CN110076341A - 一种温度场均匀的增材制造铺粉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于増材制造领域，并公开了一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，该装置包括工作框、送粉缸、成形缸、铺粉辊、辐射加热机构和传导加热机构，其中：工作框被隔板分隔为左侧部分和右侧部分，右侧部分作为成形腔，该工作框左侧部分下方设置有送粉缸，右侧部分下方设置有成形缸，该工作框的底板上设置有铺粉辊；送粉缸、成形缸和工作框上均盘绕着蛇形传导加热机构，分别用于对粉末进行预热，维持成形缸和工作框的温度，工作框的右侧部分中设置有辐射加热机构，用于快速对待成形粉末进行加热。通过本发明，减少粉末增材制造装备过程中的结块，翘曲和微裂纹，解决大尺寸零件由于温度场不均匀导致无法成功打印及零件成形质量难保证的难题。

Description

一种温度场均匀的增材制造铺粉装置
技术领域
本发明属于増材制造领域，更具体地，涉及一种温度场均匀的增材制造铺粉装置。
背景技术
选择性激光烧结成形(Selective Laser sintering，SLS)是一种粉末增材成形方式，能将三维实体模型快速制造出来。打印的过程中，会对粉末进行烧结成形，成形的部分以及未加工部分的粉末会对下一层需要打印的粉末起到支撑的作用，该种成形方式最大的优点在于材料较为广泛，如尼龙，蜡，ABS，覆膜砂，聚碳酸酯，金属和陶瓷粉末等，打印的零件主要用于铸造工艺，陶瓷零件可做型芯和型壳，蜡型可做蜡模，热塑性零件可做消失模，因而该种成形方式具有很高的应用价值。选择性激光融化(Selective Laser melting，SLM)也是一种粉末增材成形方式，但其使用的材料为金属，打印过程中直接将金属粉末融化，经冷却凝固而成形，所使用的激光功率大，可以更容易得获得致密度大的金属零件。
但在生产过程中，选择性激光烧结成形技术打印全程不需要设计支撑，直接在粉末上进行成形，因而打印零件和粉末之间温差较大引起的翘曲，会使得打印零件的周边相对于粉末基板较高，很容易被铺粉辊刮走，导致成形的失败，但如果提高辐射器的功率，减少了成形件和粉末基体的温差，避免零件的翘曲，但辐射器过高的功率会使粉末温度过高而结块，使得成型件的四周粘了很多的粉末，不利于打印零件的清理，同时造成了粉末的浪费；在进行大尺寸零件的打印时，现有技术中只有两个加热管的加热方式，成形区域温度场分布不均匀的现象尤为突出，直接导致了大型零件的打印失败。选择性激光融化技术在打印铝等金属的过程中，温度控制不合理，温差较大，融化的粉末冷却速度较快，打印出来的零件会有很多的裂纹，零件的致密度不高，存在孔洞，其性能自然大打折扣。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其通过送粉缸，成形缸，工作框的四周设置蛇形传导加热机构盘绕在表面，实现粉末从送粉、工作框到成形缸的加热，保持成形腔的温度，避免形成温差，减少粉末增材制造装备过程中的结块，翘曲和微裂纹，解决大尺寸零件由于温度场不均匀导致无法成功打印及零件成形质量难保证的难题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，该装置包括工作框、送粉缸、成形缸、铺粉辊、辐射加热机构和传导加热机构，其中：
所述工作框被隔板分隔为左侧部分和右侧部分，右侧部分作为成形腔，该工作框左侧部分下方设置有送粉缸，用于储存待成形的粉末，右侧部分下方设置有成形缸，用于储存成形过程中多余的粉末，该工作框的底板作为成形台面，成形台面上设置有铺粉辊，用于将所述送粉缸中的粉末铺在所述成形缸上；
所述送粉缸、成形缸和工作框上均盘绕着蛇形传导加热机构，所述送粉缸上的传导加热机构用于对送粉缸中的粉末进行预热，所述成形缸和工作框上的传导加热机构分别用于维持所述成形缸和工作框的温度，所述工作框的右侧部分中设置有辐射加热机构，用于快速对待成形粉末进行加热，通过所述传导加热机构和辐射加热机构的共同作用，避免在所述成形腔中形成局部温差，减少待成形零件由所述局部温差导致的翘曲变形。
进一步优选地，所述辐射加热机构包括支撑板、反光板和加热管，所述支撑板用于将所述辐射加热机构与所述工作框连接，所述反光板呈抛物线型，所述加热管设置在所述反光板的下方，所述反光板将所述加热管发出的热量反射至待加工粉末表面，避免热量的散失。
进一步优选地，所述工作框、送粉缸和成形缸上均设置有冷却流道，待加工粉末被成形后，冷却液进入所述冷却流道，一方面降低成形零件的温度，缩短其冷却时间，另一方面，也避免整个铺粉装置持续高热。
进一步优选地，所述成形腔、送粉缸和成形缸中设置有温度传感器，用于实时监测温度，并将监测的温度实时反馈给控制机构，以此对传导加热机构和辐射加热机构进行实时调控。
进一步优选地，所述传导加热机构包括蛇形管道和电磁加热单元，电磁加热单元对所述蛇形管道中的液体进行加热。
进一步优选地，所述送粉缸和成形缸下方设置有活塞，送粉缸的活塞上下运动用于送粉，成形缸的活塞上下运动用于调整成形高度。
进一步优选地，所述辐射加热机构中的加热管优选采用电阻丝加热。
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、本发明通过在送粉缸，成形缸，工作框的四周设置蛇形传导加热机构盘绕在表面，实现粉末从送粉、工作框到成形缸的加热，保持成形腔的温度，避免形成温差，减少粉末增材制造装备过程中的结块，翘曲和微裂纹，解决大尺寸零件由于温度场不均匀导致无法成功打印及零件成形质量难保证的难题；
2、本发明通过传导加热机构为成形腔提供较稳定热传导加热，温度传感器实时检测成形腔中的平面温度场，并由控制器实时调控辐射加热机构中各加热管加热功率，对成形平面进行辐射加热补偿调控，从而控制并维持打印环境，粉末及成形件温度的稳定，避免了粉末增材制造装备过程中的结块，翘曲和微裂纹，解决大尺寸零件由于温度场不均匀导致无法成功打印及零件成形质量难保证的难题；
3、本发明通过在传导加热机构中设置液体流道，由于液体的比热容相对于送粉缸缸体的比热容大，在保温的过程中能维持成形台面台上粉末温度的恒定，此外，工作框被隔板分割为成形腔，用减少成形区的面积，让辐射加热机构的工作温度能更集中，效率更高。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的温度场均匀的增材制造铺粉装置的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的送粉缸的剖面示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的成形缸的结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的辐射加热机构的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-送粉缸，2-铺粉辊，3-成形缸，4-工作框，5-传导加热机构，6-温度传感器，7-辐射加热机构，11-送粉缸储粉腔，12-送粉活塞，31-工作台，32-送样活塞，41-隔板，51-送粉缸液体流道入口，52-送粉缸液体流道出口，53-蛇形管道，54-成形缸液体流道入口，55-成形缸液体流道出口，56-工作框液体流道入口，57-工作框液体流道出口，71-支撑板，72-加热管，73-反光板。
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。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种适用于粉末增材制造装备的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种适用于粉末增材制造装备的加热装置，该装置包括：送粉缸1，铺粉辊2，成形缸3，工作框4、传导加热机构5、温度传感器6和辐射加热机构7。
送粉缸包括送粉缸储粉腔11，其下方设置有送粉活塞12。
成形缸包括工作台31，其下方设置有送样活塞32。
工作框上设置有工作框隔板41。
送粉缸上设置有冷却流道的送粉缸液体流道入口51和送粉缸液体流道出口52、热传导加热机构的蛇形管道53以及送粉缸温度传感器6；
成形缸上设置有冷却流道的成形缸液体流道入口54和成形缸液体流道出口55、热传导加热机构的蛇形管道53以及成形缸温度传感器6；
工作框上设置有热传导加热机构的蛇形管道53、冷却流道的工作框液体流道入口56和工作框液体流道出口57。
辐射加热机构包括：支撑板71，加热管72，反光板73。
传导加热机构5包括蛇形管道和电磁加热单元，为成形腔提供较稳定热传导加热；温度传感器6实时检测成形平面温度场，并由控制器实时调控辐射加热机构7各灯管加热功率，对成形平面进行辐射加热补偿调控。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的送粉缸的剖面示意图，如图2所示，送粉缸1的缸体四周设置有蛇形管道，其中有液体，由于管道中液体的比热容相对于送粉缸缸体的比热容大，在加热的过程中能起到维持温度恒定的作用，在送粉缸1顶部均匀分布着多个送粉缸温度传感器6，实时监控送粉缸1中粉末的温度，传给控制系统，通过PID调节使得送粉缸1中粉末的温度维持在设定值，在打印零件完成后，低温的液体从送粉缸液体流道入口51进入，从送粉缸液体流道出口52流出，快速降低粉末的温度，能更快地获得打印件。
送粉缸1的四周有蛇形管道53，采用电磁加热单元加热蛇形管道中的液体，送粉缸1中的送粉活塞12由电机驱动，能将送粉缸储粉腔11中粉末精确移动一定的量。
图3是按照本发明的优选实施例所构建的成形缸的结构示意图，如图3所示，成形缸3的缸体四周设置有液体流道，由于液体的比热容相对于送粉缸缸体的比热容大，在保温的过程中能维持工作台31上粉末温度的恒定，解决了现有粉末增材制造装备中成形件和周边粉末温差大导致的翘曲，热辐射温度过高导致粉末结块，粉末融化冷却过快导致的微裂纹的难题，在零件打印完成后，低温液体从成形缸液体流道入口54进入，从成形缸液体流道出口55流出，让打印零件迅速降温，从而可以减少打印件自然冷却所需要的时间，提高打印效率，在成形缸3的顶部均匀分布着多个成形缸温度传感器6，实时监控送粉缸中粉末的温度，通过PID调节使得成形缸3中的粉末温度维持在设定值。
成形缸3中的送样活塞32能精确将工作台31向上移动一个打印层厚，所述成形缸3的四周有蛇形管道53，该加热装置优选为电磁加热装置。
工作框4四周有蛇形管道53，该加热装置优选为电磁加热，能将工作框四周的液体进行加热，通过热传导维持工作框4内环境温度的稳定，解决了现有粉末增材制造装备打印件和环境温度相差较大导致的翘曲问题，在工作框内部设置的工作框隔板41将工作框分为两个部分，减少成形区的面积，让辐射加热机构7的工作温度能更集中。
传导加热机构5设置在送粉缸，成形缸和工作框上，快速地为成形腔提供较稳定热传导加热，保证成形腔中粉末的温度稳定在设定值。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的辐射加热机构的结构示意图，如图4所示，辐射加热机构7含有加热管72和抛物面反光板73，由支撑板71悬挂在工作台31上方，对工作台31上面的粉末进行快速加热，加热管72以阵列的形式进行分布，在加热的时候能根据温度传感器6测试的数据实时调节各个加热管72的功率，从而实现对成形平面进行辐射加热补偿调控的效果。
本发明采用的一种适用于粉末增材制造装备，能解决现有打印件易翘曲，存在微裂纹，粉末易结块的现象，提高零件的制造效率，减少零件的生产周期，减轻粉末飞溅对打印的影响，减轻粉末的参数摸索工作量，稳定的温度控制使其尤其适用于制造大尺寸零件。
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 (7)

1.一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，该装置包括工作框(4)、送粉缸(1)、成形缸(3)、铺粉辊(2)、辐射加热机构(7)和传导加热机构(5)，其中：
所述工作框(4)被隔板(41)分隔为左侧部分和右侧部分，右侧部分作为成形腔，该工作框左侧部分下方设置有送粉缸(1)，用于储存待成形的粉末，右侧部分下方设置有成形缸(3)，用于储存成形过程中多余的粉末，该工作框的底板作为成形台面，成形台面上设置有铺粉辊(2)，用于将所述送粉缸中的粉末铺在所述成形缸上；
所述送粉缸(1)、成形缸(3)和工作框(4)上均盘绕着蛇形传导加热机构(5)，所述送粉缸上的传导加热机构(5)用于对送粉缸中的粉末进行预热，所述成形缸和工作框上的传导加热机构分别用于维持所述成形缸和工作框的温度，所述工作框的右侧部分中设置有所述辐射加热机构(7)，用于快速对待成形粉末进行加热，通过所述传导加热机构和辐射加热机构的共同作用，避免在所述成形腔中形成局部温差，减少待成形零件由所述局部温差导致的翘曲变形。
2.如权利要求1所述的一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，所述辐射加热机构(7)包括支撑板(71)、反光板(73)和加热管(72)，所述支撑板(71)用于将所述辐射加热机构与所述工作框连接，所述反光板呈抛物线型，所述加热管(72)设置在所述反光板(73)的下方，所述反光板将所述加热管发出的热量反射至待加工粉末表面，避免热量的散失。
3.如权利要求1或2所述的一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，所述工作框(4)、送粉缸和成形缸上均设置有冷却流道，待加工粉末被成形后，冷却液进入所述冷却流道，一方面降低成形零件的温度，缩短其冷却时间，另一方面，也避免整个铺粉装置持续高热。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，所述成形腔、送粉缸(1)和成形缸(3)中设置有温度传感器(6)，用于实时监测温度，并将监测的温度实时反馈给控制机构，以此对传导加热机构和辐射加热机构进行实时调控。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，所述传导加热机构(5)包括蛇形管道(53)和电磁加热单元，电磁加热单元对所述蛇形管道中的液体进行加热。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，所述送粉缸(1)和成形缸(3)下方设置有活塞，送粉缸的活塞上下运动用于送粉，成形缸的活塞上下运动用于调整成形高度。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种温度场均匀的增材制造铺粉装置，其特征在于，所述辐射加热机构(7)中的加热管优选采用电阻丝加热。
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