CN108421976A - 一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本文发明公开了一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法，通过在传统激光选择性烧结加热的基础上，引入了磁场发生器，正常打印时，通过控制系统控制磁场发生器产生稳定的静态磁场，通过静态磁场提供洛伦兹力改变工件打印过程中熔池的流场分布，当工件打印累积到一定厚度时，控制磁场发生器产生交变磁场，对工件进行加热回火热处理，之后自然冷却到常温，按照上述方法继续工件打印，直至工件打印结束。本发明在打印过程中，不仅能减小马兰格尼效应所产生的工件不平整效果，还能消除打印过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使工件的组织和性能更加均匀，促进了打印材料金相组织的生长，提高工件的硬度和强度。

Description

一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法

技术领域

本发明属于金属3D打印增材制造技术领域，涉及一种3D打印加热装置，具体涉及一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置及其加热方法。

背景技术

1、选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)作为增材制造技术之一，能够实现由金属粉末到零件的自由制造，成型件尺寸精度高，表面粗糙度低，特别适合具有复杂几何结构零件的成型，广泛应用于航天制造以及精密加工等行业。

2、在SLM加工过程中，由于激光加工温度梯度大，冷却速度快，容易造成工件内部晶粒大小不均匀、部分晶粒粗大、表面残余应力大等缺陷。而SLM加工时间长、要求得到的工件结构复杂且精度要求高，如果采用离线热处理工艺处理则会相应提高对热处理工作仪器的精度要求和工件加载难度，从而导致加工周期过长、成本提高。

3、对金属3D打印的工作平台施加特定的磁场，从而在整个SLM工作流程中产生一定的磁场力和热量。通过焊接过程中磁场“搅拌”作用以及对焊接后保温处理，可以在整个SLM成形缸中完成细化晶粒、改变金相组织、消除残余应力的部分热处理过程。从而加强工件的硬度、强度、塑性等各方面的性能，提高SLM成品加工的质量。

4、在当前在线热处理设备中，一般采用的是底部加热方式，即在成形缸底板设置了电阻丝或其他设备进行加热，但存在的问题是SLM成形整个流程中突出的主要特点是加工时间一般长达数十个小时且最终加工工件厚度仅为几毫米几十毫米。若采用底板加热方式会出现对已成型的工件部分进行了长时间过度加热的现象，同样会使成形后的金相组织受热过度“生长”造成粗大现象，并且容易导致成形缸内粉末不均匀加热的现象。

发明内容

1为了改变SLM制造过程所出现的晶粒粗大、裂纹、残余应力过大以及硬度较低等现象，本发明提出了将磁场和温度场耦合到金属3D打印设备中从而改善打印的质量，提高成品的表面硬度和强度。

2在金属3D打印机中加入电磁感应线圈，用数控电流控制磁场的大小和方向。由于不同材料的磁导率不同，所需的磁场大小也不同，因此在选定打印材料后，将磁场大小设置为材料所需的大小。

3在金属熔池内部存在着复杂相关性的液体流动，因此在磁场的环境下液态金属的流动会受到磁性力、洛伦兹力和热电磁力的影响而发生流动方向改变。由于交变磁场控制熔池的同时也会因涡流效应在成形杠内产生大量的热量，因此本发明中在对于打印工件总厚度不同的情况选用不同种类的磁场，旨在利用磁场对金属熔池的控制作用影响熔池的流动状况的同时避免涡流效应所带来的负面热影响，从而达到缩小工件上下受热不均匀造成尺寸精度误差的情况下最大程度上细化晶粒的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，包括送粉装置、铺粉器、粉末回收装置和成形缸，成形缸的侧壁设有冷却装置，成形缸内设有可升降的工作台，所述工作台上方设有激光加热装置，其特征在于：工作台上方还设有磁场发生器和磁场探测仪，所述磁场探测仪通过水平移动装置安装在工作台上方，所述磁场发生器产生的磁场被磁场探测仪检测到，然后反馈给控制系统，控制系统控制磁场发生器调整产生所需频率及强度的磁场。

作为改进，所述磁场发生器通过电源转换器与外部电源相连，电源转换器由单相变压器和555定时器组成，单相变压器通过555定时器改变交流电流输出波形及周期，所述电源转换器通过控制系统控制产生励磁电流大小和波形。

作为改进，所述成形缸和工作台采用非金属耐高温陶瓷复合材料制成，成形缸内壁采用具有良好导热性的C/C复合材料制成，工作台通过液压升降器推动上下运动，液压升降器所用材质为304不锈钢。

作为改进，所述磁场发生器的导线采用铜芯线，通入转换电流产生特定频率及强度的磁场，可输出磁场强度50mT至2T。

作为改进，所述磁场探测仪主要组成部分为采用TMR元件为核心的磁传感器；磁感应器将接收到的磁场输出信号传至控制系统，通过控制系统的控制运算改变磁场发生器的励磁电流大小。

作为改进，所述水位移动装置包括移动支架，移动支架伸出的头部用于安装磁场探测仪，尾部安装在工作台上方的水平轨道内，移动支架通过线性运动驱动装置驱动可在轨道上左右移动。

作为改进，所述移动支架采用轻质非金属的碳纤维复合材料制成，其伸缩长度可调。

作为改进，所述激光加热装置包括设于工作台上方的激光器和反射镜，所述激光器的光板聚焦可调30μm至200μm，扫描速度为1-5m/s。

一种热磁耦合场协同选择性激光熔化加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过铺粉器开始对成形缸内的工作台铺粉，当累积打印厚度不超过工件分层厚度Th时，磁场发生器通入直流电源产生静态磁场，激光器对工作台上铺好的粉末进行选择性打印；

步骤二、每完成一层打印后工作台下降一段距离，由铺粉器将工作台上剩余的粉末送入到粉末回收装置，当累积打印厚度不超过工件分层厚度T_h且已完成所有打印工作时，通过控制系统控制磁场发生器通入交流电源对打印成形的工件进行的回火热处理，自然冷却后，取出工件，完成打印工作，当累积打印厚度超过工件分层厚度T_h且未完成所有打印工作时，继续执行步骤三；

步骤三、控制系统控制磁场发生器先输出一定的交变磁场对工件成形部分进行的电磁感应加热回火处理，然后断开磁场发生器和激光器电源使成形缸自然冷却到室温，之后按照步骤一和步骤二继续铺粉打印，在打印过程中，每当工件打印达到或超过分层厚度T_h时，通过控制系统控制磁场发生器输出一定的交变磁场，对工件已经打印部分回火热处理，之后断开交流电源，工件自然冷却之后继续打印下一层，如此循环工作，完成所有打印工作后取出工件。

作为改进，工件打印过程中，分层厚度T_h根据不同材料特性选择，一般为5-20mm；每次回火热处理时间t₀取值范围20min-60min。

本发明有益效果是：

本发明在金属3D打印的过程中，通过加入热-磁耦合场并在其协同作用下，改善了以往SLM成形过程中零件内部组织难以控制，存在枝晶粗大等缺陷，从而降低成品力学性能的缺陷。同时也改善了成形零件内部温度分布不均，容易发生翘曲变形，从而影响产品质量的问题。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明中加入了新型的磁场发生器和电源装换器，通入直流电源旨在产生稳定磁场，在打印过程中对熔池产生一定的洛伦兹力，从而减小马兰格尼效应所产生的工件不平整效果。交流电源产生的交变磁场在工件内部产生温度场成对成型的工件进行热处理，消除打印过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使工件的组织和性能更加均匀。此设计促进了打印过程中各种材料的金相组织(如铝硅复合材料)的生长，提高工件的硬度、强度等材料性能。将磁场与温度场的发生装置合二为一，针对不同的打印厚度要求输出不同种类的磁场和安排不同的工作步骤完成相应的打印工作，降低单一工作模式下对不同零件设计厚度(高度)所造成的制造误差。

在打印材料时输出磁场控制熔池内部流动状态，在对成形部分工件输出交变磁场进行电磁感应加热。两种磁场交叉使用，在打印材料的熔融流动和凝固后内部晶粒变化中分别实现磁场力控制熔池以及在线热处理，从而得到理想的金相组织和晶粒大小。避免使用单一交变磁场在控制熔池时产生不必要的涡流效应，减少能量浪费，提高打印工件质量，降低生产的成本。磁场发生器创新性设置在成形缸上方，通过磁场探测仪以及温度探测仪的反馈调节作用可以改变磁场发生器下方的磁感应强度，使得在打印材料时可以同时完成磁场力控制熔池以及加热已成形部分两部分工作流程，实现了磁场与温度场的耦合，并且避免了底层加热时不需加热的成形部分吸收大量热量造成能量利用效率过低的缺陷。在成形缸内加入冷却装置，控制已成型部分的温度。既保证了打印层粉末在高温条件下金相组织的相变效果，又避免了成型部分的金相组织因受热过度造成的过度“生长”现象，以及薄壁部分冷却过快，使零件内部温度分布不均匀从而导致翘曲变形发生的缺陷。

在本发明装置中，对于打印零件总厚度不同的情况进行了划分：

情况一：当打印工件总厚度不超过工件分层厚度T_h时，在打印材料的步骤中磁场发生器输出匀磁场，对熔融状态下的液态金属进行磁场力控制，使得凝固后的枝晶生长更加均匀化，在完成打印工作后磁场发生器输出交变磁场，在工件内部产生涡流效应，从而对工件进行在线回火热处理；情况二：当打印工件总厚度超过工件分层厚度T_h时，对打印步骤划分为两个阶段：第一阶段是当打印累积厚度不超过工件分层厚度T_h时磁场发生器持续输出匀的静态磁场，通过静态磁场提供洛伦兹力改变工件打印过程中熔池的流场分布，减小马兰格尼效应所产生的工件不平整效果；第二阶段是当打印累积厚度超过工件分层厚度T_h时，磁场发生器接入交变电源，对工件为熔化材料、熔池凝固结晶提供交变磁场的环境，对工件进行一次回火热处理，消除打印过程中造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使工件的组织和性能更加均匀，之后自然冷却，之后继续进行打印工作，同时，利用磁场探测仪的检测反馈作用可以调节交变磁场对打印材料的深度影响，从而精确地、有指向性地对当层打印材料进行在线热处理而最低程度地影响成形部分的负面热效应，完成一个温度与磁场耦合协同打印材料的打印周期。打印厚度再次到达或超过工件分层厚度T_h时，按上述方法在进行一次回火热处理，之后工件打印完成。

为了防止磁场发生器因输出交变磁场、产生并传导热量而导致已成形部分产生热变形，因此在本发明装置中设计了水冷系统冷却装置，冷却液通过在与成形缸内表面接触的水套中流动带走成形缸中涡流效应产生的大部分热量，对已成形工件部分进行及时的降温散热处理。

附图说明

图1是本发明热磁耦合场协同选择性激光熔化装置示意图。

图2是磁场发生器反馈工作示意图。

图3是电源转换器工作原理示意图。

图4是本发明工作流程示意图。

图5是较厚工件打印周期示意图。

图6是较薄工件打印周期示意图。

1-激光器，2-工作台，3-温度测量仪，4-送粉装置，5-粉末回收装置，6-液压升降器，7-冷却装置，8-铺粉器，9-磁场发生器，10-磁场探测仪，11-电源转换器，12-控制系统，13-反射镜，14-移动支架。

具体实施方式

图1是本发明装置的示意图，该结构包括：激光器1、成形缸、温度测量仪3、送粉装置4、粉末回收装置5、液压升降器6、冷却装置7、铺粉器8、磁场发生器9、磁场探测仪10、电源转换器11、控制系统12、反射镜13、移动支架14。成形缸的侧壁设有冷却装置7，所述成形缸内设有可升降的工作台2，所述工作台2上方设有激光加热装置、磁场发生器9和磁场探测仪10，所述磁场探测仪10通过水平移动装置安装在工作台2上方，所述磁场发生器9产生的磁场被磁场探测仪10检测到，然后反馈给控制系统12，控制系统12控制磁场发生器9调整产生所需频率及强度的磁场，铺粉器8用于将送粉装置4内的金属粉末平铺在工作台2上方，激光器1通过控制系统12控制，根据工件形状设计好路径，并在已铺好金属粉末上选择性烧结，分层打印，反射镜13用于将激光器1产生的激光反射在粉末上。

如图1所示，工作台2和成形缸采用非金属耐高温陶瓷复合材料，成形缸尺寸为200*200*200㎜；内壁采用具有良好导热性的C/C复合材料，厚度为2mm；设有液压升降器6以推动工作台2运动，液压升降器6所用材质为304不锈钢，可升降高度为200mm，额定载重量为65㎏。

本实施例中，所述磁场发生器9有800匝励磁线圈，导线采用铜芯线，通入转换电流产生特定频率及强度的磁场，可输出磁场强度50mT至2T；外部接入电源转换器11。

本实施例中，电源转换器11包括额定电压为220V的单相变压器、由555定时器和用以改变交流电流输出波形及周期的多谐振荡器；电源转换器11与磁场发生器9及控制系统12外接，控制系统12通过控制输出励磁电流从而改变磁场的大小。

本实施例中，磁场探测仪10主要组成部分为采用TMR元件为核心的磁传感器；磁感应器将接收到的磁场输出信号传至控制系统12，通过控制系统12的控制运算改变磁场发生器9励磁电流的大小；磁场探测仪10通过移动支架14支撑安装在工作台2上方的水平轨道内，移动支架14通过线性运动驱动装置驱动可在轨道上左右移动，线性运动驱动装置可以是丝杆螺母机构、气缸或皮带机构等等电动驱动机构，线性运动驱动装置也通过控制系统12控制运动。移动支架14采用轻质非金属的碳纤维复合材料作为材质，伸缩长度可调，最大伸出长度为500mm,头部装有磁场探测仪10，尾部安装在工作台2上方的凹槽型水平轨道内。

本实施例中，温度测量仪3为接触式温度传感器，核心元件为PTC热敏电阻元件，最大工作电压为18V；所述温度测量仪3的温度传感器贴在成型缸内壁上，温度测量仪3的PLC控制电路与工作台2表面和控制系统12连接。

本实施例中，激光器1的输入功率为600W，光板聚焦可调30μm至200μm，扫描速度为1-5m/s。

本实施例中，冷却装置7采用水冷式冷却系统，冷却液通过在围绕所述成型缸的多层水套中流动与成形缸内交换热量，流回到水箱中进行降温散热，再通过水泵压力作用进入水套如此循环工作。

图2是工作流程示意图，由铺粉器8开始铺粉，当累积打印厚度不超过工件分层厚度T_h时磁场发生器9通入直流电源产生静态磁场，直流的作用是对打印工件的区域产生一个磁场，提供洛伦兹力改变熔池的流场分布，激光器1开始对已经铺好的粉末进行选择性打印工作，每完成一层打印后工作台2下降一段距离(本实施例50μm，根据工件尺寸和粉末类型选择)，由铺粉器8将工作台2上剩余的粉末送入到粉末回收装置5。当累积打印厚度不超过工件分层厚度T_h且已完成所有打印工作时，通过控制系统12控制磁场发生器9改通交流电源对打印成形的工件在一定温度下进行的回火热处理，回火热处理时间为t₀，之后关闭所有电源，自然冷却后取出工件。

当累积打印厚度超过工件分层厚度T_h且未完成所有打印工作时，通过控制系统12控制磁场发生器9改通交流电源产生交变磁场对已经成形部分按上述方法进行电磁感应加热回火热处理，然后关闭交流电源，成形缸和工件自然冷却到室温，磁场发生器9改通直流电源产生静态磁场，冷却后再通过激光器1和铺粉器8按照上述步骤继续打印工作，在打印过程中每当工件打印达到或超过分层厚度T_h时，磁场发生器9输出特定的交变磁场控制熔池流动对该层打印工件回火热处理，之后断开交流电源，自然冷却之后继续打印下一层，如此循环工作，完成所有打印工作后取出工件。

图3是磁场发生器9的反馈工作示意图，当累积打印厚度不超过工件分层厚度T_h时，磁场发生器9接入直流电源完成打印工作，工件全部成形后然后改接交流电源。通过交流电对工件进行回火热处理，并实时测量温度。当达到预先设定的温度时，保持温度进行一段时间t₀的回火热处理之后断开交流电源。在回火热处理加热保温阶段全部完成后，通过自然冷却使工作区域的温度恢复常温；当累积打印厚度超过工件分层厚度T_h且未完成所有打印工作时，工件每打印到工件分层厚度T_h时，重复上述回火热处理工作，工件自然冷却后，继续打印工作，在打印工作中磁场发生器9输出直流静态磁场，直至下一次到达工件分层厚度T_h时，磁场发生器9改通交流电源输出交变磁场，反复循环直至工件打印完成。

图4是电源转换器11内部工作原理示意图，电源转换器11内置两种不同输出电路，将工频(50Hz)交流信号转换为直流信号的整流稳压电路以及变频交流电路。当计算机输出控制信号要求电源转换器11输出直流信号时电源转换器11切换成直流工作模式，工频交流信号经过降压、整流以及稳压三个步骤输出稳定的直流信号；当计算机输出控制信号要求电源转换器11输出一定频率的交流信号时电源转换器11切换成交流工作模式，工频交流信号经过降压、变频、升压三个步骤输出指定频率的交流信号。

实施步骤：

1、不同的金属材料有不同的物理及化学性质，在不同的磁场和温场环境下金相结构的生长效果不同。在选定打印材料后，根据材料的导热性、导电性、铁磁性以及不同温度下的金相组织特性等性能选择最佳的磁场强度和温度大小，并将其输入给控制系统12，本实施例中，控制系统12包括微型处理器或微型计算机，从而输出信号以生成特定的磁场和温度场。

2、将打印工件模型输入控制系统12，由控制系统12计算得到打印工件的总厚度要求以及尺寸精度等制造精度要求，根据打印总高度的不同安排相应的工作步骤。

3、打印工作开始，控制系统12输出控制信号使电源转换器11工作，电源转换器11输出直流电流，磁场发生器9工作产生均匀磁场，同时磁场探测仪10随着移动支架14移动检测特定位置的磁场强度，反馈到控制系统12从而间接调节磁场发生器9输出磁场强度的大小。

4、用液压升降器6控制工作台2的高度，每完成一层金属粉末的打印后，工作台2下降50μm。

5、工作台2右侧为送粉装置4，左侧为粉末收集装置。当左侧的粉末收集到一定程度后，收集粉末通过工作台2底部的管道流通装置返回到送粉装置4容器中。

6、每完成一层打印后，激光器1停止工作并复位到初始位置。液压升降器6将工作台2下降一定的高度后，铺粉器8将送粉装置4的粉末均匀铺在打印区域的上表面并由收粉装置对多余的粉末进行回收，完成此工作后激光器1再开始继续打印。

7、当前累积打印厚度不超过工件分层厚度T_h且打印工作全部完成后，激光器1停止工作。电源转换器11停止输出整流后的直流电流，向磁场发生器9输出交变电流。交变电流将产生并输出交变磁场，对下方的工作区域进行电磁感应加热，回火热处理，控制系统12通过接收来自工作台2区域的热传感器的反馈信号，输出信号传至电源转换器11，控制对工件加热温度及加热时间，保持预先设置好的温度，对工作台2保温处理，时间为t₀，之后冷却到室温。

8、当打印工作未全部完成且当前累积打印厚度已达到工件分层厚度T_h时，按照步骤7进行回火热处理，之后断开电源转换器11电源，使成形部分自然冷却，当成形缸内冷却到室温时，温度测量仪3传递信号至控制系统12，重复工作步骤4、5、6，控制系统12输出控制信号至电源转换器11，接通工频电源并切换到直流信号输出模式，使得磁场发生器9输出静态磁场。同时，激光器1、铺粉器8开始下一层打印工作，打印过程中，冷却装置7启动，控制成形缸内温度变化使之保持较低的温度之下。

9、当完成所有工作步骤之后，回火热处理之后冷却到室温，由铺粉器8将工作台2上剩余的粉末传送至粉末回收装置5中。将成形工件取出，对工件其特定工作表面进行调质等后续处理，增强工件的表面硬度及其他性能。

T_h对应不同的材料取不同值，一般取值约为5-20mm；t₀为每次热处理的时间，对应不同的材料取不同的时间，取值为20min-60min。

Claims (10)

1.一种热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，包括送粉装置、铺粉器、粉末回收装置和成形缸，成形缸的侧壁设有冷却装置，成形缸内设有可升降的工作台，所述工作台上方设有激光加热装置，其特征在于：工作台上方还设有磁场发生器和磁场探测仪，所述磁场探测仪通过水平移动装置安装在工作台上方，所述磁场发生器产生的磁场被磁场探测仪检测到，然后反馈给控制系统，控制系统控制磁场发生器调整产生所需频率及强度的磁场。

2.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述磁场发生器通过电源转换器与外部电源相连，电源转换器由单相变压器和555定时器组成，单相变压器通过555定时器改变交流电流输出波形及周期，所述电源转换器通过控制系统控制产生励磁电流大小和波形。

3.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述成形缸和工作台采用非金属耐高温陶瓷复合材料制成，成形缸内壁采用具有良好导热性的C/C复合材料制成，工作台通过液压升降器推动上下运动，液压升降器所用材质为304不锈钢。

4.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述磁场发生器的导线采用铜芯线，通入转换电流产生特定频率及强度的磁场，可输出磁场强度50mT至2T。

5.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述磁场探测仪主要组成部分为采用TMR元件为核心的磁传感器；磁感应器将接收到的磁场输出信号传至控制系统，通过控制系统的控制运算改变磁场发生器的励磁电流大小。

6.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述水位移动装置包括移动支架，移动支架伸出的头部用于安装磁场探测仪，尾部安装在工作台上方的水平轨道内，移动支架通过线性运动驱动装置驱动可在轨道上左右移动。

7.如权利要求6所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述移动支架采用轻质非金属的碳纤维复合材料制成，其伸缩长度可调。

8.如权利要求1所述热磁耦合场协同选择性激光熔化装置，其特征在于：所述激光加热装置包括设于工作台上方的激光器和反射镜，所述激光器的光板聚焦可调30μm至200μm，扫描速度为1-5m/s。

9.一种热磁耦合场协同选择性激光熔化加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过铺粉器开始对成形缸内的工作台铺粉，当累积打印厚度不超过工件分层厚度Th时，磁场发生器通入直流电源产生静态磁场，激光器对工作台上铺好的粉末进行选择性打印；

步骤二、每完成一层打印后工作台下降一段距离，由铺粉器将工作台上剩余的粉末送入到粉末回收装置，当累积打印厚度不超过工件分层厚度T_h且已完成所有打印工作时，通过控制系统控制磁场发生器通入交流电源对打印成形的工件进行的回火热处理，自然冷却后，取出工件，完成打印工作，当累积打印厚度超过工件分层厚度T_h且未完成所有打印工作时，继续执行步骤三；

步骤三、控制系统控制磁场发生器先输出一定的交变磁场对工件成形部分进行的电磁感应加热回火处理，然后断开磁场发生器和激光器电源使成形缸自然冷却到室温，之后按照步骤一和步骤二继续铺粉打印，在打印过程中，每当工件打印达到或超过分层厚度T_h时，通过控制系统控制磁场发生器输出一定的交变磁场，对工件已经打印部分回火热处理，之后断开交流电源，工件自然冷却之后继续打印下一层，如此循环工作，完成所有打印工作后取出工件。

10.如权利要求9所述热磁耦合场协同选择性激光熔化加热方法，其特征在于：工件打印过程中，分层厚度T_h根据不同材料特性选择，一般为5-20mm；每次回火热处理时间t₀取值范围20min-60min。