CN107297897B - 一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分层制造三维物体的温度场调节方法，概述为：测试工件第1～5层烧结发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，测试工件烧结完成后发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调0.1％～0.5％，每次调试完温度场后均需重复验证直至不出现翘曲。本发明还提供一种分层制造三维物体的设备，包括监测模块、控制模块和加热器，监测模块与控制模块连接，用于监测烧结工件形貌并与控制模块建立数据连接，加热器均匀布置在整个加热区域的外围，用于形成工件烧结温度场,加热器还与控制模块连接，用于调节加热器输出功率。本发明调节方法简单准确，材料应用广，设备结构简单、应用领域广。

Description

一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法。

背景技术

“3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势，未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

按照3D打印的成型机理，通常将3D打印分为两大类：沉积原材料制造与黏合原材料制造，涵盖十多种具体的三维快速制造技术，较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种：SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

下面以选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)为例，来阐述分层制造三维物体温度场调节的技术现状，SLS是目前一种被广泛应用的快速成型技术，其成型工艺原理是：首先建立目标零件的计算机三维模型，然后用分层软件将三维模型进行切片处理，得到每一个加工层面的数据信息，在计算机控制下，根据切片层面信息，利用激光束对可热熔的粉末材料逐层扫描烧结，最终完成目标零件的加工制造。通过激光选择性地熔合粉末层来制造三维物体，粉末材料通常要经过预热升温至某一固定温度，再进行激光扫描熔融选择区域。预热温度的设定值会影响整个烧结过程，一般会低于粉末材料的熔融温度。过高的预热温度，会使受热的粉末在未受激光加热前就已经融化，无法继续成型；过低的预热温度，会使激光加热熔融的区域和周围未加热的粉末产生较大的温差，导致烧结熔融的区域受冷收缩变形，影响成型的精度，收缩严重时会发生翘曲，滚筒推走已经成型的区域，导致成型无法完成。

对于现有的选择性激光烧结设备，大多采用加热器分区加热。多个加热器分布在成型区域的上方，加热器加热垂直方向相对应的区域，使得粉末表面温度维持在所设定温度上下。但由于加热器之间的差异，加热器长时间使用的损耗，致使粉末表面的不同区域的温度存在几度差异。所以当温度分布不均匀时，往往出现部分扫描区域收缩，而其他区域正常，会使得最终成型在收缩区域存在缺陷，影响产品质量。

同时，由于选择性激光烧结适用的材料有很多种，对于不同的材料，其预热温度会有较大的差别，而即使对于相同的材料，由于原材料批次之间的差异，其预热温度也会有差异，导致找到合适的预热温度时间较慢，间接地增加了研发的时间。

发明内容

本发明提供了一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法，设备结构简单，成本低，温度场调节方法易于实现，操作性很强，材料适用性广，可适用于以分层形式制造三维物体的所有技术领域，易应用于工业生产。

本发明提供了一种分层制造三维物体温度场的调节方法，包括如下步骤：

步骤一、设计具有固定形状的若干测试工件，将所述测试工件均匀布置在整个加热区域，对所述测试工件第1～5层进行烧结，观察测试工件烧结翘曲情况，如果测试工件第1～5层中烧结出现翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并执行步骤二，如果所述测试工件第1～5层中烧结不出现翘曲，则执行步骤三；

步骤二、将新的测试工件均匀布置在整个加热区域，并对新的测试工件第1～5层进行烧结，观察所述新的测试工件烧结翘曲情况，如果新的测试工件发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并返回执行步骤二，如果所述新的测试工件第1～5层烧结不出现翘曲，则执行步骤三；

步骤三、将又一新的测试工件均匀布置在整个加热区域，并对又一新的测试工件烧结完成，观察所述又一新的测试工件烧结翘曲情况，如果又一新的测试工件发生烧结完成后翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调0.1％～0.5％，并返回执行步骤三，如果又一新的测试工件不翘曲，则执行步骤四；

步骤四、对所需要生产的工件进行烧结成型。

作为本发明的进一步优选方案，所述测试工件的截面为多边形。

作为本发明的进一步优选方案，所述测试工件每层铺粉的厚度为0.1-0.3mm。

作为本发明的进一步优选方案，所述测试工件的厚度为1～4mm。

本发明还提供一种分层制造三维物体的设备，温度场可调节，包括监测模块、控制模块和加热器，所述监测模块与控制模块连接，用于监测烧结工件形貌并与控制模块建立数据连接，所述加热器均匀布置在整个加热区域的外围，用于形成工件烧结的温度场,所述加热器还与控制模块连接，用于调节加热器输出功率。

作为本发明的进一步优选方案，所述控制模块包括数据获取模块，所述数据获取模块与所述监测端连接，用于获取所述监测端监测到的烧结工件形貌信息。

作为本发明的进一步优选方案，所述控制模块还包括数据分析模块，所述数据分析模块与数据获取模块连接，所述数据分析模块用于判定工件烧结表面形貌是否出现翘曲及出现翘曲区域所对应的加热器。

作为本发明的进一步优选方案，所述控制模块还包括功率调节模块，所述功率调节模块与加热器连接，用于调节所述加热器的功率。

作为本发明的进一步优选方案，所述功率调节模块包括第一功率调节模块，所述第一功率调节模块用于调节工件烧结过程中第1～5层出现烧结翘曲区域所对应的加热器功率。

作为本发明的进一步优选方案，所述功率调节模块包括第二功率调节模块，所述第二功率调节模块用于调节工件烧结完成后出现烧结翘曲区域所对应的加热器功率。

本发明分层制造三维物体的设备及温度场调节方法具有以下有益效果：

(1)、分层制造三维物体翘曲分为建造中翘曲和建造后翘曲，对于建造中翘曲，可以及时观察到并进行参数上较大的调节，但建造后的翘曲需完成整个工件后才产生，本发明可以通过反复调试烧结温场，以避免建造中和建造后两种翘曲，方法简单，易于实现。

(2)、通过对测试工件进行烧结，调试温场成本极低，采用截面为多边形的测试工件验证，调试结果更准确；

(3)、本发明能较快的调试到合适的预热温度，将大大的缩短研发的时间，可应用于不同种类和批次的烧结材料，材料适用性范围广，易应用于工业生产。

(4)、具有温度场调节功能的分层制造三维物体的设备，其结构简单，成本低，操作性很强，能具体到每一个烧结工件所对应的加热器功率调节，适用于以分层形式制造三维物体的所有技术领域。

附图说明

图1为本发明分层制造三维物体的温度场调节方法的步骤流程图；

图2位本发明分层制造三维物体的设备实施例中连接关系及工作原理示意图

图3为本发明分层制造三维物体的设备实施例中又一连接关系及工作原理示意图；

图4为本发明实施例中一测试工件第1层的竖直截面结构示意图；

图5为本发明实施例中又一测试工件第1～3层的竖直截面结构示意图；

图6为本发明实施例中又一测试工件第1～5层的竖直截面结构示意图；

图7为本发明实施例中又一测试工件第1～20层的竖直截面结构示意图；

图8为本发明实施例中又一测试工件第1～20层的立体结构示意图；

图9为本发明实施例中测试工件的水平截面示意图；

图10为本发明实施例中又一测试工件的水平截面示意图。

附图标记说明：1、监测模块；2、控制模块；21、数据获取模块；22、数据分析模块；23、功率调节模块；231、第一功率调节模块；232、第二功率调节模块；3、加热器；31、第一加热器；32、第二加热器；4、加热区域。

具体实施方式

为了开发这种分层制造三维物体温度场调节方法，申请人经过实验发现：预热温度的设定值会影响整个烧结过程，一般会低于粉末材料的熔融温度，预热温度过高或过低都会影响工件成型质量。以现有的选择性激光烧结设备为例，大多采用加热器分区加热，多个加热器分布在成型区域的上方，加热器加热垂直方向相对应的区域，使得粉末表面温度维持在所设定温度上下，但由于加热器之间的差异，加热器长时间使用的损耗，致使粉末表面的不同区域的温度存在几度差异。所以当温度分布不均匀时，往往出现部分扫描区域收缩，而其他区域正常，会使得最终成型在收缩区域存在缺陷，影响产品质量。同时，由于选择性激光烧结适用的材料有很多种，对于不同的材料，其预热温度会有较大的差别，而即使对于相同的材料，由于原材料批次之间的差异，其预热温度也会有差异，导致找到合适的预热温度时间较慢，间接地增加了研发的时间。

为了进一步克服上述技术问题，如图1所示，本发明提供了一种分层制造三维物体的温度场调节方法，包括如下步骤：

步骤一、设计具有固定形状的若干测试工件，将测试工件均匀布置在整个加热区域，对测试工件第1～5层进行烧结，观察测试工件烧结翘曲情况，如果测试工件第1～5层中烧结出现翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并执行步骤二，如果测试工件第1～5层中烧结不出现翘曲，则执行步骤三；

步骤二、将新的测试工件均匀布置在整个加热区域，并对新的测试工件第1～5层进行烧结，观察新的测试工件烧结翘曲情况，如果新的测试工件发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并返回执行步骤二，如果新的测试工件第1～5层烧结不出现翘曲，则执行步骤三；

步骤三、将又一新的测试工件均匀布置在整个加热区域，并对又一新的测试工件烧结完成，观察又一新的测试工件烧结翘曲情况，如果又一新的测试工件发生烧结完成后翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调0.1％～0.5％，并返回执行步骤三，如果又一新的测试工件不翘曲，则执行步骤四；

步骤四、对所需要生产的工件进行烧结成型。

作为本发明的进一步优选方案，测试工件的截面为多边形。

作为本发明的进一步优选方案，测试工件每层铺粉的厚度为0.1-0.3mm。

作为本发明的进一步优选方案，测试工件的厚度为1～4mm。

如图2所示，本发明还提供一种分层制造三维物体的设备，温度场可调节，包括监测模块1、控制模块2和加热器3，监测模块1与控制模块2连接，用于监测烧结工件形貌并与控制模块2建立数据连接，加热器3均匀布置在整个加热区域4的外围，用于形成工件烧结的温度场,加热器3还与控制模块2连接，用于调节加热器输出功率。参照图2，加热器3均匀设置于加热区域4的顶部，当然，根据工件的摆放位置以及加工方法的革新，加热器3也可设置于加热区域4外围的其它区域，例如加热器3设置于加热区域4的底部、左侧、右侧、前端、后端或与上述六个加热器安装平面呈一定夹角的空间面域。优选的，监测模块1为摄像机。

如图3所示，作为本发明的进一步优选方案，控制模块2包括数据获取模块21，数据获取模块21与监测端1连接，用于获取监测端1监测到的烧结工件形貌信息。

作为本发明的进一步优选方案，控制模块2还包括数据分析模块22，数据分析模块22与数据获取模块21连接，数据分析模块用22于判定工件烧结表面形貌是否出现翘曲及出现翘曲区域所对应的加热器3。

作为本发明的进一步优选方案，控制模块2还包括功率调节模块23，功率调节模块23与加热器3连接，用于调节加热器的功率。

作为本发明的进一步优选方案，功率调节模块23包括第一功率调节模块231，第一功率调节模块231用于调节工件烧结过程中第1～5层出现烧结翘曲区域所对应的加热器3功率。参照图3，假设图3中第一加热器31下方所对应的测试工件(图未示)，在烧结过程中，监测模块1监测到测试工件第1～5层出现烧结翘曲，数据获取模块21获取监测模块1监测到的烧结工件形貌图像，并将数据传输至数据分析模块21，数据分析模块21判定第一加热器31下方所对应的测试工件发生第1～5层翘曲，第一功率调节模块231接收到判定信号后，将第一加热器31的输出功率上调1％～5％。当然，在本发明中，温度场调节方法不仅仅只针对测试工件，对所需要生产的工件也同样适用，不采用工件验证调节温度场的原因是烧结工件的成本过高。值得说明的是，本实施例中，第一功率调节模块231仅以对第一加热器31输出功率调节为例进行说明，在图3中，第一功率调节模块231对所有加热器3均可以进行输出功率调节，即第一功率调节模块231对加热区域4外围设置的所有加热器3均可以进行输出功率调节。

作为本发明的进一步优选方案，功率调节模块23包括第二功率调节模块232，第二功率调节模块232用于调节工件烧结完成后出现烧结翘曲区域所对应的加热器3输出功率。参照图3，假设图3中第二加热器32下方所对应的测试工件(图未示)，在烧结过程中，监测模块1监测到测试工件烧结完成后出现翘曲，数据获取模块21获取监测模块1监测到的烧结工件形貌图像，并将数据传输至数据分析模块22，数据分析模块22判定第二加热器32下方所对应的测试工件发生烧结完后翘曲，第二功率调节模块23接收到判定信号后，将第二加热器32的输出功率上调0.1％～0.5％。值得说明的是，本实施例中，第二功率调节模块232仅以第二加热器32为例进行说明，在图3中，第二功率调节模块232对所有加热器均3可以进行输出功率调节，即第二功率调节模块232对加热区域外围设置的所有加热器3均可以进行输出功率调节。

下面对上述温度场调节方法步骤进行具体说明，方法步骤的流程图参考图1，如图4所示，测试工件在烧结完第一层时，图4中a处出现翘曲现象，此时通过控制模块将位于a处上方所对应的加热器输出功率上调1％～5％；然后对新的测试工件第1～5层进行烧结，当工件烧结完第3层时，如图5所示，图5中b处出现翘曲现象，此时通过控制模块将位于b处上方所对应的加热器输出功率上调1％～5％；然后对又一新的测试工件第1～5层进行烧结，当工件烧结完第5层时，如图6所示，图6中c处出现翘曲现象，此时通过控制模块将位于c处上方所对应的加热器输出功率上调1％～5％；然后对又一新的测试工件第1～5层进行烧结，经观察没有出现翘曲现象，继续烧结完成，当烧结完最后一层时，以20层作最后一层为例，如图7所示，图7中d处出现翘曲现象，此时通过控制模块将位于d处上方所对应的加热器输出功率上调0.1％～0.5％；经调试温度场后，对又一新的测试工件第1～20层进行烧结，如图8所示，为测试工件第1～20层的立体结构示意图，经观察并未出现翘曲现象；最后将调试后的温度场对所需要生产的工件进行烧结成型。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实例一：

使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FS3200。图9所示的是水平截面为多边形的测试工件结构的示意图，并参照图3，制造过程包括：先将该形状测试工件的三维CAD模型导入FS403设备中，九个测试工件平均分布在整个加热区域4，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料逐层的铺送在工作缸的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描。通过摄像机监测到测试工件出现翘曲的形貌信息，数据获取模块21从摄像机接收到测试工件形貌图像信息，再将数据传输到数据分析模块22，数据分析模块22经判定，该测试工件属于第1～5层烧结翘曲，通过第一功率调节模块231将测试工件出现翘曲区域上方所对应加热器3输出功率上调1％，升高该区域的温度，使得整个加热区域4的温场稳定。再次烧结九个测试工件，在建造中及建造后都未发现翘曲。最后将调试后的温度场对所需要生产的工件进行烧结成型。

实例二：

使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FS3200。图10所示的是水平截面为圆形的测试工件结构示意图，并参照图3，制造过程包括：先将该形状测试工件的三维CAD模型导入FS403设备中，九个测试工件平均分布在整个加热区域4，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料逐层的铺送在工作缸的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描。通过摄像机监测到测试工件出现翘曲的形貌信息，数据获取模块21从摄像机接收到测试工件形貌图像信息，再将数据传输到数据分析模块22，数据分析模块经判定，该测试工件属于第1～5层烧结翘曲，通过第一功率调节231模块将测试工件出现翘曲区域上方所对应加热器3输出功率上调1％，升高该区域的温度，使得整个加热区域4的温场稳定。再次烧结九个测试工件，在建造中及建造后都未发现翘曲。最后将调试后的温度场对所需要生产的工件进行烧结成型，仍然出现翘曲。由此得出，水平截面为圆形的测试工件不适合用于分层制造三维物体温度场的调节方法。

实例三：

使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FA6028。图9所示的是水平截面为多边形的测试工件结构的示意图，并参照图3，制造过程包括：先将该形状测试工件的三维CAD模型导入FS403设备中，九个测试工件平均分布在整个加热区域4，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料逐层的铺送在工作缸的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描。通过摄像机监测到测试工件出现翘曲的形貌信息，数据获取模块21从摄像机接收到测试工件形貌图像信息，再将数据传输到数据分析模块22，数据分析模块22经判定，该测试工件属于第1～5层烧结翘曲，及时将测试工件出现翘曲区域上方所对应加热器3输出功率上调1％，升高该区域的温度，使得整个加热区域4的温场稳定。再次烧结九个测试工件，经摄像机摄取测试工件烧结形貌，数据获取模块21获取测试工件烧结形貌信息，并将数据传输到数据分析模块22，数据分析模块22判定测试工件在建造中未发生翘曲，但建造后存在翘曲，通过第二功率调节模块232将建造后测试工件出现翘曲区域上方所对应加热器3输出功率上调0.3％。重复烧结九个测试工件，未发现建造后的翘曲。最后将调试后的温度场对所需要生产的工件进行烧结成型。

值得说明的是本发明实施例一至三，均是以测试工件数量九个为例，实际应用中，测试工件数量不作限制，并且，应用范围不局限于选择性激光烧结技术，适用于以分层形式制造三维物体的所有技术领域。

综上所述，本发明分层制造三维物体的设备及温度场调节方法具有以下有益效果：

(1)、分层制造三维物体翘曲分为建造中翘曲和建造后翘曲，对于建造中翘曲，可以及时观察到并进行参数上较大的调节，但建造后的翘曲需完成整个工件后才产生，本发明可以通过反复调试烧结温场，以避免建造中和建造后两种翘曲，方法简单，易于实现。

(2)、通过对测试工件进行烧结，调试温场成本极低，采用截面为多边形的测试工件验证，调试结果更准确；

(3)、本发明能较快的调试到合适的预热温度，将大大的缩短研发的时间，可应用于不同种类和批次的烧结材料，材料适用性范围广，易应用于工业生产。

(4)、具有温度场调节功能的分层制造三维物体的设备，其结构简单，成本低，操作性很强，能具体到每一个烧结工件所对应的加热器功率调节，适用于以分层形式制造三维物体的所有技术领域。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分层制造三维物体的温度场调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设计具有固定形状的若干测试工件，加热器均匀布置在整个加热区域的外围，用于形成工件烧结的温度场，将所述测试工件的三维CAD模型导入设备中并均匀布置在整个加热区域，对所述测试工件第1～5层进行激光烧结，观察测试工件烧结翘曲情况，如果测试工件第1～5层中烧结出现翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并执行步骤二，如果所述测试工件第1～5层中烧结不出现翘曲，则执行步骤三；

步骤二、将新的测试工件的三维CAD模型导入设备中并均匀布置在整个加热区域，并对新的测试工件第1～5层进行激光烧结，观察所述新的测试工件烧结翘曲情况，如果新的测试工件发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并返回执行步骤二，如果所述新的测试工件第1～5层激光烧结不出现翘曲，则执行步骤三；

步骤三、将又一新的测试工件的三维CAD模型导入设备中并均匀布置在整个加热区域，并对又一新的测试工件激光烧结完成，观察所述又一新的测试工件激光烧结翘曲情况，如果又一新的测试工件发生烧结完成后翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调0.1％～0.5％，并返回执行步骤三，如果又一新的测试工件不翘曲，则执行步骤四；

步骤四、对所需要生产的工件进行激光烧结成型。

2.根据权利要求1所述的分层制造三维物体的温度场调节方法，其特征在于，所述测试工件的截面为多边形。

3.根据权利要求2所述的分层制造三维物体的温度场调节方法，其特征在于，所述测试工件每层铺粉的厚度为0.1-0.3mm。

4.根据权利要求3所述的分层制造三维物体的温度场调节方法，其特征在于，所述测试工件的厚度为1～4mm。

5.一种分层制造三维物体的设备，其特征在于，温度场可调节，温度场根据权利要求1-4中任一项所述的分层制造三维物体的温度场调节方法进行调节，包括监测模块、控制模块和加热器，所述监测模块与控制模块连接，用于监测烧结工件形貌并与控制模块建立数据连接，所述加热器均匀布置在整个加热区域的外围，用于形成工件烧结的温度场，所述加热器还与控制模块连接，用于调节加热器输出功率。

6.根据权利要求5所述的分层制造三维物体的设备，其特征在于，所述控制模块包括数据获取模块，所述数据获取模块与所述监测模块连接，用于获取所述监测模块监测到的烧结工件形貌信息。

7.根据权利要求6所述的分层制造三维物体的设备，其特征在于，所述控制模块还包括数据分析模块，所述数据分析模块与数据获取模块连接，所述数据分析模块用于判定工件烧结表面形貌是否出现翘曲及出现翘曲区域所对应的加热器。

8.根据权利要求7所述的分层制造三维物体的设备，其特征在于，所述控制模块还包括功率调节模块，所述功率调节模块与加热器连接，用于调节所述加热器的功率。

9.根据权利要求8所述的分层制造三维物体的设备，其特征在于，所述功率调节模块包括第一功率调节模块，所述第一功率调节模块用于调节工件烧结过程中第1～5层出现烧结翘曲区域所对应的加热器功率。

10.根据权利要求9所述的分层制造三维物体的设备，其特征在于，所述功率调节模块包括第二功率调节模块，所述第二功率调节模块用于调节工件烧结完成后出现烧结翘曲区域所对应的加热器功率。