CN107379527A - 一种适用于铺粉式增材制造的预热方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于铺粉式增材制造的预热方法及其装置，属于增材制造技术领域，在粉末床正上方安置能覆盖整个粉末床的可移动式平面加热板，平面加热板的安装高度略高于铺粉器，在铺粉过程中对粉末床和零件进行预热，铺粉完成后平面热源关闭并收起，避免加工过程中平面加热板阻挡高能束流。在加热过程中，使用测温传感器对粉末床的温度实时监测，采用控制系统根据温度监测结果对粉末床的预热实施反馈控制。通过全幅面覆盖式的加热，能够实现对粉末床和已成形零件的高温、高效和均匀预热。本发明还提供了实现如上方法的装置。该方法适用材料广、扩展性强，特别适用于大幅面、多高能束的铺粉式增材制造。

Description

一种适用于铺粉式增材制造的预热方法以及装置

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体为一种全覆盖式加热粉末床及成形件的预热方法以及装置，该方法适用于各类金属、非金属或复合材料，尤其适用于大幅面、多高能束的铺粉式增材制造。

背景技术

铺粉式增材制造技术是以高能束(激光束、电子束、等离子束等)为热源，逐层熔化或烧结金属、非金属或复合材料粉末直接制造零件的技术。由于粉末粒径通常较小，可实现较小的分层厚度，因此此技术具备直接制造高精度复杂零件的能力，这使其在众多增材制造技术中脱颖而出。铺粉式增材制造技术成形零件时，首先逐层预置铺粉形成粉末层，高能束根据每层的规划路径逐层选区熔化或烧结粉末，最终实现零件的成形。

由于在铺粉式增材制造过程中，高能束对每一层粉末进行局部熔化或烧结，粉末床与零件经历反复局部加热—冷却的热循环，导致零件温度场变化既快且复杂，进而导致零件中存在较大的内应力，使成形零件存在较大的变形和开裂风险。随着铺粉式增材制造技术不断朝着大尺寸、大幅面、多高能束方向发展，成形过程中零件的内应力分布将更复杂，这严重威胁着大尺寸零件的成形质量。

为了减小铺粉式增材制造成形过程中零件的内应力、提高零件的成形质量，对粉末床及成形件进行预热被证明是一种行之有效的方法。预热能有效减小成形过程中的温度梯度，从而减小成形零件的内应力和热变形。

当前，对粉末床及成形件进行预热的方法主要包括以下几种：

一是如公开号为CN201300207Y和CN104959604A专利申请中所述的，对成形基板及成形缸侧壁预热。对基板及成形缸侧壁加热可以在一定程度上提高基板、零件和粉末床的温度，但由于相对疏松的粉末床导热性不足，随着增材制造装备幅面的增大和零件成形高度的增加，对基板和成形缸侧壁预热的热量难以传递到待成形的粉末层和零件表面，预热效果存在局限性，难以实现数百摄氏度的高温预热。

二是如公开号为CN205763859U和CN103100713B专利申请中所述的对送粉器内的粉末进行预热。这种方法能有效地提高粉末的流动性，但由于成形过程中单次铺粉量有限，难以实现对成形零件的预热，因此预热效果十分有限。

另外，如公开号为CN106001575A、CN102335741A、CN105034394A等专利所述，在成形幅面四周或上方布置辐射加热源，也可实现对粉末床和零件的预热。使用辐射加热源预热粉末床和零件能有效提高预热效率和效果。但是，由于增材制造过程中高能束通常从成形幅面顶部发出，而辐射加热源不能遮挡高能束流，因此现有的辐射加热源布置方法无法实现整个成形幅面的全覆盖，这将导致成形幅面的预热温度不均匀。当所需的预热温度达到数百摄氏度时，成形幅面上预热温度的不均匀程度将更加明显。另外，随着增材制造装备向大幅面和多高能束方向发展，粉末床上方留给辐射热源的空间将更有限，现有的辐射预热方式将无法实现整个成形幅面的高温、高效和均匀预热。

综上所述，在现有的铺粉式增材制造装备中，对成形基板、成形缸侧壁以及送粉器内的粉末进行加热的预热效果有限，而辐射加热式预热方法尽管能够实现对粉末床和成形零件的高效预热，但还难以实现对整个成形幅面的高温和均匀预热，亦存在应用上的局限性。

随着铺粉式增材制造装备成形幅面的增大、高能束的增多，上述预热方法的局限性将更加凸显。大尺寸零件的增材制造通常需要数十甚至数百小时，成形过程中内应力诱发的裂纹等缺陷不可逆转且难以修复，将直接导致零件的成形失败，这是极大的浪费。

因此，如何实现成形过程中的高温、高效及均匀预热，以减小零件内应力、提高零件成形质量，成为铺粉式高能束增材制造装备开发中亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于铺粉式增材制造的预热方法以及装置。该方法和装置可以实现对粉末床的高温、高效和均匀预热，预热温度最高可达1000℃，能够有效降低高能束扫描过程中的温度梯度，最终降低增材制造成形零件的内应力，提高零件的成形质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于铺粉式增材制造的预热方法，其特征在于，在铺粉式增材制造装备粉末床正上方安置能覆盖整个粉末床的可移动式平面加热板，平面加热板的安装高度高于铺粉器，在铺粉过程中对粉末床进行预热，铺粉完成后平面加热板关闭并收起，以避免加工过程中阻挡高能束流，

在加热过程中，使用测温传感器对粉末床的温度进行实时监测，采用控制系统根据温度监测结果对粉末床的预热温度实施反馈控制，通过全幅面覆盖式的加热，实现对铺粉式增材制造粉末床和已成形零件的高温、高效和均匀预热。

在本发明的一个实施例中，一种适用于铺粉式增材制造的预热方法具体包括如下步骤：

(1)根据高能束增材制造使用的材料，确定相应的预热温度，确定了预热温度后，调节平面加热板的功率，保证平面加热板能在铺粉时间内将粉末床加热到相应的预热温度，

(2)成形开始前，首先预铺一层粉末，然后将铺粉装置移出成形幅面，同时将平面加热板移动至成形幅面上方，按照设定的预热温度对成形基板及第一层粉末进行加热。待成形基板及第一层粉末温度稳定至设定的预热温度后，平面加热板关闭并快速收起，高能束开始扫描，零件成形开始。

(3)当前层完成扫描后，成形缸下降一个切片层厚度，控制系统控制平面加热板开启并快速移动至成形幅面上方，同时铺粉装置开始进行铺粉。预热过程中使用测温传感器对粉末床的温度实时监测，控制系统根据监测结果对粉末床的预热实施反馈控制，保证预热温度的稳定性。其中，预热温度的稳定性是指温度波动不超过±5℃。

(4)铺粉即将完成且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统控制平面加热板关闭并快速收起。铺粉完成且加热板收起后，高能束流开始进行下一层扫描。

(5)重复上述第(3)和第(4)步，直至完成整个零件的增材制造。

所述的平面加热板数量根据成形幅面的需求可以为一块或多块，加热板具有加热均匀、升温迅速、功率可调等特点，在保证不与铺粉装置发生干涉的基础上，加热板的安装高度尽量接近于粉末床，减少预热热量耗散。根据不同材料及温度的预热需求，所述的平面加热板可为各类红外加热板、远红外加热板及平面感应加热板等。平面加热板的最高预热温度达到1000℃。平面加热板为辐照加热(又称为辐射加热)方式或者电磁感应加热的方式。

按照本发明的另一个方面，还提供一种实现如上方法的装置，其为双向铺粉装置，其包括高能束发生及控制模块、成形腔体、成形台面、铺粉装置、成形缸、第一、第二送粉装置、第一、第二粉末回收装置、控制系统，还包括第一、第二平面加热板、加热板运动导轨和第一、第二测温传感器，其中，高能束发生及控制模块位于成形腔体的顶端，第一、第二送粉装置位于成形台面两侧，第一、第二粉末回收装置分别位于成形台面两侧底部，用于实现双向送粉和双向粉末回收，第一、第二平面加热板置于成形幅面正上方，其高于铺粉装置，成形缸位于成形台面中央下方。工作时，在控制系统的控制下，第一、第二平面加热板通过热板运动导轨实现往复开闭运动，且在铺粉过程中，实现第一、第二平面加热板的闭合，在高能束扫描成形过程中实现第一、第二平面加热板打开，第一、第二测温传感器分别对应安装于第一、第二送粉装置的内侧，用于在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈，高能束发生及控制模块中发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸下降一个切片层高度，铺粉装置开始铺粉，与此同时控制系统控制第一、第二平面加热板组开启并快速横向运动至成形幅面上方，开始对粉末床进行均匀预热，预热过程中第一、第二测温传感器对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈，从而保证预热温度稳定。

按照本发明的第三个方面，还提供一种实现如上所述的方法的装置，其为单向铺粉装置，其包括高能束发生及控制模块、成形腔体、成形台面、铺粉装置、成形缸、第一送粉装置、第一粉末回收装置、控制系统、第一、第二传感器安置台，第一、第二平面加热板组、加热板运动导轨以及第一、第二测温传感器，其中，

高能束发生及控制模块位于成形腔体的顶端，第一送粉装置和第一粉末回收装置分别位于成形台面的两侧，分别用于实现送粉和粉末回收，成形缸位于成形台面中央下方，第一、第二平面加热板组置于成形幅面正上方且高于铺粉装置，第一、第二传感器安置台设置在成形缸的两侧，分别用于安装第一、第二测温传感器，第一、二测温传感器在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈控制，

工作时，高能束发生及控制模块发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸下降一个切片层高度，铺粉装置开始从第一粉末回收装置回到第一送粉装置，

与此同时，控制系统控制第一、第二平面加热板开启并沿着加热板运动导轨运动至成形幅面上方，开始对粉末床进行预热，预热过程中第一、二测温传感器对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈控制，保证预热温度稳定，

铺粉装置从第一粉末回收装置回到第一送粉装置后，随即顶起所需的单层粉末，接着，铺粉装置再从第一送粉装置运动到第一粉末回收装置实施铺粉，

当铺粉行程即将完成，且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统控制第一、二平面加热板沿着加热板运动导轨关闭并快速移出成形幅面上方，铺粉装置的铺粉行程完成且第一、二平面加热板运动出成形幅面上方后，控制系统控制高能束流开始进行下一层扫描。

进一步的，所述加热板运动导轨包括第一加热板运动导轨和第二加热板运动导轨，第一加热板运动导轨、第二加热板运动导轨两者对称，均为弧形状，第一、第二平面加热板的一端均通过转轴连接在成形台面上，第一、第二平面加热板的另一端分别与第一加热板运动导轨、第二加热板运动导轨活动连接，以分别能沿着第一加热板运动导轨、第二加热板运动导轨实现相对合闭或者相对打开。

进一步的，所述加热板运动导轨为直线导轨，所述第一、第二平面加热板沿直线导轨进行直线运动，完成折叠和铺展。

进一步的，所述高能束发生及控制模块具有多个，平面加热板具有对称设置的多块，设置多个高能束发生及控制模块以及多个平面加热板，以能进行更大幅面、多高能束的铺粉式增材制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于平面加热板受到控制系统控制，其功率可调节，其对粉末床表面直接辐照或电磁加热，对粉末床及零件导热能力的要求较低，因此广泛适合于铺粉式增材制造中各类金属、非金属及复合材料粉末床和成形零件的预热，其预热方法材料适用范围广。

(2)本发明提供的预热方法为面加热，其扩展性强，不仅适合于单向铺粉式增材制造装备，也能扩展到双向铺粉式装备。同时，不仅适合于小幅面粉末床的预热，也易于扩展到大幅面、多高能束增材制造装备粉末床的预热，能够有效突破现有预热方法扩展到大幅面时遭遇的预热效率低、预热温度不均匀等瓶颈。

(3)本发明提供的预热方法由于平面加热板距离粉末床较近，能够显著减少预热过程中的热量耗散，具有较高的预热效率。

(4)本发明提供的粉末床全覆盖式预热方法(平面加热板能覆盖整个粉末床，是一种全面覆盖的加热方式)，能够最大程度上实现整个成形幅面的高温、均匀预热，解决了现有的辐射式预热方法预热不均匀且预热温度有限的难题。

(5)本发明提供的预热方法在每一层的铺粉过程中完成，是边铺粉边加热的方式，无需额外规划时间用于预热，能够缩短增材制造零件成形的周期，提高零件的成形效率。

(6)本发明提供的预热方法是一种一边铺粉一边加热的方式，铺完粉后，紧接着高能束就进行扫描，然后，又接着进行铺粉加热，其成形节奏非常快，热量不容易散失，这样的加热和成形节奏具有的优点是：一方面能够有效降低高能束扫描过程中的温度梯度，减小成形零件内应力，另一方面加热产生的高温还能对已成形零件部分起到退火作用，进一步降低成形零件的内应力。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明的适用于铺粉式增材制造的预热方法的预热装置的结构示意图；

图3为本发明的预热方法预热完成后增材制造结构示意图；

图4为本发明的预热方法的第一种具体实施方式制作过程中加工装置结构示意图；

图5为本发明的预热方法的第二种具体实施方式制作过程中加工装置结构示意图；

图6为本发明的预热方法的第二种具体实施方式扩展到更大幅面、多高能束的加工装置结构示意图；

图7为平面加热板组进行扩展的具体实现方式结构示意图；

图8为本发明的预热方法的第三种具体实施方式制作过程中加工装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了提高铺粉式增材制造过程中的预热效率，减少预热能量耗散，同时实现对粉末床的高温、均匀预热，本发明提出了一种适用于铺粉式增材制造的预热方法。该方法是在铺粉式增材制造装备粉末床正上方安置能覆盖整个粉末床的可移动式平面加热板，平面加热板的安装高度略高于铺粉器，在铺粉过程中对粉末床进行预热，铺粉完成后平面热源关闭并收起，避免加工过程中阻挡高能束流。在加热过程中，使用测温传感器对粉末床的温度进行实时监测，控制系统根据监测结果对粉末床的预热实施反馈控制。通过全幅面覆盖式的加热，实现对铺粉式增材制造粉末床和已成形零件的高温、高效和均匀预热。

图1为本发明方法的流程示意图，本发明的预热方法具体包括如下步骤：

(1)根据高能束增材制造使用的材料，确定相应的预热温度，确定了预热温度后，调节平面加热板的功率，保证平面加热板能在铺粉时间内将粉末床加热到相应的预热温度，

(2)成形开始前，首先预铺一层粉末，然后将铺粉装置移出成形幅面，同时将平面加热板移动至成形幅面上方，按照设定的预热温度对成形基板及第一层粉末进行加热。待成形基板及第一层粉末温度稳定至设定的预热温度后，平面加热板关闭并快速收起，高能束开始扫描，零件成形开始。

(3)当前层完成扫描后，成形缸下降一个切片层厚度，控制系统控制平面加热板开启并快速移动至成形幅面上方，同时铺粉装置开始进行铺粉。预热过程中使用测温传感器对粉末床的温度实时监测，控制系统根据监测结果对粉末床的预热实施反馈控制，保证预热温度的稳定性。其中，预热温度的稳定性是指温度波动不超过±5℃。

(4)铺粉即将完成且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统控制平面加热板关闭并快速收起。铺粉完成且加热板收起后，高能束流开始进行下一层扫描。

(5)重复上述第(3)和第(4)步，直至完成整个零件的增材制造。

所述的平面加热板数量根据成形幅面的需求可以为一块或多块，平面加热板具有加热均匀、升温迅速、功率可调等特点，在保证不与铺粉装置发生干涉的基础上，平面加热板的安装高度尽量接近于粉末床，减少预热热量耗散。根据不同的预热需求，所述的平面加热板可为各类红外加热板、远红外加热板及平面感应加热板等。

图2为本发明的适用于铺粉式增材制造的预热方法的预热装置的结构示意图，图3为本发明的预热方法预热完成后增材制造结构示意图，其中，其包括高能束发生及控制模块1、成形台面3、第一、第二平面加热板4和4′、铺粉装置7、成形缸8和高能束13。

结合以上两图可知，当增材制造过程中单层扫描完成后，高能束关闭，成形缸8下降一个切片层高度，然后铺粉装置7开始铺粉，同时第一、第二平面加热板4、4′快速移动至粉末床上方，在铺粉过程中对粉末床进行高效、均匀预热。铺粉完成后，如图3所示，第一、第二平面加热板4、4′加热关闭且快速收起，高能束发生及控制模块1控制高能束13完成当前层成形。重复上述步骤，即完成增材制造过程中对粉末床和零件的预热。

为了进一步说明本发明方法，下面结合具体的实施例阐述。

实施例1：导轨式预热装置

实施例1采用的装置如图4所示，该装置包括高能束发生及控制模块1、成形腔体2、成形台面3、铺粉装置7、成形缸8、第一、第二送粉装置9、9′、第一、第二粉末回收装置10、10′和控制系统11，还包括第一、第二平面加热板4、4′、第一、第二加热板运动导轨5、5′和第一、第二测温传感器6、6′。

其中，高能束发生及控制模块1位于装备顶端，第一、第二送粉装置9、9′和第一、第二粉末回收装置10、10′分别位于装备两侧，实现双向送粉和粉末回收。第一、第二平面加热板4、4′置于成形幅面正上方，仅略高于铺粉装置，在控制系统的控制下，第一、第二平面加热板4、4′通过转轴和第一、第二加热板运动导轨5、5′实现往复快速运动。第一、第二测温传感器6、6′分别安装于第一、第二送粉装置9、9′的内侧，在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈控制。

增材制造过程中，对粉末床实施预热的具体步骤如下：

(1)在成形缸8中安装成形基板并调平，然后安装铺粉装置7，在第一、第二送粉装置9、9′中装入烘干的粉末，并进行第一层预铺粉。根据需要成形的材料设定相应的预热温度，调节平面加热板的功率，保证平面加热板能在铺粉时间内将粉末床加热到相应的预热温度。

(2)将成形腔体2内的空气置换成保护气氛或真空，在此过程中人工控制第一、第二平面加热板4、4′放下至成形幅面上方，按照设定的预热温度对成形基板及第一层粉末进行预热。

(3)待成形腔体2内的气氛置换完成，且成形基板及第一层粉末温度稳定至设定的预热温度后，人工控制第一、第二平面加热板4、4′关闭并快速收起，零件分层自动成形开始。

(4)高能束发生及控制模块1中发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸8下降一个切片层高度，铺粉装置7开始铺粉，与此同时控制系统11控制第一、第二平面加热板4、4′开启并快速放下至成形幅面上方，开始对粉末床进行高效、均匀预热，预热过程中第一、第二测温传感器6、6′对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈控制，保证预热温度稳定。

(5)当铺粉装置7的铺粉行程即将完成，且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统11控制第一、第二平面加热板4、4′关闭并快速收起。铺粉装置7的铺粉行程完成且第一、第二平面加热板4、4′收起后，控制系统11控制高能束流开始进行下一层扫描。

(6)重复上述第(4)和第(5)步，直至完成整个零件的分层增材制造。

(7)成形完成后，继续维持成形腔体内的保护气氛或真空，待粉末床温度冷却至室温后方可打开装备腔体进行后续取出零件等操作。

本实施例的优点：本实施例提供的全覆盖式预热方法能够实现对整个粉末床幅面的高温、高效和均匀预热，预热在铺粉过程中进行，不牺牲成形效率。

本实施例中提供的预热装置结构简单且容易控制，不仅适合于较大成形幅面的粉末床预热，同时也适合于较小成形幅面的粉末床预热。当成形幅面较小时，双侧安置的平面加热板亦可减为单侧安置。该预热装置同时亦适用于单向铺粉增材制造装备及多高能束增材制造装备。

实施例2：折叠式预热装置(双向铺粉)

实施例2采用的装置如图5所示，该装置包括高能束发生及控制模块1、成形腔体2、成形台面3、铺粉装置7、成形缸8、第一、第二送粉装置9、9′、第一、第二粉末回收装置10、10′和控制系统11，还包括第一、第二平面加热板4、4′、第一加热板运动导轨5(第一加热板运动导轨5在此处为直线导轨对)和第一、第二测温传感器6、6′。

图5所示装置与图4所示装置的区别在于，第一、第二平面加热板4、4′，第一、第二加热板运动导轨对5、5′的设置不同。具体的，图4中第一、第二加热板运动导轨对5、5′为圆弧导轨，第一、第二平面加热板4、4′沿圆弧导轨进行翻转运动；而图5中第一加热板运动导轨5为直线导轨，第一、第二平面加热板4、4′沿直线导轨进行直线运动，完成折叠和铺展。

其中，高能束发生及控制模块1位于装备顶端，第一、第二送粉装置9、9′和第一、第二粉末回收装置10、10′分别位于装备两侧，实现双向送粉和粉末回收。第一、第二平面加热板4、4′置于成形幅面正上方，仅略高于铺粉装置，在控制系统的控制下，第一、第二平面加热板4、4′通过第一、第二加热板运动导轨实现直线往复快速运动。第一、第二测温传感器6、6′分别安装于第一、第二送粉装置9、9′的内侧，在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈控制。

增材制造过程中，对粉末床实施预热的具体步骤如下：

(1)重复实施例1中的步骤(1)～(3)

(2)高能束发生及控制模块1中发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸8下降一个切片层高度，铺粉装置7开始铺粉，与此同时控制系统11控制第一、第二平面加热板4、4′开启并快速横向运动至成形幅面上方，开始对粉末床进行高效、均匀预热，预热过程中第一、第二测温传感器6、6′对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈控制，保证预热温度稳定。

(3)当铺粉装置7的铺粉行程即将完成，且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统11控制第一、第二平面加热板4、4′关闭并快速运动出成形幅面上方。铺粉装置7的铺粉行程完成且第一、第二平面加热板4、4′运动出成形幅面上方后，控制系统11控制高能束流开始进行下一层扫描。

(4)重复上述第(2)和第(3)步，直至完成整个零件的分层增材制造。

(5)成形完成后，继续维持成形腔体内的保护气氛或真空，待粉末床温度冷却至室温后方可打开装备腔体进行后续取出零件等操作。

本实施例的优点：本实施例提供的全覆盖式预热方法能够实现对整个粉末床幅面的高温、高效和均匀预热，预热在铺粉过程中进行，不牺牲成形效率。

本实施例中提供的预热装置容易控制且扩展性强，特别适合于大幅面的粉末床预热。当成形幅面增大、高能束增加时，可以通过增加平面加热板组的方式实现成形幅面的全覆盖。

如图6所示为高能束增加为四束，分别为图6中高能束发生及控制模块1、第二高能束发生及控制模块1′、第三高能束发生及控制模块1″、第四高能束发生及控制模块1″′发射出的高能束，平面加热板增加为八块。当成形幅面进一步增大、高能束进一步增加时，可采用同样的方法继续扩展平面加热板组，实现对成形幅面的全覆盖，如图7所示。

图6中，平面加热板的展开和折叠方式为：第一、第二平面加热板组4、4′靠近第一、第二送粉装置9、9′端的转轴固定，远离第一、第二送粉装置9、9′端的转轴沿第一加热板运动导轨5(第一加热板运动导轨在此处也对直线导轨对)进行往复直线运动。相邻的平面加热板间以类似于合页的方式连接，可以折叠。

实施例3：折叠式预热装置(单向铺粉)

本实施例采用的装置如图8所示，其包括高能束发生及控制模块1、成形腔体2、成形台面3、铺粉装置7、成形缸8、第一送粉装置9、第一粉末回收装置10、控制系统11和第一、第二传感器安置台12、12′，还包括第一、第二平面加热板组4、4′、第一加热板运动导轨5(第一加热板运动导轨5在此处为直线导轨对)和第一、第二测温传感器6、6′。第一、第二传感器安置台12、12′设置在成形缸8的两侧，分别用于安装第一、第二测温传感器6、6′。

其中，高能束发生及控制模块1位于装备顶端，送粉装置9和粉末回收装置10分别位于装备右侧和左侧(亦可颠倒)，实现送粉和粉末回收。第一、第二平面加热板组4、4′置于成形幅面正上方，仅略高于铺粉装置，在控制系统的控制下，第一、第二平面加热板组4、4′通过加热板运动导轨实现直线往复快速运动。第一、二测温传感器6、6′在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈控制。

增材制造过程中，对粉末床实施预热的具体步骤如下：

(1)在成形缸8中安装好成形基板并调平，然后安装铺粉装置7，在送粉装置9中装入烘干的粉末，并进行第一层预铺粉。根据需要成形的材料设定相应的预热温度，调节平面加热板的功率，保证平面加热板能在铺粉时间内将粉末床加热到相应的预热温度。

(2)重复实施例1中的步骤(2)～(3)

(3)高能束发生及控制模块1中发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸8下降一个切片层高度，铺粉装置7开始从粉末回收端10回到送粉端9，与此同时控制系统11控制第一、第二平面加热板组4、4′开启并快速横向运动至成形幅面上方，开始对粉末床进行高效、均匀预热，预热过程中第一、二测温传感器6、6′对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈控制，保证预热温度稳定。

(4)铺粉装置7从第一粉末回收装置10回到第一送粉装置9后，第一送粉装置9随即顶起所需的单层粉末，铺粉装置7再从第一送粉装置9运动到第一粉末回收装置10实施铺粉。当铺粉行程即将完成，且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统11控制第一、二平面加热板4、4′沿着第一加热板运动导轨5关闭并快速运动至成形幅面上方。铺粉装置7的铺粉行程完成且第一、二平面加热板组4、4′运动出成形幅面上方后，控制系统11控制高能束流开始进行下一层扫描。

(5)重复上述第(3)和第(4)步，直至完成整个零件的分层增材制造。

(6)成形完成后，继续维持成形腔体内的保护气氛或真空，待粉末床温度冷却至室温后方可打开装备腔体进行后续取出零件等操作。

本实施例的优点：本实施例提供的全覆盖式预热方法能够实现对整个粉末床幅面的高温、高效和均匀预热，预热在铺粉装置复位及铺粉过程中进行，不牺牲成形效率。本实施例中增材制造装备为单向铺粉装备，相对于双向铺粉装备增加了铺粉装置复位的行程，铺粉装置运动时间更长，因此预热粉末床的时间更充足。本实施例中提供的预热装置容易控制且扩展性强，亦更加适合于铺粉行程更长的大幅面、多高能束单向铺粉增材制造装备。

本发明方法可以实现对粉末床的高温、高效和均匀预热，预热温度最高可达1000℃，能够有效降低高能束扫描过程中的温度梯度，最终降低增材制造成形零件的内应力，提高零件的成形质量。该预热方法适用材料广且扩展性强，适用于对金属、非金属及复合材料粉末床的预热，同时特别适用于大幅面、多高能束的铺粉式高能束增材制造。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于铺粉式增材制造的预热方法，其特征在于，在铺粉式增材制造装备粉末床正上方安置能覆盖整个粉末床的可移动式平面加热板，平面加热板的安装高度高于铺粉器，在铺粉过程中对粉末床进行预热，铺粉完成后平面加热板关闭并收起，以避免加工过程中阻挡高能束流，

在加热过程中，使用测温传感器对粉末床的温度进行实时监测，采用控制系统根据温度监测结果对粉末床的预热温度实施反馈控制，通过全幅面覆盖式的加热，实现对铺粉式增材制造粉末床和待加工零件已成形部分的高温、高效和均匀预热。

2.如权利要求1所述的一种适用于铺粉式增材制造的预热方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：

S1：根据使用的粉末材料，确定相应的预热温度，接着调节平面加热板的功率，保证平面加热板能在铺粉时间内将粉末床加热到相应的预热温度，

S2：成形开始前，首先预铺一层粉末，然后将铺粉装置移出成形幅面，接着将平面加热板移动至成形幅面上方，按照设定的预热温度对成形基板及第一层粉末进行加热，待成形基板及第一层粉末温度稳定至设定的预热温度后，将平面加热板关闭并收起，

然后，高能束开始扫描，开始成形零件，

S3：完成当前层的高能束扫描后，成形缸下降一个切片层厚度，控制系统控制平面加热板开启并快速移动至成形幅面上方，

同时，铺粉装置再次开始铺粉，

使用测温传感器对粉末床的温度实时监测，控制系统根据温度监测结果对粉末床的预热温度实施反馈控制，以保证预热温度的稳定性，

S4：铺粉即将完成且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统控制平面加热板关闭并收起，

铺粉完成且加热板收起后，高能束流开始进行又一层扫描，

S5：重复上述步骤S3至S4，直至完成整个零件的增材制造。

3.如权利要求2所述的一种适用于铺粉式增材制造的预热方法，其特征在于，所述平面加热板数量根据成形幅面的需求确定，其数量为一块或多块，在保证不与铺粉装置发生干涉的前提上，加热板的安装高度尽量接近于粉末床，以能减少预热热量耗散。

4.如权利要求3所述的一种适用于铺粉式增材制造的预热方法，其特征在于，所述平面加热板选自红外加热板、远红外加热板及平面感应加热板，所述平面加热板的最高预热温度达到1000℃。

5.如权利要求4所述的一种适用于铺粉式增材制造的预热方法，其特征在于，步骤S3中，所述预热温度的稳定性是指温度波动不超过±5℃。

6.一种实现如权利要求1-5之一所述的方法的装置，其特征在于，其包括高能束发生及控制模块(1)、成形腔体(2)、成形台面(3)、铺粉装置(7)、成形缸(8)、第一、第二送粉装置(9)、(9′)、第一、第二粉末回收装置(10)、(10′)、控制系统(11)，还包括第一、第二平面加热板(4)、(4′)、加热板运动导轨和第一、第二测温传感器(6)、(6′)，其中，

高能束发生及控制模块(1)位于成形腔体(2)的顶端，第一、第二送粉装置(9)、(9′)位于成形台面(3)两侧，第一、第二粉末回收装置(10)、(10′)分别位于成形台面(3)两侧底部，用于实现双向送粉和双向粉末回收，

第一、第二平面加热板(4)、(4′)置于成形幅面正上方，其高于铺粉装置(7)，成形缸(8)位于成形台面(3)中央下方，

工作时，在控制系统(11)的控制下，第一、第二平面加热板(4)、(4′)通过加热板运动导轨实现往复开闭运动，且在铺粉过程中，实现第一、第二平面加热板(4)、(4′)的闭合，在高能束扫描成形过程中实现第一、第二平面加热板(4)、(4′)打开，

第一、第二测温传感器(6)、(6′)分别对应安装于第一、第二送粉装置(9)、(9′)的内侧，用于在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈，

高能束发生及控制模块(1)中发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸(8)下降一个切片层高度，铺粉装置(7)开始铺粉，与此同时控制系统(11)控制第一、第二平面加热板(4)、(4′)开启并快速横向运动至成形幅面上方，开始对粉末床进行均匀预热，预热过程中第一、第二测温传感器(6)、(6′)对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈，从而保证预热温度稳定。

7.一种实现如权利要求1-5之一所述的方法的装置，其特征在于，其包括高能束发生及控制模块(1)、成形腔体(2)、成形台面(3)、铺粉装置(7)、成形缸(8)、第一送粉装置(9)、第一粉末回收装置(10)、控制系统(11)、第一、第二传感器安置台(12)、(12′)，第一、第二平面加热板组(4)、(4′)、加热板运动导轨以及第一、第二测温传感器(6)、(6′)，其中，

高能束发生及控制模块(1)位于成形腔体(2)的顶端，第一送粉装置(9)和第一粉末回收装置(10)分别位于成形台面(3)的两侧，分别用于实现送粉和粉末回收，成形缸(8)位于成形台面(3)中央下方，第一、第二平面加热板组(4)、(4′)置于成形幅面正上方且高于铺粉装置(7)，第一、第二传感器安置台(12)、(12′)设置在成形缸(8)的两侧，分别用于安装第一、第二测温传感器(6)、(6′)，第一、二测温传感器(6)、(6′)在预热过程中对粉末床表面进行温度监测，以实现在预热过程中对预热温度的反馈控制，

工作时，高能束发生及控制模块(1)发出的高能束完成第一层扫描后，成形缸(8)下降一个切片层高度，铺粉装置(7)开始从第一粉末回收装置(10)回到第一送粉装置(9)，

与此同时，控制系统(11)控制第一、第二平面加热板(4)、(4′)开启并沿着加热板运动导轨运动至成形幅面上方，开始对粉末床进行预热，预热过程中第一、二测温传感器(6)、(6′)对粉末床表面进行实时温度监测，实现对预热温度的反馈控制，保证预热温度稳定，

铺粉装置(7)从第一粉末回收装置(10)回到第一送粉装置(9)后，随即顶起所需的单层粉末，接着，铺粉装置(7)再从第一送粉装置(9)运动到第一粉末回收装置(10)实施铺粉，

当铺粉行程即将完成，且粉末床温度已稳定至预热温度时，控制系统(11)控制第一、二平面加热板(4)、(4′)沿着加热板运动导轨关闭并快速移出成形幅面上方，铺粉装置(7)的铺粉行程完成且第一、二平面加热板(4)、(4′)运动出成形幅面上方后，控制系统(11)控制高能束流开始进行下一层扫描。

8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述加热板运动导轨包括第一加热板运动导轨(5)和第二加热板运动导轨(5′)，第一加热板运动导轨(5)、第二加热板运动导轨(5′)两者对称，均为弧形状，

第一、第二平面加热板(4)、(4′)的一端均通过转轴连接在成形台面(3)上，第一、第二平面加热板(4)、(4′)的另一端分别与第一加热板运动导轨(5)、第二加热板运动导轨(5′)活动连接，以分别能沿着第一加热板运动导轨(5)、第二加热板运动导轨(5′)实现相对合闭或者相对打开。

9.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述加热板运动导轨为直线导轨，所述第一、第二平面加热板(4)、(4′)沿直线导轨进行直线运动，完成折叠和铺展。

10.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述高能束发生及控制模块具有多个，平面加热板具有对称设置的多块，设置多个高能束发生及控制模块以及多个平面加热板，以能进行更大幅面、多高能束的铺粉式增材制造。