀(3-2)，第二储粉筒(2-2)中的粉末漏进第一储粉槽(6-1)，中央控制器(4)在指定时间发出第二电磁阀(3-2)的开关指令，关闭第二电磁阀(3-2)；
步骤七：铺粉机架(5)向第一储粉筒(2-1)移动，进行铺粉；
步骤八：在铺粉机架(5)移动开始的同时，中央控制器(4)发出第一电磁感应加热控制器(9-1)的开关指令，第一电磁感应加热控制器(9-1)启动高频或者中频电流，导通第一金属线圈(7-1)，第一金属线圈(7-1)在高频或者中频电流的作用下产生交变磁场，第一储粉槽(6-1)内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而对第一储粉槽(6-1)内的少量金属粉末进行迅速加热，第一温度传感器(8-1)实时监测第一储粉槽(6-1)内的金属粉末的温度，并将温度信息传送至中央控制器(4)；中央控制器(4)接收到温度信息后根据内置程序控制高频或中频电流大小以使第一储粉槽(6-1)内金属粉末处于恒温，因为第一储粉槽(6-1)内存储的金属粉量只够一次铺粉，所以第一储粉槽(6-1)内存储的金属分量很少，通过中央控制器(4)内置程序自动调节高频或中频电流大小以保证在铺粉机架(5)进行铺粉开始前使金属粉末达到指定温度；
步骤九：铺粉机架(5)移动到可升降成形缸(12)左端时，第二储粉槽(6-2)处于第一储粉筒(2-1)出粉口正下方，中央控制器(4)发出第一电磁阀(3-1)、第三电磁阀(10-1)的开关指令，关闭第三电磁阀(10-1)，打开第一电磁阀(3-1)，第一储粉筒(2-1)中的粉末漏进第二储粉槽(6-2)，中央控制器(4)在指定时间发出第一电磁阀(3-1)的开关指令，关闭第一电磁阀(3-1)；
步骤十：重复上述步骤二到步骤九，循环往复，最终成形出整个零件。
4.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，所述的生产工艺在惰性气体环境下或真空环境下进行。
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