CN107552789A - 一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置及选择加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置及选择加热控制方法，该装置包括成型缸和加热板，成型缸正上方设有辐射加热装置，辐射加热装置通过第一升降装置安装成型缸的缸体上，所述辐射加热装置包括固定横杆、支撑板、发热灯管和多个扇形反光板拼接组成锥形的反光罩，首先通过加热板和发热灯管一起快速给固体粉末加热升温，然后通过第一升降装置调节发热灯管距离慢速加热升温，之后通过第二升降装置调节扇形反光板的角度，来对固体粉末局部温度不均加热调整直至烧结温度烧结，本发明温度控制精确，不会存在局部过热或者局部温升不到的问题，采用本发明装置烧结的工件结构均匀，各处力学性能均一，稳定性好，具有较大推广应用价值。

Description

一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置及选择加热控制 方法

技术领域

本发明涉及选择性激光烧结技术领域，具体涉及一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置及选择加热控制方法。

背景技术

SLS(Selective Laser Sintering)工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成型的。成型前先将粉末材料加热至低于烧结点的某一温度。SLS烧结技术步骤为：(1)首先由供粉缸向上位移一定量，然后由铺粉辊将粉末均匀地平铺在成型缸表面，在控制系统的控制下，激光束对第一层粉末扫描加热，得到相应厚度的粉末固化层，其余的粉末作为支撑。(2)接着成型缸下降一个分层的厚度，再重复步骤(1)，所形成的第二层固化层也被粘接在第一层固化层上，逐层叠加，直至完成整个三维零件的烧结成型。

在SLS工艺中材料预热是整个成型过程的重要环节，成型前的粉末层各处预热温度是否均匀直接影响着烧结制造零件的表面质量、精度和强度，为了保证成型时粉末受热均匀，节省加工过程中激光能量的消耗和减轻成型过程中零件的翘曲变形程度，采用加热装置对粉末进行均匀预热是非常必要的。目前常用的加热装置主要采用单一的灯管对粉末层上表面进行热辐射，实现粉末预热的目的，但这种预热方式不能够保证粉末层表面各处均匀加热，针对该问题，实际应用存在各种问题急需解决。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的选择性激光烧结技术铺粉预热装置，该装置采用灯管热辐射的方式和加热板热传导的方式共同为粉末预热，通过红外线测温装置，实时获取粉末层各处的温度，由控制器实时调整辐射灯管的高度和反光板的角度，保证粉末层各处受热均匀，使粉末层预热温度满足低于所设置的烧结温度的要求。

本发明的另一目的在于提供一种新型的选择性激光烧结技术的选择性预热方法，通过传导式加热和辐射式加热相结合，充分利用各自的优点，达到对烧结粉末均匀加热的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：包括成型缸和与成型缸内壁紧密贴合的加热板，加热板以热传导的方式对成型缸内固体粉末预热，所述成型缸正上方设有辐射加热装置，所述辐射加热装置通过第一升降装置安装成型缸的缸体上，通过第一升降装置调整辐射加热装置与成型缸顶部之间的距离，所述辐射加热装置包括固定横杆、支撑板、发热灯管和多个扇形反光板拼接组成锥形的反光罩，所述固定横杆安装在第一升降装置的活动升降端，扇形反光板靠近圆心一端均铰接在固定横杆上铰接点处，所述支撑板设于反光罩内，且通过第二升降装置可升降的与固定横杆上铰接点处相连，每个扇形反光板均沿着径向设有一个滚动槽，支撑板上设有与每个滚动槽相配合的滚轮，所述发热灯管设于支撑板的底部，且位于成型缸的正上方。

作为改进，该粉末预热装置还包括红外测温装置，通过红外测温装置可实时监测待烧结成型的固体粉末各个点温度。

作为改进，所述成型缸内设有升降板，待烧结的固体粉末置于升降板上。

作为改进，所述成型缸侧方还设有给其提供固体粉末的供粉缸。

作为改进，所述第一升降装置为至少两个均匀分布在成型缸四周的丝杆螺母机构，该丝杆螺母机构包括丝杆一、螺母一和电机一，所述电机一固定安装在成型缸的缸体上，丝杆一与电机一轴连接，螺母一套在丝杆一上，螺母一通过升降杆与固定横杆固定相连。

作为改进，所述第二升降装置也为丝杆螺母机构，其包括电机二、丝杆二和螺母二，所述电机二固定安装在支撑板上端面，丝杆二与电机二轴连接，扇形反光板靠近圆心一端均铰接在螺母二上，螺母二固定安装在固定横杆上。

作为改进，拼接组成反光罩的扇形反光板有4-12个，组成反光罩的多个扇形反光板在一个平面内拼接起来大于或等于一个整圆。

作为改进，所述供粉缸为圆形缸，相应的支撑板也为圆形，发热灯管为环形灯管。

作为改进，该粉末预热装置还包括控制系统，所述控制系统接收红外测温装置检测的待烧结固体粉末温度信息，并控制第一升降装置和第二升降装置动作，通过调节辐射加热装置与成型缸的距离调节固体粉末温度。

一种选择性激光烧结技术的选择加热控制方法，包括以下步骤：

首先固体粉末温度远低于其烧结温度T₀，通过加热板和发热灯管同时工作将固体粉末加热到预热温度T₁以下，此时发热灯管对固体粉末是近距离快速加热；

当固体粉末加热到T₁时，通过控制系统控制第一升降装置调节发热灯管远离成型缸，降低发热灯管对固体粉末的热辐射程度，实现慢速加热，使得固体粉末各个温度点温度趋于均匀；

当固体粉末加热到比烧结温度T₀低T_b时，通过红外测温装置实时监测固体粉末表面个点温度，当固体粉末各点间出现较大温度差异时，并通过第二升降装置调整扇形反光板的角度，使发热灯管的反射光聚焦到温度较低处的区域，降低粉末层间的温度差，保证粉末层各处受热的整体均匀性，上述温度点满足T₁<T₀-T_b<T₀，且T_b范围为3-6度。

本发明的有益效果是：

本发明采用发热灯管热辐射的方式和加热板热传导的方式为粉末预热，首先通过加热板和发热灯管一起快速给固体粉末加热升温，然后调节发热灯管与固体粉末之间的距离慢速加热升温，之后通过调节发热灯管上方的扇形反光板的角度，来对固体粉末局部温度不均加热调整直至烧结温度烧结，本发明温度控制精确，不会存在局部过热或者局部温升不到的问题，采用本发明装置烧结的工件结构均匀，各处力学性能均一，稳定性好，具有较大推广应用价值。通过以热辐射方式的灯管加热和以热传导的方式的加热板加热为粉末预热，能够快速使粉末层达到所设定的预热温度，减少粉末层的预热时间，节省激光能量的消耗，通过提高粉末层各处间的受热均匀性，降低了粉末烧结成型过程中零件翘曲变形程度，提高成型件表面质量和精度。

附图说明

图1为本装置的整体结构示意图；

图2为成型缸及加热板的俯视图；

图3为本装置的控制流程图；

图4为扇形反光板作用的模型示意图；

图5为调节扇形反光板角度的装置结构示意图；

图6为本装置中扇形反光板拼接成反光罩的俯视图；

图7为单个扇形反光板的结构示意图。

图中：1-螺母一，2-升降杆，3-固定横杆，4-扇形反光板，5-发热灯管，6-红外测温装置，7-电机一，8-成型缸，9-加热板，10-供粉缸，11-控制系统，20-滚动槽，21-滚轮，22-丝杆二，23-电机二，24-支撑板，41-反光板A，42-反光板B，43-反光板C，44-反光板D，45-反光板E，46-反光板F，47-反光板G，48-反光板H。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的说明：

如图1所示，一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，包含两种加热方式，一种为灯管以热辐射的方式加热，另一种为加热板9以热传导的方式加热，具体技术方案为：包括成型缸8和与成型缸8内壁紧密贴合的加热板9，加热板9以热传导的方式对成型缸8内固体粉末预热，所述成型缸8正上方设有辐射加热装置，所述辐射加热装置通过第一升降装置安装成型缸8的缸体上，通过第一升降装置调整辐射加热装置与成型缸8顶部之间的距离，所述辐射加热装置包括固定横杆3、支撑板24、发热灯管5和多个扇形反光板4拼接组成锥形的反光罩，所述固定横杆3安装在第一升降装置的活动升降端，扇形反光板4靠近圆心一端均铰接在固定横杆3上铰接点处，所述支撑板24设于反光罩内，且通过第二升降装置可升降的与固定横杆3上铰接点处相连，每个扇形反光板4均沿着径向设有一个滚动槽20，支撑板24上设有与每个滚动槽20相配合的滚轮21，所述发热灯管5设于支撑板24的底部，且位于成型缸8的正上方。

所述成型缸8侧方还设有给其提供固体粉末的供粉缸10。所述成型缸8内设有升降板，待烧结的固体粉末置于升降板上，通过升降板带动成型缸8内的固体粉末一层一层的烧结。

所述第一升降装置为至少两个均匀分布在成型缸8四周的丝杆螺母机构，该丝杆螺母机构包括丝杆一、螺母一1和电机一7，所述电机一7固定安装在成型缸8的缸体上，丝杆一与电机一7轴连接，螺母一1套在丝杆一上，螺母一1通过升降杆2与固定横杆3固定相连，第一升降装置的丝杆螺母机构可以是2、3、4、或5个甚至更多，只要满足成型缸8四周均匀分布即可。

所述第二升降装置也为丝杆螺母机构，其包括电机二23、丝杆二22和螺母二，所述电机二23固定安装在支撑板24上端面，丝杆二22与电机二23轴连接，扇形反光板4靠近圆心一端均铰接在螺母二上，螺母二固定安装在固定横杆3上。

该粉末预热装置还包括红外测温装置6，通过红外测温装置6可实时监测待烧结成型的固体粉末各个点温度。

拼接组成反光罩的扇形反光板4有4-12个，组成反光罩的多个扇形反光板4在一个平面内拼接起来大于或等于一个整圆，具体的本实施例中，扇形反光板4有8个，相应的支撑板24上设有8个滚轮21，并且上述的8个扇形反光板4以鱼鳞排列的形式相互搭接在一起，实现每块扇形反光板4角度变化时，扇形反光板4间结构相互不干涉。

所述供粉缸10为圆形缸，相应的支撑板24也为圆形，发热灯管5为环形灯管。

该粉末预热装置还包括控制系统11，所述控制系统11接收红外测温装置6检测的待烧结固体粉末温度信息，并控制第一升降装置和第二升降装置动作，具体表现为控制系统11直接驱动电机一7和电机二23，驱动电机一7可以调节发热灯管5与固体粉末之间的加热距离，驱动电机二23可以调节发热灯管5上方扇形反光板4的反光角度，通过调节辐射加热装置与成型缸8的距离调节固体粉末温度。

一种选择性激光烧结技术的选择加热控制方法，包括以下步骤：

首先固体粉末温度远低于其烧结温度T₀，通过加热板9和发热灯管5同时工作将固体粉末加热到预热温度T₁以下，此时发热灯管5对固体粉末是近距离快速加热；

当固体粉末加热到T₁时，通过控制系统11控制第一升降装置调节发热灯管5远离成型缸8，降低发热灯管5对固体粉末的热辐射程度，实现慢速加热，使得固体粉末各个温度点温度趋于均匀；

当固体粉末加热到比烧结温度T₀低T_b时，通过红外测温装置6实时监测固体粉末表面各个点温度，当固体粉末各点间出现较大温度差异时，并通过第二升降装置调整扇形反光板4的角度，改变发热灯管5焦点位置，使发热灯管5的反射光聚焦到温度较低处的区域，降低粉末层间的温度差，保证粉末层各处受热的整体均匀性，上述温度点满足T₁<T₀-T_b<T₀，且T_b范围为3-6度。

如图3所示，作为本发明对控制部分的一种说明，由于发热灯管5为圆环式灯管，成型缸8为圆筒式，具有对称性，故将成型缸8表面粉末层沿任一半径等分成n份，取得n+1个点，如图2所示，通过固定横杆3上的红外测温装置6对所得的n+1个点进行温度测量，检测到的温度分别为T₁、T₂、T₃.........T_n+1，通过控制系统11检测出最高温度为T_max和最低温度为T_min。由于激光烧结前需将粉末层各处温度预热至比烧结温度T₀低T_b的某一温度，为保证粉末受热的均匀性，所以各点之间的温度之差应小于一个固定值T_e，预热开始时，为了保证初始时的温度要低于烧结温度T₀，首先由控制系统11将所取得的最高温度值T_max与T₀进行比较，如果测得的最高温度T_max大于烧结温度T₀，则由控制系统11提升发热灯管5与固体粉末层间的距离，降低发热灯管5对粉末层的热辐射作用，通过红外测温装置6对所选的n+1点进行实时温度测量，当获取的n+1个点中的最高温度T_max<T₀时，由控制系统11进一步计算所取得的n+1个点相邻两点之间的温度差，记为ΔT_i＝T_i+1-T_i,(i＝1,2,,n)，T_e为相邻两点间所容许的最大温度差，如果|ΔT_i|>T_e,(i＝1,2,,n)，则通过控制系统11通过控制电机二23来改变扇形反光板4的角度。调整反射光在粉末层的投射点。若ΔT_i>0,(i＝1,2,,n)，则将反射光投射点调整至第i所在的圆上，提升第i点所在圆的温度；若ΔT_i<0,(i＝1,2,...,n)，则将反射光投射点调整至第i+1点所在的圆，提升第i+1点所在圆的温度；使n+1个点相邻两点之间的温度差ΔT_i<T_e，从而提高粉末受热的整体均匀性。

作为本发明对控制部分的一种说明，控制系统11通过控制电机二23改变扇形反光板4的角度，从而调整发热灯管5反射光的焦点，增强对粉末烧结层低温区域的辐射强度，具体实施方案如下：以圆锥形的反光罩的顶点O为原点，x坐标轴为水平线，y轴为垂直x轴的竖直线，θ为扇形反光板4与y轴之间的夹角，如图4为灯管水平方向的光经过扇形反光板4的反射作用与粉末上的示意图，由图4可知，取成型缸8的直径为2L，则AB＝CE＝L，BE表示为发热灯管5与成型缸8中粉末表面的垂直距离，取值为h，D点表示为灯管水平方向的光经过扇形反光板4反射之后，在成型缸8表面的照射点，取DE＝X，由平面几何关系可知

当控制系统11通过控制电机二23调节扇形反光板4的角度θ，发热灯管5水平方向的光线会经过扇形反光板4反射照射到成型缸8表面粉末的任意位置，当θ＝45°时，照射点D则会与成型缸8的边缘C点重合；当时，照射点D则会落在成型缸8上端圆面的圆心E处；因此扇形反光板4的角度θ在之间变化时，可对粉末层各处进行加热；由于扇形反光板4组成反光罩呈圆锥形的外形，所以发热灯管5水平方向的光经过反光罩的反射会在成型缸8表面的粉末作用效果呈圆环形。

作为本发明对执行部分的一种说明，如图5所示，当成型缸8表面的粉末温度差较大时，控制系统11通过控制电机二23来带动丝杆二22运动，由于每一块扇形反光板4均与螺母二铰接，扇形反光板4中部径向的滚动槽20搭接在滚轮21上，所以丝杆二22的运动会带动扇形反光板4一起上下运动，从而会改变扇形反光板4的角度，达到改变反光罩反射焦点的目的。

Claims (10)

1.一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：包括成型缸和与成型缸内壁紧密贴合的加热板，加热板以热传导的方式对成型缸内固体粉末预热，所述成型缸正上方设有辐射加热装置，所述辐射加热装置通过第一升降装置安装成型缸的缸体上，通过第一升降装置调整辐射加热装置与成型缸顶部之间的距离，所述辐射加热装置包括固定横杆、支撑板、发热灯管和多个扇形反光板拼接组成锥形的反光罩，所述固定横杆安装在第一升降装置的活动升降端，扇形反光板靠近圆心一端均铰接在固定横杆上铰接点处，所述支撑板设于反光罩内，且通过第二升降装置可升降的与固定横杆上铰接点处相连，每个扇形反光板均沿着径向设有一个滚动槽，支撑板上设有与每个滚动槽相配合的滚轮，所述发热灯管设于支撑板的底部，且位于成型缸的正上方。

2.如权利要求1所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：该粉末预热装置还包括红外测温装置，通过红外测温装置可实时监测待烧结成型的固体粉末各个点温度。

3.如权利要求2所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：所述成型缸内设有升降板，待烧结的固体粉末置于升降板上。

4.如权利要求2所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：所述成型缸侧方还设有给其提供固体粉末的供粉缸。

5.如权利要求2所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：所述第一升降装置为至少两个均匀分布在成型缸四周的丝杆螺母机构，该丝杆螺母机构包括丝杆一、螺母一和电机一，所述电机一固定安装在成型缸的缸体上，丝杆一与电机一轴连接，螺母一套在丝杆一上，螺母一通过升降杆与固定横杆固定相连。

6.如权利要求2所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：所述第二升降装置也为丝杆螺母机构，其包括电机二、丝杆二和螺母二，所述电机二固定安装在支撑板上端面，丝杆二与电机二轴连接，扇形反光板靠近圆心一端均铰接在螺母二上，螺母二固定安装在固定横杆上。

7.如权利要求2所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：拼接组成反光罩的扇形反光板有4-12个，组成反光罩的多个扇形反光板在一个平面内拼接起来大于或等于一个整圆。

8.如权利要求2至7任意一项所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：所述供粉缸为圆形缸，相应的支撑板也为圆形，发热灯管为环形灯管。

9.如权利要求8所述的一种选择性激光烧结技术的粉末预热装置，其特征在于：该粉末预热装置还包括控制系统，所述控制系统接收红外测温装置检测的待烧结固体粉末温度信息，并控制第一升降装置和第二升降装置动作，通过调节辐射加热装置与成型缸的距离调节固体粉末温度。

10.一种选择性激光烧结技术的选择加热控制方法，其特征在于，以下步骤：

首先固体粉末温度远低于其烧结温度T₀，通过加热板和发热灯管同时工作将固体粉末加热到预热温度T₁以下，此时发热灯管对固体粉末是近距离快速加热；

当固体粉末加热到T₁时，通过控制系统控制第一升降装置调节发热灯管远离成型缸，降低发热灯管对固体粉末的热辐射程度，实现慢速加热，使得固体粉末各个温度点温度趋于均匀；

当固体粉末加热到比烧结温度T₀低T_b时，通过红外测温装置实时监测固体粉末表面个点温度，当固体粉末各点间出现较大温度差异时，并通过第二升降装置调整扇形反光板的角度，使发热灯管的反射光聚焦到温度较低处的区域，降低粉末层间的温度差，保证粉末层各处受热的整体均匀性，上述温度点满足T₁<T₀-T_b<T₀，且T_b范围为3-6度。