CN108188398A - 一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法和装置，包括密闭腔以及铺粉装置，位于所述密闭腔内铺粉装置的上方设置有与控制器连接的预热装置，所述预热装置包括带有连接块的壳体、设置于壳体内安装座上的加热管、以及与壳体连接的防护装置、传感器、以及用于固定及移动预热装置的辅助机构，通过热辐射直接辐照金属粉末，实现对金属粉末快速均匀可控预热，提高粉末流动性，增加其对激光的吸收系数，降低成型过程中因温度梯度过大而产生的残余应力，避免成型过程中出现曲翘变形和开裂问题，提高成型件致密性和力学性能，采用热辐射局部预热方式，降低能量损耗，同时采用双缸送粉的方式实现双向铺粉，极大的提供工作效率。

Description

一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法和装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体地涉及一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法和装置。

背景技术

激光选区熔化技术（Selective laser melting, SLM）是金属件直接成型的一种方法，该技术基于增材制造快速成型的基本思想，通过对零件的三维模型切片获取每层零件的轮廓数据，利用高能激光束依据每层轮廓数据逐层直接熔化金属粉末，层层堆积制造实体零件，所以激光选区熔化技术特别适合加工形状复杂的零件，尤其是具有个性化需求的零件。

然而，在激光选区熔化加工成型过程当中，由于高能量密度的激光持续扫描，热量不断积累，最终会导致成型件内部组织存在较大的残余应力，以至于会导致打印的零部件翘曲变形、产生开裂等缺陷。相关研究表明对打印的金属粉末进行预热后能够有效提高其流动性，增强金属粉末对激光的吸收率，同时缩小了金属粉末加工前后的温差，能够有效的降低成型件的残余应力。现有的粉末预热装置大都采用对送粉缸整体预热或对成型缸整体预热的方法，这些方法不仅消耗能量较多，而且预热效率低，同时造成整个腔体温度较高，对整套设备残余热量的排放增加了压力。专利“选择性激光选区熔化SLM设备送粉筒预热装置和预热方法”（专利号：ZL201310024599.8）和专利“一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置及其应用”（公布号：CN106799493A）其基本原理都是提出了一种利用电磁感应加热载粉筒从而预热金属粉末的方法，该方法虽然能预热金属粉末，但对载粉筒内的粉末加热不均匀，且对整个载粉筒加热，不仅加热效率低而且能量损耗大。专利“一种用于激光选区熔化设备粉末预热装置及其预热方法”（公布号：CN106623919A）提出了一种采用多个加热单元镶嵌在成形缸主体的侧面，对成型缸主体进行预热，该方法能使零件在打印过程中缓慢冷却，减小内部应力集中，但预热速度较慢且没有温度监控功能，不能实时的监控其预热温度。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法和装置，该装置通过热辐射直接辐照金属粉末，实现对金属粉末快速均匀的可控预热，提高粉末的流动性，减小成型件内部残余应力，避免在成型过程中由于存在较大残余应力而出现的曲翘变形和开裂的问题。同时本发明由于采用了局部加热的方式，提高了热量传导效率，降低了能量损耗。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法，包括以下步骤：

步骤1：开启激光选区熔化设备，完成打印前的准备工作，并使刮刀处于右限位；

步骤2：根据加工需求，在计算机上设置送粉缸上表面粉末的预热温度，设置预热装置的待机电压；

步骤3：通过控制器开启预热装置，并对粉末进行快速预热；

步骤4：通过控制器开启传感器实时监测送粉缸上表面的粉末温度信息，并反馈给计算机，并在计算机上实时显示；

步骤5：待扫描完成后，成型缸向下移动指定距离，送粉缸向上运动指定距离，控制器使预热装置处于待机状态,刮刀从右限位运动到左限位，然后激光扫描打印,并重复上述动作直至完成打印；

步骤6：待打印件温度降至室温的时候，取出打印件，并完成后续清理工作，关闭激光选区熔化设备。

上述方案中，优选的，所述步骤2中送粉缸和预热装置均设置为两个。

上述方案中，优选的，所述步骤4中传感器设置为两个。

上述方案中，优选的，所述步骤2中的预热温度为25°～200°，预热装置的待机电压随预热温度可调，控制为10～80V。

一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，包括密闭腔以及铺粉装置，位于所述密闭腔内铺粉装置的上方设置有与控制器连接的预热装置，所述预热装置包括带有连接块的壳体、设置于壳体内安装座上的加热管、以及与壳体连接的防护装置、传感器、以及用于固定及移动预热装置的辅助机构，传感器可采用红外温度传感器，加热管包含但不限于红外灯，红外灯波段为0.5μm～1.4μm。

上述方案中，优选的，所述密闭腔内的所述预热装置对称设置有两组，并且所述铺粉装置中的送粉缸和收集腔的数量与预热装置的设置数量一致。

上述方案中，优选的，所述防护装置包括垫片、透光片以及安装盖，透光片采用耐高温材料，包含但不限于石英片、玻璃。

上述方案中，优选的，所述透光片表面镀有增透膜。

上述方案中，优选的，所述辅助机构包括带有预热装置连接块的导轨及带旋钮的调节架。

上述方案中，优选的，所述辅助机构为工业机器人。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过热辐射直接辐照金属粉末，实现了对金属粉末快速均匀的可控预热，提高了粉末的流动性，增加了粉末对激光的吸收系数，降低了金属粉末在成型过程中由于温度梯度过大而产生的残余应力，从而避免了在成型过程中出现曲翘变形和开裂的问题，提高了成型件的致密性和力学性能。本发明由于采用了热辐射局部预热的方式，预热速度快，热量传导效率高，大大降低了能量损耗，同时采用双缸送粉的方式实现了双向铺粉，极大的提供了工作效率。

附图说明

图1、预热装置整体结构示意图。

图2、预热装置结构示意图。

图3、工业机器人固定预热装置方案示意图。

图4、预热装置主体三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

根据密闭腔的实际大小，设置预热装置数量，下面以设置有两组预热装置，并且采用钴铬合金粉末为例：

一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法，包括以下步骤：

步骤1：开启激光选区熔化设备，完成打印前的准备工作，此时基板15上铺上了一层均匀的薄薄的粉末，刮刀17处于右限位；

步骤2：根据加工需求，在计算机上1设置左送粉缸11和右送粉缸14上表面粉末的预热温度均为150°和150°，并设置第一预热装置8和第二预热装置16的待机电压为30V和30V，工作电压为220V；

步骤3：在计算机1上点击确认设置预热温度后，控制器2开启第一预热装置8和第二预热装置16，加热灯管13发出光并通过透光片9对粉末进行快速预热；

步骤4：通过控制器2开启第一红外温度传感器5和第二红外温度传感器22，此时两个红外温度传感器分别实时监测左送粉缸11和右送粉缸14上表面粉末的温度信息，并把温度信息反馈给计算机1，当第二红外温度传感器22检测到右送粉缸14表面粉末温度达到设置的预热温度时，给计算机1反馈信息，计算机1控制激光进行扫描打印；

步骤5：待扫描完成后，成型缸12向下移动指定距离，右送粉缸14向上运动指定距离，控制器2使第一预热装置8和第二预热装置16处于待机状态，然后刮刀17从右限位运动到左限位，激光进行扫描打印；

步骤6：扫描完成后，如果第一红外温度传感器5检测到左送粉缸11上表面粉末温度达到预热温度时，成型缸12向下移动指定距离，左送粉缸11向上运动指定距离，然后刮刀17从左限位运动到右限位，激光扫描打印，同时开启第一预热装置8和第二预热装置16并对粉末进行快速预热，如果左送粉缸11上表面粉末温度未达到预热温度，开启第一预热装置8和第二预热装置16进行预热直至达到设定温度，再使第一预热装置8和第二预热装置16处于待机状态，然后成型缸12向下移动指定距离，左送粉缸11向上运动指定距离，然后刮刀17从左限位运动到右限位，激光扫描打印，同时开启一预热装置8和第二预热装置16并对粉末进行快速预热；

步骤7：扫描完成后，当第二红外温度传感器22检测到右送粉缸14上表面粉末温度达到设置的预热温度时，成型缸12向下移动指定位置，左送粉缸11向上移动指定距离，第一预热装置8和第二预热装置16处于待机状态，刮刀17从右限位运动到左限位，然后激光进行扫描打印；

步骤8：重复步骤6和步骤7，直至完成打印；

步骤9：待打印件温度降至室温的时候，取出打印件，并完成后续激光选区熔化的设备的清理工作，关闭激光选区熔化设备。

上述步骤中，通过粉末的材质、质量以及工艺要求的规定，调整适合工艺的预热温度，范围为25°～200°，预热装置的待机电压随预热温度可调，控制为10～80V。

参加图1至图2所示，一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，包括密闭腔以及铺粉装置，位于所述密闭腔内铺粉装置的上方设置有与控制器2连接的预热装置，所述预热装置包括带有连接块的壳体27、设置于壳体内安装座上的加热管13、以及与壳体27连接的防护装置、传感器、以及用于固定及移动预热装置的辅助机构。

所述密闭腔内的所述预热装置对称设置有两组，并且所述铺粉装置中的送粉缸和收集腔的数量与预热装置的设置数量一致，，防护装置包括垫片26、透光片9以及安装盖28，透光片9表面镀有增透膜；辅助机构包括带有预热装置连接块的导轨及带旋钮的调节架，所述辅助机构为工业机器人，其中加热管13包含但不限于红外灯，红外灯波段为0.5μm～1.4μm，加热管数量根据实际情况自由选择；垫片26为耐高温材料，包含但不限于石英片、玻璃等，参见图3，在实际应用中，也可以用工业机器人20来固定和移动位置。

其中，左送粉缸11位于成型缸12左侧，左收集腔6位于左送粉缸11左侧，右送粉缸14位于成型缸12右侧，右收集腔23位于右送粉缸14右侧，第一红外温度传感器5安装在第一调节架4上，第一调节架4通过第一连接块3固定在第一预热装置8上，第一预热装置8通过预热装置连接块25固定在第一导轨7上，第一导轨7上的旋钮24用于固定第一预热装置8到左送粉缸11上表面的距离，并且，位于第一导轨7的两端均设置有固定块10；第一预热装置8和第一红外温度传感器5均与控制器2相连，控制器2与计算机1相连；加热模块19安装在基板连接板18下面，基板15安装在基板连接板18上，加热模块19用于给基板15预热；参见图4，第一预热装置8中的加热管13安装在壳体27内的安装座上，透光片9在两个垫片26中间并通过安装盖28将其固定在壳体27内，另一组预热装置及铺粉装置的连接安装方式与上述相同。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启激光选区熔化设备，完成打印前的准备工作，并使刮刀（17）处于右限位；

步骤2：根据加工需求，在计算机上（1）设置送粉缸上表面粉末的预热温度，设置预热装置的待机电压；

步骤3：通过控制器（2）开启预热装置，并对粉末进行快速预热；

步骤4：通过控制器（2）开启传感器实时监测送粉缸上表面的粉末温度信息，并反馈给计算机（1），并在计算机上实时显示；

步骤5：待扫描完成后，成型缸（12）向下移动指定距离，送粉缸向上运动指定距离，控制器（2）使预热装置处于待机状态,刮刀（17）从右限位运动到左限位，然后激光扫描打印,并重复上述动作直至完成打印；

步骤6：待打印件温度降至室温的时候，取出打印件，并完成后续清理工作，关闭激光选区熔化设备。

2.根据权利要求书1所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法，其特征在于，所述步骤2中送粉缸和预热装置均设置为两个。

3.根据权利要求书2所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法，其特征在于，所述步骤4中传感器设置为两个。

4.根据权利要求书1所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热方法，其特征在于，所述步骤2中的预热温度为25°～200°，预热装置的待机电压随预热温度可调，控制为10～80V。

5.一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，包括密闭腔以及铺粉装置，其特征在于，位于所述密闭腔内铺粉装置的上方设置有与控制器（2）连接的预热装置，所述预热装置包括带有连接块的壳体（27）、设置于壳体内安装座上的加热管（13）、以及与壳体（27）连接的防护装置、传感器、以及用于固定及移动预热装置的辅助机构。

6.根据权利要求5所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，其特征在于，所述密闭腔内的所述预热装置对称设置有两组。

7.根据权利要求5所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，其特征在于，所述防护装置包括垫片（26）、透光片（9）以及安装盖（28）。

8.根据权利要求7所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，其特征在于，所述透光片（9）表面镀有增透膜。

9.根据权利要求5所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，其特征在于，所述辅助机构包括带有预热装置连接块的导轨及带旋钮的调节架。

10.根据权利要求5所述的一种用于激光选区熔化设备的粉末快速预热装置，其特征在于，所述辅助机构为工业机器人（20）。