CN111974992B - 一种环形金属零件成型均匀加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环形金属零件增材制造领域，尤其涉及一种环形金属零件成型均匀加热装置，包括送粉仓、收粉仓、外壳、内芯、环形基板、加热层、隔热层、微型风扇、电机和传感器等，外壳外侧设外壳隔热层，内侧设外壳加热层，内芯中心设隔热区域，从内到外依次还设非加热区域的圆形壁、内芯隔热层、加热区域和内芯加热板，外壳、内芯与下方的固定板相连构成成型区域，在外壳两端设收粉仓和送粉仓，环形基板加热板装在升降平台内部，该装置在成型过程中基板及内外壁均加热，零件温度梯度小，内应力小，热变形小；适用于加工薄壁结构、多孔结构等已发生热变形的零件；粉末用量少，工作舱体整体尺寸小，惰性气体消耗少。

Description

一种环形金属零件成型均匀加热装置

技术领域

本发明属于环形金属零件增材制造领域，尤其涉及一种环形金属零件成型均匀加热装置。

背景技术

选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术是一种直接成型金属零件的方法。SLM基于增材技术的基本原理，使用分层处理的方法将三维CAD模型进行分层切片，从而得到零件每个分层的二维轮廓数据，再将数据连接至SLM成型设备内，最终生成与CAD设计模型一致的构件。

SLM成型过程的基本原理，首先零件的三维数据模型完成切片分层处理并导入成型设备后，水平刮板首先把薄薄的一层金属粉末均匀地铺在基板上，高能量激光束按照三维数据模型当前层的数据信息选择性地熔化基板上的粉末，成型出零件当前层的形状，然后水平刮板在已加工好的层面上再铺一层金属粉末，高能激光束按照模型的下一层轮廓数据信息进行选择熔化，如此往复循环直至整个零件完成制造。

SLM技术以其精度高、性能好的特点正逐渐被广泛应用在工程中，尤其在航天航空、生物医疗等具有高精度、难成型等特点的领域中发挥了独特的作用；但不可否认的是在其成型过程中也会出现缺陷，这些缺陷也都会严重影响金属零件的成型质量和使用寿命，残余应力是导致零件变形的主要原因之一。

由于激光加工是一个极速熔化极速冷却的过程，导致成型件中含有大量的残余应力，对零件的成型及其性能造成极大影响；尤其在一些复杂薄壁零件加工过程中，SLM成型过程中易产生较大的残余应力，导致零件开裂、翘曲变形等成型缺陷，极大影响零件的成型质量和使用寿命：而产生的残余应力的主要原因在于SLM加工过程中快速降温过程，内部应力来不及释放造成的。

选区激光增材制造技术在成型仓采用的方形基板，用来加工具有复杂曲面的零件和传统加工无法成型的零件，本发明针对环形薄壁零件设计的一种装置，在加工开始前首先要对基板和粉末进行预热，然后进行激光扫描，一层加工完成后，基板下降、铺粉、激光扫面重复这些步骤，直至零件成型。

在基板下降的过程中，成型区域也在下降，加热装置无法均匀加热，而且成型区域热量流失，残余应力变大，导致薄壁零件变形，甚至会造成零件无法成型。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种环形金属零件成型均匀加热装置，实现了成型区域的温度保持基本不变，使环形金属零件在成型过程中均匀加热，减小零件内部的残余应力的设计要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种环形金属零件成型均匀加热装置，包括加热装置、驱动装置、SLM环形成型缸、风扇装置和保温装置。

所述加热装置包括外壳内侧的外壳加热层、内芯外侧的内芯加热板和环形基板下方升降平台内的加热板，所述外壳、内芯与下方的固定板相连构成成型区域。

所述环形基板加热板装在升降平台内部，保持基板上的温度不变，加热板下方的隔热层把热量与升降平台下面的丝杠隔开，不影响丝杠的热胀冷缩，可以保证基板运动的精度。

所述加热板采用的是PTC加热板，其工作原理是热敏电阻加电后自热升温，使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻，表面温度将保持，该温度只与PTC热敏电阻的温度和外加的电压有关，而与环境温度基本无关。

所述加热系统成本低、长寿命，采用PTC加热板不需要专门的温控器和热电阻热电偶等温度传感器进行温度反馈即能对加热器进行发热控制，它的温度调节是靠自身的材料特性，使本产品具有远大于其它加热器的使用寿命，并且更安全和环保，加热器本体的设计加热温度在200摄氏度以下的多档，任何情况下本体均不发红且有保护隔离层，可放心使用，不存在对人体烫伤和引发火灾的问题。

所述外壳两端设收粉仓和送粉仓。

所述驱动装置包括伺服电机、丝杠和传动装置，所述的伺服电机固定安装在固定板下面，丝杠位于环形基板的升降平台下方，且在成型区域内，丝杠的一端设置了凸台，丝杠和升降平台通过卡环相连接，所述环形基板与升降平台结合时，在升降平台上设置了阶梯形圆柱凸台，在基板下方设计与此对应阶梯形凹台，使环形基板和升降平台紧密的结合，丝杠下方与固定板相连，通过伺服电机带动丝杠旋转，从而带动环形基板上下移动，所述传动装置包括伺服电机带轮、丝杠带轮和皮带，伺服电机带轮和丝杠带轮通过皮带相连，从而把带轮固定在电机转轴和丝杠上。

所述SLM环形成型缸包括外壳、内芯和环形基板，外壳外侧设外壳隔热层，内侧设外壳加热层，内芯中心设隔热区域，从内到外依次是非加热区域的圆形壁、内芯隔热层、加热区域和内芯加热板，外壳底部和内芯底部与下方的固定板相连构成成型区域，环形基板外侧与外壳相连，内侧与内芯相连，环形基板在外壳和内芯的成型区域上下移动；环形基板边缘还设计了防止粉末进入的毛毡结构。

所述风扇装置包括16个微型风扇，在外壳、内芯与固定板形成的封闭空间内都设置微型小风扇，在内芯与固定板形成的封闭空间内上下各设置4个微型风扇，上表面和下表面的风扇构成了十字结构，在外壳与固定板形成的封闭空间的4个直角区域内上下表面分别各设置一个风扇，所述微型风扇通过螺栓固定，每个风扇用2个螺栓固定。

所述保温装置包括外壳外侧的外壳隔热层、内芯内侧的内芯隔热层、固定板上表面的隔热层和升降平台内的隔热层。

在外壳和内芯的中间区域设置位移传感器，原点设置在环形基板下表面，在外壳和内芯的中间区域还设置了凸台，限制了整个装置的使用范围，在外壳的内壁上还设置了温度传感器。

所述环形基板可以加工圆形、椭圆以及可以放到环形基板内的薄壁零件。

所述送粉仓的设计，长度与成型仓一样，主要是宽度的设计，在能容纳足够的粉末的前提下，使送粉仓的体积最小，以减小整个设备的体积，送粉仓宽度的计算公式为：

y代表宽度

R代表环形大圆的半径

h代表宽度到圆心的距离

r代表环形小圆的半径

当宽度与小圆相切时，h达到最大h=r，此时y值达到最大，当h大于r时用一下公式

综上所述，当与小圆相切时，此时宽度最大。

与现有技术相比，本发明有益效果是：在成型过程中，通过基板及内外壁均加热，零件温度梯度小，内应力小，热变形小；适用于加工薄壁结构、多孔结构等已发生热变形的零件；粉末用量少，工作舱体整体尺寸小，惰性气体消耗少，节约成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构剖面示意图；

图3为本发明环形基板与升降平台结合的结构示意图；

图4为本发明内芯的结构示意图；

图5为本发明上表面结构示意图；

图6为本发明下表面结构示意图；

图7为本发明传动装置结构示意图；

图8为本发明环形基板、升降平台和丝杠连接结构示意图；

1、收粉仓；2、外壳；21、外壳加热层；22、外壳隔热层；3、内芯；31、内芯加热区域；32、内芯隔热区域；33、非加热区域的圆形壁；34、内芯加热板；35、内芯隔热层；4、环形基板；41、环形基板密封圈；5、送粉仓；6、隔热层；7、固定板；8、微型风扇；9、位移传感器；10、温度传感器；11、伺服电机；12、升降平台以及环形基板装置；42、伺服电机带轮；43、丝杠带轮；44、丝杠；45、皮带；46、环形基板与升降平台连接的凹槽；47、卡环；48、丝杠凸台；49、升降平台。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种环形金属零件成型均匀加热装置，包括加热装置、驱动装置、SLM环形成型缸、风扇装置和保温装置。

加热装置包括外壳2、内芯3和升降平台49内均设的加热板，外壳2、内芯3与最下面固定板7一起构成了成型区域，在外壳2两端设收粉仓1和送粉仓5；环形基板加热板装在升降平台49内部，保持基板上的温度不变，加热板下方的隔热层把热量与丝杠44隔开，不影响丝杠44的热胀冷缩，可以保证环形基板4运动的精度。

加热板采用的都是PTC加热板，其工作原理是热敏电阻加电后自热升温，使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻，表面温度将保持，该温度只与PTC热敏电阻的温度和外加的电压有关，而与环境温度基本无关。

环形基板加热板成本低，寿命长，不需要专门的温控器和热电阻热电偶等温度传感器进行温度反馈即能对加热器进行发热控制，它的温度调节是靠自身的材料特性，使本产品具有远大于其它加热器的使用寿命，并且更安全和环保，加热器本体的设计加热温度在200摄氏度以下的多档，任何情况下本体均不发红且有保护隔离层，可放心使用，不存在对人体烫伤和引发火灾的问题。

驱动装置包括伺服电机11、丝杠44和传动装置，伺服电机11固定安装在固定板7下面，丝杠44位于环形基板4的升降平台下方，且在成型区域内，丝杠44的一端设置了凸台48，丝杠44和升降平台49通过卡环47相连接，环形基板4与升降平台49结合时，装置采用了特殊结构，在升降平台上设置阶梯形圆柱凸台，在环形基板4下方设计与此对应阶梯形凹槽46，不仅可以起到定位作用，还可以使环形基板4和升降平台49紧密的结合在一起，在加工完成后，可以方便取出；丝杠44下端与固定板7相连，伺服电机11带动丝杠44旋转，从而带动环形基板4上下移动，传动装置包括伺服电机带轮42、丝杠带轮43和皮带45，伺服电机带轮42和丝杠带轮43通过皮带45相连，把带轮固定在电机转轴和丝杠44上。

SLM环形成型缸包括外壳2、内芯3和环形基板4，外壳2外侧设外壳隔热层22，内侧设外壳加热层21，内芯3中心设隔热区域32，从内到外依次是非加热区域的圆形壁33、内芯隔热层35、加热区域31和内芯加热板34，不仅节省能源，还防止热量的流失，不影响加热装置和温度的条件下，尽可能的使非加热区域变大，可以得到更高的效率，外壳2和内芯3与下方的固定板7相连，环形基板4外侧与外壳2相连，环形基板4内侧与内芯3相连，环形基板4边缘设计了防止粉末进入的毛毡结构。

风扇装置包括16个微型风扇8，在外壳2、内芯3与固定板7形成的封闭空间内都设置微型小风扇8，在内芯与固定板形成的封闭空间内上下各设置4个微型风扇8，上表面和下表面的风扇构成了十字结构，保证封闭区域温度基本保持不变，在外壳2与固定板7形成的封闭空间4个直角区域内上下表面分别各设置一个微型风扇8，可以使风扇更高效，微型风扇8通过螺栓固定，每个风扇用2个螺栓固定。

保温装置包括外壳外侧的外壳隔热层22、内芯内侧的内芯隔热层35、固定板上表面的隔热层6和升降平台内的隔热层。

在外壳2和内芯3的中间区域设置位移传感器9，原点设置在环形基板4下表面，在外壳2和内芯3的中间区域还设置了凸台，限制了整个装置的使用范围，在外壳的内壁上设置温度传感器10，控制加热区域的温度，在加热到一定的温度时，转换到保温状态，温度低于设定的温度时，加热板又开始加热，保证温度均匀；传感器是用来控制基板的下降距离和加热的温度，从而控制薄壁零件的成型。

环形基板4可以加工圆形、椭圆以及可以放到环形基板内的薄壁零件。

送粉仓的设计，长度与成型仓一样，主要是宽度的设计，在能容纳足够的粉末的前提下，使送粉仓的体积最小，以减小整个设备的体积，送粉仓宽度的计算公式为：

y代表宽度

R代表环形大圆的半径

h代表宽度到圆心的距离

r代表环形小圆的半径

当宽度与小圆相切时，h达到最大h=r，此时y值达到最大，当h大于r时用一下公式

综上所述，当与小圆相切时，此时宽度最大。

本发明提供的一种环形金属零件成型均匀加热装置，举例说明使用方法：

（1）如加工一个环形的薄壁结构，首先采用三维建模软件设计出零件；

（2）把设计好的三维模型的数据传输到计算机上，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息；

（3）在计算机上设定想要的加热温度，同时风扇系统启动，当温度达到设定值，进入保温状态；

（4）计算机通过得到的切片信息控制振镜偏转，实现激光束在当前层零件二维轮廓内扫描，熔化预置在粉末床上的细微金属粉末；

（5）当加工完成一层后，工作缸下降一层厚的高度，送粉仓5升高，由铺粉刮刀将送粉仓的粉末铺到工作缸台面上，形成一层新的粉末层；

（6）计算机系统根据下一层切片的零件轮廓信息，控制振镜实现激光扫描熔化；

（7）重复“区域熔化-铺粉-区域熔化”的过程，直至零件加工完成；

（8）关闭开关，当温度降低时，取出环形基板4，然后进行后处理。

以上实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有任何更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种环形金属零件成型均匀加热装置，包括加热装置、驱动装置、SLM环形成型缸、风扇装置和保温装置，其特征在于，所述加热装置包括外壳（2）内侧的外壳加热层（21）、内芯（3）外侧的内芯加热板（34）和升降平台（49）内的加热板，在外壳两端设收粉仓（1）和送粉仓（5）；

驱动装置包括伺服电机（11）、丝杠（44）和传动装置，所述的伺服电机（11）固定安装在固定板（7）下面，丝杠（44）位于环形基板（4）的升降平台（49）下方，且在成型区域内，丝杠（44）的一端设置了凸台（48），丝杠（44）和升降平台（49）通过卡环（47）相连接，环形基板（4）与升降平台（49）结合时，在升降平台（49）上设置阶梯形圆柱凸台，在环形基板下方设计与此对应阶梯形凹台，使环形基板（4）和升降平台（49）紧密的结合，丝杠（44）下端与固定板（7）相连，伺服电机（11）带动丝杠（44）旋转，从而带动环形基板（4）上下移动，传动装置包括伺服电机带轮（42）、丝杠带轮（43）和皮带（45），伺服电机带轮（42）和丝杠带轮（43）通过皮带（45）相连，把带轮固定在电机转轴和丝杠（44）上；

所述SLM环形成型缸包括外壳（2）、内芯（3）和环形基板（4），外壳（2）外侧设外壳隔热层（22），内侧设外壳加热层（21），内芯（3）中心设隔热区域（32），从内到外依次是非加热区域的圆形壁（33）、内芯隔热层（35）、加热区域（31）和内芯加热板（34），外壳（2）底部和内芯（3）底部与下方的固定板（7）相连构成成型区域，环形基板（4）外侧与外壳（2）相连，内侧与内芯（3）相连，环形基板（4）在成型区域上下移动；环形基板（4）边缘设防止粉末进入的毛毡结构；

所述风扇装置包括16个微型风扇（8），在内芯（3）的加热区域（31）与固定板（7）形成的封闭空间内上下表面各设置4个微型风扇，上表面和下表面的风扇构成十字结构，保证封闭区域温度基本保持不变，在外壳（2）与固定板（7）形成的封闭空间的4个直角区域内上下表面分别各设置一个风扇；

保温装置包括外壳外侧的外壳隔热层（22）、内芯内侧的内芯隔热层（35）、固定板上表面的隔热层（6）和升降平台（49）内的隔热层；

在外壳（2）和内芯（3）的中间区域设置位移传感器（9），原点设置在环形基板（4）下表面，在外壳和内芯的中间区域设置了凸台，限制了整个装置的使用范围，在外壳的内壁上还设置了温度传感器（10）。

2.根据权利要求1所述的一种环形金属零件成型均匀加热装置，其特征在于，所述环形基板（4）下方的升降平台（49）内从上到下设加热板和隔热层。

3.根据权利要求1所述的一种环形金属零件成型均匀加热装置，其特征在于，所述加热板均采用PTC加热板。

4.根据权利要求1所述的一种环形金属零件成型均匀加热装置，其特征在于，所述微型风扇（8）通过螺栓固定，每个风扇用2个螺栓固定。

5.根据权利要求1所述的一种环形金属零件成型均匀加热装置，其特征在于，可以加工放到环形基板（4）内的所有薄壁零件。

Images