CN113618084A - 一种粉末床增材制造系统和粉末床增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种粉末床增材制造用投影式随形加热系统和方法，包括：计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器、两个投影式加热装置、铺粉车、粉料仓、基板、粉末回收仓、激光扫描系统，计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器依次连接，激光扫描系统与计算机控制装置相连，铺粉车与粉料仓相隔预设距离；多模块集成系统。本发明采用投影式加热，激光选区熔化增材制造过程中加热区域随着层片几何形状的改变而变化，对激光选区熔化增材制造的每一层制件区域进行精准加热，减少加热过程中温度梯度，减小残余应力；有效减小马氏体合金等室温脆性大材料的开裂和变形。

Description

一种粉末床增材制造系统和粉末床增材制造方法
技术领域
本发明涉及激光选区熔化增材制造和粉末床增材制造技术领域，具体涉及一种粉末床增材制造系统和粉末床增材制造方法。
背景技术
针对金属激光选区熔化增材制造过程高温度梯度、热残余应力以及变形和开裂等问题，本发明提出了随形投影式预热方法降低温度梯度，减少残余应力，防止成形件的变形及开裂。对于马氏体合金等室温脆性大材料，激光选区熔化增材成形过程中扫描速度是传统激光焊接的几十倍，熔池温度梯度高，制件内部存在很大的热应力、组织应力和残余应力，易导致成形件在打印过程中发生裂纹。预热是降低激光选区熔化增材制造马氏体合金等室温脆性大材料开裂的主要有效措施。目前粉末床增材制造的加热方法主要采用整体成形缸的缸壁加热和粉末床成形基板的整面加热，可以有效减缓增材过程的温度梯度，降低残余应力；然而导致能量消耗大，而且整体设备处于高温工况环境，设备稳定性较差。
发明内容
为了解决现有技术中采用整体成形缸的缸壁加热和粉末床成形基板的整面加热而导致的能源消耗大、设备稳定性变差的问题，本发明实施例提供一种粉末床增材制造用投影式随形加热系统和方法。该系统根据增材制造过程中每层的层片几何特征，采用逐层随形投影式加热成形零件层片局部区域的方法，逐层对制件的每一层进行加热，一方面对激光选区熔化增材制造制件进行有效的加热，降低成形过程中残余应力，减少能量损耗；另一方面，该方法也可以应用于其他粉末床增材制造制件的逐层加热，提高了加热效率和效果，避免设备整体处于长时间高温状态下工作，可保证设备工作稳定性。其具体技术方案如下：
本发明实施例提供的粉末床增材制造系统，包括：计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器、两个光投影式加热装置、铺粉车、粉料仓、基板、粉末回收仓、激光扫描系统，所述计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器依次连接，所述激光扫描系统与所述计算机控制装置相连，位于所述基板正上方的、高于所述光加热装置预设距离的位置；工件上表面与所述粉料仓、粉末回收仓处于同一水平线，所述铺粉车与所述粉料仓相隔预设距离；所述非接触式温度传感器设置在所述投影式加热装置上，两个投影式加热装置可形成特定的照射区域。
进一步的，所述投影式加热装置为基于空间光调制器的面投影光加热装置。
进一步的，所述投影式加热装置采用红外光、绿色及其波段光源中的一种。
本发明的第二方面提供粉末床增材制造方法，包括步骤：
将待加热的工件，按照预设方法进行分层切片；
将所述分层切片输入粉末床增材控制系统和上述所述的粉末床增材制造用投影式随形加热系统；
粉末床增材控制系统根据当前扫描层的轮廓信息，计算形成需要加热的区域几何形状，并将加热区域的轮廓信息传输给投影式加热装置，所述投影式加热装置对所述区域进行加热；
由非接触式温度传感器向温度控制装置传输投影式加热区域的实时温度，并通过温度控制装置进行实时调控；
由激光扫描装置对当前层进行扫描使粉末熔化；
如此重复上述操作，完成成形件的打印。
进一步的，在将加热区域的区域几何形状传输给投影式加热装置之后，所述投影式加热装置对所述区域进行加热之前，还包括步骤：
使基板下降一个层厚高度，使粉料仓上升一个高度；
使铺粉车向前运动将粉末均匀的铺在基板上；
将多余的粉末推到粉末回收仓内。
本发明的第三方面提供一种计算机刻度存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器处理上述所述的粉末床增材制造用投影式随形加热方法方法的步骤。
本发明的第四方面还提供一种投影式加热系统，包括：计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器、两个投影式加热装置；所述计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器依次连接，所述激光扫描系统与所述计算机控制装置相连；所述温度传感器设置在所述光加热装置上；
两个所述投影式加热装置在同一水平面上，相向按照预设角度设置，两个投影式加热装置形成特定加热区域；
温度控制装置根据计算机控制装置提供的当前扫描层的轮廓信息将指令信息传给投影式加热装置，投影式加热装置对指定区域进行加热，非接触式温度传感器向温度控制系统传输投影式加热装置的实时温度，并通过温度控制系统进行实时调控；在加热过程的同时，激光扫描装置接收所述计算机控制装置发送的当前扫描层的轮廓信息对当前层进行扫描使粉末熔化。
进一步的，所述光加热装置为基于空间光调制器的面投影光加热装置。
进一步的，所述投影式加热装置采用红外光、绿色及其波段光源中的一种。
本发明实施例提供的一种粉末床增材制造用投影式随形加热系统和方法，该方法首先将待加热的工件，按照预设方法进行分层切片，然后将分层切片输入粉末床增材控制系统和投影式随形加热系统；粉末床增材控制系统根据当前扫描层的轮廓信息，计算形成需要加热的区域几何形状，并将加热区域的轮廓信息传输给投影式加热装置，所述投影式加热装置对所述区域进行加热；非接触式温度传感器向温度控制装置传输投影式加热区域的实时温度，并通过温度控制装置进行实时调控；激光扫描装置对当前层进行扫描使粉末熔化；如此重复上述操作，完成成形件的打印。本发明采用投影式加热，激光选区熔化增材制造过程中加热区域随着层片几何形状的改变而变化，根据实时获取的加热区域的温度对激光选区熔化增材制造的每一层制件区域进行精准加热和温度调控，一方面减少加热过程中温度变化梯度，减小残余应力；另一方面有效减小激光选区熔化增材制造马氏体合金等室温脆性大材料的开裂和变形。
附图说明
图1是本发明粉末床增材制造系统的结构示意图。
图2是本发明一种投影式加热系统结构示意图。
图3a是两个投影式加热装置在工件上形成的照射区域示意图；
图3b为本发明一种成形零件的层片几何形状的实施例示意图；
图3c为本发明另一种成形零件的层片几何形状的实施例示意图；
图中：1-计算机控制装置；2-温度控制装置、3-非接触式温度传感器、4-两个投影式加热装置、5-铺粉车、6-粉料仓、7-基板、8-粉末回收仓、9-激光扫描系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1是本发明粉末床增材制造系统的结构示意图，包括：计算机控制装置1、温度控制装置2、非接触式温度传感器3、两个投影式加热装置4、铺粉车5、粉料仓6、基板7、粉末回收仓8、激光扫描系统9，从图中可以看出，所述计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器依次连接，所述激光扫描系统与所述计算机控制装置相连，位于所述基板正上方的、高于所述投影式加热装置预设距离的位置；工件上表面与所述粉料仓、粉末回收仓处于同一水平线，所述铺粉车与所述粉料仓相隔预设距离；所述温度传感器设置在所述投影式加热装置上；两个投影式加热装置可形成特定的照射区域。
在本发明实施例中，为防止加热装置影响腔内正常工作，将其安装在仓室上方，红外线加热装置的辐照范围能够覆盖整个加工基板。温度控制装置2根据计算机控制装置1提供的当前扫描层的轮廓信息将指令信息传给投影式加热装置4，投影式加热装置4对指定区域进行加热，基板7下降一个层厚高度，同时粉料仓6上升一个层厚高度，铺粉车5向前运动将粉末均匀的铺在基板7上，多余的粉末被推到粉末回收仓8内。非接触式温度传感器3此时能向温度控制系统传输红外线加热装置的实时温度，并通过温度控制系统进行实时调控。在加热过程的同时，激光扫描装置9对当前层进行扫描使粉末熔化。如此重复上述操作，完成成形件的打印。
由于基于空间光调制器的面投影光加热装置(4)的局部加热可以将热源集中并能有效的节约能源，不会造成能源的浪费又有效改善了温度梯度大冷却速度快的特点，完成了打印过程中随形的马氏体退火，有效防止了成形制件的开裂现象。在本发明实施例的可选实施方式中，上述投影式加热装置(4)采用基于空间光调制器的面投影光加热装置。
本技术方案提出粉末床增材制造系统，该系统包括：计算机控制系统、温度控制系统、高功率基于空间光调制器的面投影光加热系统。高功率基于空间光调制器的面投影光加热系统包括位于仓室内的基于空间光调制器的面投影光加热器和加热器上的温度传感器。激光选区熔化增材制造制件的层片几何形状信息文件导入计算机控制系统，计算机控制系统分析单层打印区域并将打印区域加热指令信息发送到温度控制系统，接收到加热信息的温度控制系统将使用基于空间光调制器的面投影光加热器对指定区域进行加热。在加热过程中加热器上的温度传感器将温度信息转化为电信号传给温度控制系统，方便及时调控温度并检测光源是否衰减严重需要更换。
激光选区熔化增材制造的零件尺寸越来越大，从现有成熟的300mm逐渐达到1000mm以上，随形投影式加热方法可有效降低大尺寸成形制件的残余热应力，可有效控制制件的变形与开裂。
本发明的另一方面还提供一种投影式加热系统，参见图2是本发明一种投影式加热系统结构示意图，包括：计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器、两个投影式加热装置；所述计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器依次连接，所述激光扫描系统与所述计算机控制装置相连；所述非接触式温度传感器设置在所述投影式加热装置上；
两个所述投影式加热装置在同一水平面上，相向按照预设角度设置，两个投影式加热装置形成特定加热区域；
温度控制装置根据计算机控制装置提供的当前扫描层的轮廓信息将指令信息传给投影式加热装置，投影式加热装置对指定区域进行加热，非接触式温度传感器向温度控制系统传输投影式加热装置的实时温度，并通过温度控制系统进行实时调控；在加热过程的同时，激光扫描装置接收所述计算机控制装置发送的当前扫描层的轮廓信息对当前层进行扫描使粉末熔化。
进一步的，所述投影式加热装置为基于空间光调制器的面投影光加热装置。
进一步的，所述投影式加热装置采用红外光、绿色及其波段光源中的一种。
本发明的第三方面还提供一种粉末床增材制造方法，参见图3a所示，是两个投影式加热装置在工件上形成的照射区域示意图，在形成的光照区域内完成粉末床增材造用投影式随形加热方法包括步骤如下：
将待加热的工件，按照预设方法进行分层切片；
将所述分层切片输入粉末床增材控制系统和上述任一所述的投影式随形加热系统；
粉末床增材控制系统根据当前扫描层的轮廓信息，计算形成需要加热的区域几何形状，并将加热区域的轮廓信息传输给投影式加热装置，所述投影式加热装置对所述区域进行加热；
由非接触式温度传感器向温度控制装置传输投影式加热区域的实时温度，并通过温度控制装置进行实时调控；
由激光扫描装置对当前层进行扫描使粉末熔化；
如此重复上述操作，完成成形件的打印。
该方法首先将待加热的工件，按照预设方法进行分层切片，然后将分层切片输入粉末床增材控制系统和投影式随形加热系统；粉末床增材控制系统根据当前扫描层的轮廓信息，计算形成需要加热的区域几何形状，并将加热区域的轮廓信息传输给投影式加热装置，所述投影式加热装置对所述区域进行加热；非接触式温度传感器向温度控制装置传输投影式加热区域的实时温度，并通过温度控制装置进行实时调控；激光扫描装置对当前层进行扫描使粉末熔化；如此重复上述操作，完成成形件的打印。本发明采用投影式加热，激光选区熔化增材制造过程中加热区域随着层片几何形状的改变而变化，根据实时获取的加热区域的温度对激光选区熔化增材制造的每一层制件区域进行精准加热和温度调控，一方面减少加热过程中温度变化梯度，减小残余应力；另一方面有效减小激光选区熔化增材制造马氏体合金等室温脆性大材料的开裂和变形。
上述投影式加热装置优选采用基于空间光调制器的面投影光加热装置。
进一步的，在获取计算机控制装置提供的当前扫描层的轮廓信息，并由温度控制装置传给基于空间光调制器的面投影光加热装置之后，在所述轮廓信息形成的区域，基于空间光调制器的面投影光加热装置对所述区域进行加热之前，还包括步骤：
使基板下降一个层厚高度，使粉料仓上升一个高度；
使铺粉车向前运动将粉末均匀的铺在基板上；
将多余的粉末推到粉末回收仓内。
下面以TC4钛合金激光选区熔化增材制造系统的使用为实施案例，其具体的实现过程是：
1.基于自主开发的M360激光选区熔化设备，采用投影式加热方法，以TC4钛合金粉末为原材料，以复杂五角形柱体为3D模型，利用crafty数据处理软件把复杂五角形柱体的STL模型进行切片分层，层厚为0.03mm；每一层的层号分别为第1层、第2层……第N层。
2.将TC4钛合金粉末材料放入真空干燥箱中进行烘干，烘干完成后加入到M360激光选区熔化成形粉料仓中，调平基板预先铺上一层粉末，关闭仓门抽真空充入氩气，当氧气含量小于500ppm时，可以开始进行激光选区熔化增材制造。
3.计算机控制系统AMS_M360将复杂五角形柱体的分层信息传输给基于空间光调制器的面投影光加热系统，根据制件层片的几何形状，对粉末制件层片几何区域进行精准加热，基于空间光调制器的面投影式加热系统收到信号后根据当前层的几何形状对指定区域进行随形加热，加热的同时激光扫描系统根据当前层的路径规划进行粉末熔化成形。
4.第一层打印结束后，为不损坏仓内的设施，加热系统暂时关闭，成形仓基板下降一定高度，粉料仓上升一定高度，由铺粉车将粉末均匀的铺到基板上，在铺粉车回程通过基板后，加热系统开启对待扫描区域进行加热，当铺粉车到达指定位置停稳后，基于空间光调制器的面投影式加热模块打开，对当前层的制件层片的几何区域进行精准加热，激光扫描系统对当前层进行选区熔化增材制造。重复上述操作，直至制件增材成形完毕。
5.激光选区熔化增材制造过程中，非接触式温度传感器实时测量激光选区熔化增材制造制件的几何形状区域内的温度，根据材料和工艺的需要，可以调整基于空间光调制器的面投影光加热时间，如图3b-3c的实施例所示，从而保证充分消除残余应力，防止制件开裂和变形，而且该随形加热方法也避免了对其余TC4钛合金粉末的加热和性能变差。
6.激光选区熔化增材成形完毕后，基于空间光调制器的面投影光加热系统仍然根据工艺需要，对指定区域进行精准加热，而且可以梯度式加热方式，实现激光选区熔化增材制件的退火去应力，最后清除粉末，取出制件及基板。
本发明的最后一方面还提供一种计算机刻度存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器处理上述所述的粉末床增材制造用投影式随形加热方法方法的步骤。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种粉末床增材制造系统，其特征在于，包括：计算机控制装置(1)、温度控制装置(2)、非接触式温度传感器(3)、两个投影式加热装置(4)、铺粉车(5)、粉料仓(6)、基板(7)、粉末回收仓(8)、激光扫描系统(9)，所述计算机控制装置(1)、温度控制装置(2)、非接触式温度传感器(3)依次连接，所述激光扫描系统(9)与所述计算机控制装置(1)相连，位于所述基板正上方的、高于所述投影式加热装置(4)预设距离的位置；工件上表面与所述粉料仓(6)、粉末回收仓(8)处于同一水平线，所述铺粉车(5)与所述粉料仓(6)相隔预设距离；所述非接触式温度传感器(3)设置在所述投影式加热装置(4)上；两个投影式加热装置(4)可形成特定的照射区域；
温度控制装置(2)根据计算机控制装置(1)提供的当前扫描层的轮廓信息将指令信息传给投影式加热装置(4)，投影式加热装置(4)对指定区域进行加热，基板(7)下降一个层厚高度，同时粉料仓(6)上升一个层厚高度，铺粉车(5)向前运动将粉末均匀的铺在基板(7)上，多余的粉末被推到粉末回收仓(8)内；非接触式温度传感器(3)向温度控制系统传输投影式加热装置的实时温度，并通过温度控制系统进行实时调控；在加热过程的同时，激光扫描装置(9)对当前层进行扫描使粉末熔化；如此重复操作，完成成形件的打印。
2.根据权利要求1所述的粉末床增材制造系统，其特征在于，所述投影式加热装置(4)为基于空间光调制器的面投影加热装置。
3.根据权利要求1所述的粉末床增材制造系统，其特征在于，所述投影式加热装置(4)采用红外光、绿色及其波段光源中的一种。
4.一种粉末床增材制造方法，其特征在于，包括步骤：
将待加热的工件，按照预设方法进行分层切片；
将所述分层切片输入粉末床增材控制系统和权利要求1-3任一所述的粉末床增材制造系统；
粉末床增材控制系统根据当前分层切片的轮廓信息，计算形成需要加热的区域几何形状，并将加热区域的区域几何形状传输给投影式加热装置，所述投影式加热装置对所述区域进行加热；
由非接触式温度传感器向温度控制装置传输投影式加热区域的实时温度，并通过温度控制装置对所述投影式加热装置的加热温度进行实时调控；
由激光扫描装置对当前层进行扫描使粉末熔化；
如此重复上述操作，完成成形件的打印。
5.根据权利要求4所述的粉末床增材制造方法，其特征在于，在将加热区域的区域几何形状传输给投影式加热装置之后，所述投影式加热装置对所述区域进行加热之前，还包括步骤：
使基板下降一个层厚高度，使粉料仓上升一个高度；
使铺粉车向前运动将粉末均匀的铺在基板上；
将多余的粉末推到粉末回收仓内。
6.一种计算机刻度存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器处理上述所述的粉末床增材制造用投影式随形加热方法的步骤。
7.一种投影式加热系统，其特征在于，包括：计算机控制装置、温度控制装置、温度传感器、两个投影式加热装置；所述计算机控制装置、温度控制装置、非接触式温度传感器依次连接，所述激光扫描系统与所述计算机控制装置相连；所述非接触式温度传感器设置在所述投影式加热装置上；
两个所述投影式加热装置在同一水平面上，相向按照预设角度设置，两个投影式加热装置形成特定加热区域；
温度控制装置根据计算机控制装置提供的当前扫描层的轮廓信息将指令信息传给投影式加热装置，投影式加热装置对指定区域进行加热，非接触式温度传感器向温度控制系统传输投影式加热装置的实时温度，并通过温度控制系统进行实时调控；在加热过程的同时，激光扫描装置接收所述计算机控制装置发送的当前扫描层的轮廓信息对当前层进行扫描使粉末熔化。
8.根据权利要求7所述的投影式加热系统，其特征在于，所述投影式加热装置为基于空间光调制器的面投影光加热装置。
9.根据权利要求7所述的投影式加热系统，其特征在于，所述投影式加热装置采用红外光、绿色及其波段光源中的一种。
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