CN114406288A - 一种粉床分级预热的控制方法及增材制造装置 - Google Patents

一种粉床分级预热的控制方法及增材制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种粉床分级预热的控制方法及增材制造装置。该方法包括：对待打印零件的三维模型进行切片，并设置扫描路径形成扫描路径数据；根据当前层的截面形状设定第0分级至第n分级的预热范围及预热能量；能量源根据当前层设定的预热范围及预热能量对粉末进行分级预热；根据扫描路径对截面进行扫描熔化，完成当前层的打印；重复铺粉、预热及扫描熔化直至完成整个零件打印。本发明以打印零件每层的截面形状为中心的分级预热方式对粉床进行预热，从而避免了粉床预热区域与周围未预热区域较大的温度分级，降低粉床卷曲、起皮或开裂的风险，且降低了截面外的粉床粉末所受热影响，提高粉末利用率，同时分级预热可以减少能量输入，提高成形效率。

Description

一种粉床分级预热的控制方法及增材制造装置
技术领域
本发明实施例涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种粉床分级预热的控制方法及增材制造装置。
背景技术
增材制造是一种由数据驱动、逐层累加材料成形实体零件的先进制造技术，与传统技术相比，该技术具有可成形复杂形状和高性能金属构件的特点，工艺简单、无需模具、可定制化、材料利用率高，已广泛应用于航空航天、动力能源、生物医疗等领域。粉末床熔融技术通过铺粉装置预先在成形平台上铺展一层粉末形成粉末床，高能束热源在计算机控制作用下对零件截面内的粉末进行选择性熔化，随后冷却成固体层，降低成形平台再铺置下一层粉末重复上述过程，形成三维实体零件。在此过程中，粉末床质量是成形过程能够稳定运行的关键步骤之一。
对电子束粉末床增材制造技术来说，在对零件截面进行选择性熔化前通常要对粉末床进行预热，使粉末颗粒之间形成烧结颈，连接在一起，防止粉末受电子束流作用而偏离原来位置，导致吹粉现象，另外良好的粉床状态对下一层铺粉质量有重要作用，不合适的预热方法及预热温度会导致粉床四周卷曲、起皮和粉床开裂等，一方面使后续铺粉过程中出现铺不上粉或铺粉不均匀现象，影响成形件质量，另一方面，卷曲起皮的粉层易在刮刀作用下刮离粉床，造成粉床不完整，则需要增加粉量填充粉床，此过程容易引起吹粉现象，严重时导致打印中止。
相关技术中，有提出一种电子束选区预热方法，通过将基板划分多个网格区域，对零件进行切片处理，选取轮廓及轮廓在内的网格作为预热区域进行电子束预热，此方法可以提高预热扫描效率，使材料重复利用率提高。还有提出一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，将粉末床划分为不同半径的多个初始同心圆，并以第一热输入进行预热扫描，随着半径的减小第一热输入逐渐减小，基于不同区域散热的不同获得均匀的温度场，减小零件的翘曲变形。
关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：
现有划分网格对零件区域预热的技术会使得零件区域和零件区域外部未预热的粉末温度梯度较大，易引起零件周围粉床卷曲起皮，影响下层铺粉质量及零件成形质量；采用不同半径的同心圆从外向内依次减小预热热输入的方法，可以一定程度上提高粉床的温度均匀性，但每层截面熔化时热输入较大，粉床温度分布会随着零件截面信息的变化而变化，其并未考虑每层零件的熔化截面信息，获得均匀温度场难度较大。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉床分级预热的控制方法及增材制造装置，进而至少在一定程度上解决粉床熔融技术中因粉床预热方法不适宜或粉床预热区域与周围未预热粉末由于温度梯度大而引起的粉床卷曲、起皮和开裂现象等，分级由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题，同时分级预热可以减少能量输入，提高成形效率。
本发明首先提供一种粉床分级预热的控制方法，包括：
获取待打印零件的三维模型，对所述三维模型沿高度方向进行切片，获得每层的截面及截面形状，并设置扫描路径形成扫描路径数据，将其导入打印设备；
根据当前层的所述截面形状设定第0分级至第n分级的预热范围，并为每个分级分配预热能量；
在成形基板上铺设粉末，至少一个能量源根据所述当前层设定的预热范围及预热能量由内向外对粉末进行分级预热；
根据所述扫描路径对截面进行扫描熔化，完成当前层的打印；
根据下一层的截面形状设定用于所述下一层的第0分级至第n分级的预热范围及预热能量，并重复铺粉、预热及扫描熔化直至完成整个零件打印；
其中，所述第0分级的预热范围为截面形状、或所述截面形状及从所述截面形状的外边缘向外延伸出预定距离的环带状区，所述第n分级的预热范围为从第n-1分级的预热范围的外边缘向外延伸出第n+1预定距离的环带状区，n为分级总数大于等于2的正整数；
所述第0分级的预热能量E 0 为最高，所述第n分级的预热能量随分级的增加而减少。
本发明中，所述第n分级向外延伸的第n+1预定距离要大于或等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离，所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离为0.1~30mm。
本发明中，若所述第n分级向外延伸的第n+1预定距离等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离时，通过下列公式确定所述当前层中以截面j为中心向外延伸的分级总数：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，n为所述当前层中所述截面j向外延伸的分级总数，d为向外延伸的预定距离，f(∆L mixj )为所述截面j的截面形状外边缘至预热区域边缘的最短距离向上取整函数，j为大于等于1的正整数。
本发明中，若所述第n分级向外延伸的第n+1预定距离非等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离时，向外延伸的预热范围最先扩散至所述预热区域边缘且其预定距离大于所述前一分级预定距离时，确定为所述截面的分级总数n。
本发明中，待打印零件为多个时，获得每个零件的截面形状，根据不同零件每层的截面形状的设定的预热范围存在重叠时，在重叠的分级的预热范围中，将最内层的分级进行并集处理。
本发明中，各分级的预热能量分为三个区域，90~99%E 0 的I级能量区域，20~89%E 0 的II级能量区域，10~19%E 0 的III级能量区域，不同级能量区域存在至少一个预热分级。
本发明中，当n等于3时，每个能量区域内各有一个预热分级；当n大于3时，不同级能量区域内的分级数按照以下原则获得：NI+NIII≤NII且NI≥NIII，其中，NI为I级能量区的分级数量，NII为II级能量区的分级数量，NIII为III级能量区的分级数量。
本发明中，根据所述I、II、III级能量区域内分配到的分级预热的数量，通过下列公式确定各分级预热的预热能量：
Figure 422238DEST_PATH_IMAGE002
其中，E n为第n分级的预热能量；E n-1为第n-1分级的预热能量；k为不同能量区域， 取值为I、II、III，N k 为k区域内的分级总数；∆E k 为k区域内预热能量的最大值与最小值之间 的差值；E 0 为所述截面形状的预热能量；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为预热能量向下取整函数。
本发明中，根据所述I、II、III级能量区域内分配的预热分级数，预热能量可以呈非线性变化，设定所述能量区域内不同分级预热能量的下降速率，其中Ⅱ级能量区域的下降速率最大。本发明其次提供一种增材制造装置，包括：
成形基板，在所述成形基板上铺设粉末；
能量源，所述增材制造装置利用所述能量源采用上述任一项的粉床分级预热的控制方法对铺设的粉末进行预热；并完成待打印零件的增材制造。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明中，通过上述方法及装置，根据采用以打印零件每层的截面形状为中心的分级预热方式对粉床进行预热，一方面避免了预热粉床与周围未预热区域较大的温度梯度，降低粉床周围卷曲、起皮或开裂的风险，一方面零件截面周围的粉末烧结程度较小，粉末清理及后处理难度降低，提高粉末利用率；另外，采用分级预热的方式可以一定的减少能量输入，提高成形效率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明示例性实施例中各分级预热的预热范围的示意图；
图2示出本发明示例性实施例中第0分级预热范围的示意图；
图3示出本发明示例性实施例中第0分级预热范围的示意图；
图4示出本发明示例性实施例中预热能量和预热范围的关系示意图；
图5示出本发明示例性实施例中一种预热范围的示意图；
图6示出本发明示例性实施例中另一种预热范围的示意图；
图7示出本发明示例性实施例中粉床分级预热的控制方法流程示意图；
图8示出本发明示例性实施例中增材制造装置结构示意图。
附图标记：成形基板100、预热区域200、预热范围300、第0分级的预热范围310、截面形状400、零件410、支撑420、内空部分430、能量源500。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
本示例实施方式中首先提供了一种粉床分级预热的控制方法，参考图1至图7所示，该控制方法包括以下步骤：
步骤S101：获取待打印零件的三维模型，对三维模型沿高度方向进行切片，获得每层的截面及截面形状400，并设置扫描路径形成扫描路径数据，将其导入打印设备；
步骤S102：根据当前层的截面形状400设定第0分级至第n分级的预热范围300，并为每个分级分配预热能量；
步骤S103：在成形基板100上铺设粉末，至少一个能量源根据当前层设定的预热范围300及预热能量由内向外对粉末层进行分级预热；
步骤S104：根据扫描路径对截面进行扫描熔化，完成当前层的打印；
步骤S105：根据下一层的截面形状400设定用于下一层的第0分级至第n分级的预热范围300，并重复铺粉、预热及扫描熔化直至完成整个零件打印。
其中，第0分级的预热范围为截面形状、或截面形状及从截面形状的外边缘向外延伸出预定距离的环带状区，第n分级的预热范围为从第n-1分级的预热范围的外边缘向外延伸出第n+1预定距离的环带状区，n为分级总数大于等于2的正整数；第0分级的预热能量E 0 为最高，第n分级的预热能量随分级的增加而减少。
需要理解的是，参考图1所示，在对三维零件模型进行切层处理后，获得每层包括截面形状的截面信息，可以通过计算机来根据每层不同截面区域设置最高预热能量区域（第0分级S0），输入的预热能量为E0，确定好第0分级S0后，根据零件截面形状来设置延伸的预定距离dn来确定第一、第二、第三分级…第n分级预热区域，分别表示为S1、S2、S3…Sn，且不同预热区域的预热能量有所差异，但遵循从S0至Sn递减的规律，分别表示为E 0 、E 1 、E 2 、E 3 …E n 。不同材料的预热能量有所差异，但应确保预热完后粉床稳定且成形过程中不发生吹粉现象。
另外，第n分级预热范围为从第n-1分级的预热范围的外边缘向外延伸出第n+1预定距离dn的环带状，也就是说，第n分级的预热范围的外边缘上的每个位置到第n-1分级的预热范围的外边缘的最短距离都是一样的。即第n分级与第n-1分级的最短间隔为恒定的。
需要理解的是，分级区域的确定以第0分级区域S0为中心，向外扩展相等或渐大的预定距离dn形成第一、第二…第n分级预热区域，在扩展的预定距离不相等时，dn随着分级数的增加而增大，具体的，如d1到d3可以是1、3、5mm，如d1到d4也可以是1、5、8、9mm，具体不做限定。每层中多个截面形状向外延伸的距离的预定距离可以相等也可以不相等，具体不做限定。每个分级的预定距离dn为0.1~30mm，具体预定距离dn根据材料特性确定。其中，材料特性包括导热系数、热膨胀系数、熔点温度，但不局限于此。
还需要理解的是，根据分级预定距离与S0外边缘至基板预热区域边缘的距离进行分级数的确定，当以第0分级的预热区域S0为中心，向外延伸相等的预定距离时，通过下列公式确定当前层中以截面j为中心向外延伸的分级总数：
Figure 542640DEST_PATH_IMAGE001
其中，n为当前层中截面j向外延伸的分级总数，d为向外延伸的预定距离，f(∆ L mixj )为截面j的截面形状400外边缘至预热区域边缘的最短距离向上取整函数，j为大于等于1的正整数。
若第n分级向外延伸的第n+1预定距离非等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离时，向外延伸的预热范围最先扩散至预热区域边缘且其预定距离大于所述前一分级预定距离时，确定为截面的分级总数n。
需要理解的是，采用非等预定距离时进行分级数的确定时，将非等预定距离之和与∆L mixj 进行比较，最先到达预热区域边缘且其预定距离大于上一分级的预定距离的分级数为截面的分级总数。如分级总数n可以通过下列公式获得：
Figure 587957DEST_PATH_IMAGE004
其中，η为比例系数，η=0.90~1.10，f(∆L mixj )为截面j的截面形状400外边缘至预热区域边缘的最短距离向上取整函数，d1，d2，…dn为向外延伸的预定距离。需要理解的是，η是可以设定的，从而可以得出分级总数n的确定值。
另外，若一层中包含多个零件的成形，计算机可以同时识别多个截面形状，根据摆放位置计算不同零件二维截面距离基板预热区域最边缘的最短间距∆L mixj ，预热时根据多个截面形状的最短间距∆L mixj 确定各自的预热分级数和预热能量，当存在预热范围有交叉、相遇或重叠现象时，根据不同的截面之间的最短间距∆L mix[j,j’] ，对不同的截面的预热范围的交叠部分求并集，将并集后的分级预热范围为一整体，并由此向外延伸下一分级的预热范围，最先延伸至预热区域的边界的分级数设置为第n层的预热分级，j和j’分别表示不同的截面，例如截面1和截面2，或截面1和截面3。
还需要理解的是，成形基板材质为不锈钢、钼底板等其他材料，形状为方形、圆形等其他与设备属性匹配或满足成形构件尺寸要求的形状，方形尺寸为120×120mm、150×150mm或170×170mm等，圆形尺寸为Φ120mm，Φ150mm或Φ170mm等。另外，铺粉厚度与切片厚度一致，切片层厚可以为0.03~0.1mm。根据待打印零件的需要，粉末可以是Ti2AlNb合金粉末、镍基高温合金粉末、TiAl合金粉末或元素混合粉末但不限于此。
还需要理解的是，参考图2和图3所示，每层截面可以为一个或多个截面形状400，第0分级预热范围310（S0）根据截面形状400确定，截面形状400由待打印的零件截面确定，零件截面可以仅为实体部分，或者零件截面可以为实体和多孔部分结合组成，零件截面也存在多种情况，如在零件410的内/外部存在支撑420组成的零件截面，或零件410存在内空部分430组成的零件截面等，第0分级预热范围为零件截面最外围向内的整个面积，或者零件截面最外围向内的整个面积及零件截面最外围向外等距离的延伸一定距离。不同材料的预热能量有所差异，但应确保预热完后粉床稳定且成形过程中不发生吹粉现象。
还需要理解的是，在二维数据导入打印设备后，将所有的计算公式和计算方法导入计算机程序中，通过每层的截面信息、成形基板尺寸、设定的预定分级距离获得不同截面对应的分级数和预热范围，根据截面数量及不同截面之间的交互情况确定最终的分级数和预热范围，采用至少一个能量源对粉床进行预热后开始二维截面信息的熔化，重复铺粉、预热、熔化过程，通过逐层累加获得三维实体零件。
采用设定的预热能量对不同预热范围进行预热，以S0区域从内向外开始预热，可以依次进行S0至Sn的预热，也可以间隔一定的分级数进行预热，间隔的分级数应小于等于3。每当完成一次S0至Sn的所有预热，再返回至S0重复上述所选操作继续预热，达到所需的能量时停止预热，预热次数或预热时间根据不同材料所需的预热能量确定。
三维零件构建过程中可以使用一个能量源或多个能量源，可以采用单个能量源进行粉末的预热和熔化，也可以采用多个能量源同时进行粉末的预热和熔化，还可以用第一能量源预热粉末床，第二能量源熔化粉末材料。
通过上述方法，根据采用以打印零件每层的截面形状为中心的分级预热方式对粉床进行预热，一方面避免了预热粉床与周围未预热区域较大的温度梯度，降低粉床卷曲、起皮或开裂的风险；一方面零件截面周围的粉末烧结程度较小，粉末清理及后处理难度降低，提高粉末利用率；另外，采用分级预热的方式可以一定的减少能量输入，提高成形效率。
下面，将参考图1至图7对本示例实施方式中的上述方法进行更详细的说明。
在一些实施例中，参考图1所示，待打印零件为多个时，获得每个零件的截面形状，根据不同零件每层的截面形状的设定的预热范围存在重叠时，在重叠的分级的预热范围中，将最内层的分级进行并集处理。需要理解的是，切层后一层中可以含有多个零件的多个截面信息，以不同零件截面的截面形状为中心确定第0分级到第n分级的预热范围，以及S0到Sn和预热能量E 0 到E n ，利用等间距和非等间距的要求确定不同截面的分级数，根据分级数进行不同能量范围内预热能量的确定。若同一层中不同截面的预热分级范围存在交叉、相遇或重叠现象时，将最内层的相交叉、相遇或重叠的分级预热范围求并集，并将并集后的分级预热范围为一整体，并由此延伸下一分级的预热范围，以确保所有区域经受的预热次数相同，防止重叠区域重复预热，导致热量增加，使粉床起皮、开裂。需要理解的是，不同截面并集时应确保处于相同的分级数。另外，一层中不同截面的等预定间距和/或非等间距可以相同，也可以不相同，具体不做限定。如截面1为等间距1mm，截面2为等间距2mm。
在一些实施例中，参考图3和图4所示，各个分级的预热能量分为三个区域，90~99%E 0 的I级能量区域，20~89%E 0 的II级能量区域，10~19%E 0 的III级能量区域，每级能量区域存在至少一个预热分级。需要理解的是，第0分级预热能量E 0 最高，使得能够采用任意值的熔化参数将粉末熔合在一起，且预热完后的粉末温度小于材料的熔点值。图4中Y轴数值代表各分级预热能量与第0分级预热能量E 0 的百分比值，也就是，Y轴数值乘以E 0 %就为具体的预热能量，X轴的预热距离为各分级的边界到基板边缘区域的最短距离。随着各分级预热范围的扩大，预热能量与预热区域的关系如图4所示，随预热分级数的增加，预热能量呈现出缓慢（Ⅰ）、快速（Ⅱ）和平缓（Ⅲ）的递减趋势，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级区域的能量范围分别为90~99%E 0 、20~89%E 0 、10~19%E 0 ，Ⅰ级区域能量范围为不同截面经历加热后的应力释放区，可减小成形区域冷却后的应力，避免零件出现变形开裂等风险，同时可以进一步保证零件内部良好的冶金质量，Ⅱ级区域能量范围为温度快速下降区，使较高的温度逐步快速下降至预设的范围内，一方面在不影响零件成形质量的前提下快速的减少能量输入，节省能量，提高效率，另外可以使未熔化区域的粉末尽可能少的经受高温，保护粉末质量，提高粉末使用次数，Ⅲ级区域能量范围确保了预热区域与周围未受热粉床的平稳衔接，降低预热区域与未预热粉床的温度差，减小了此处起皮、翘曲的风险。在分级预热时，应至少确保Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区内各存在一个预热能量。其中预热能量E 0 的计算公式为：E 0 =αUIt，U为加速电压，I为扫描电流mA，t为预热时间s，α为能量利用率。
可选的，在一些实施例中，当n等于3时，每个能量区域内各有一个预热分级；当n大于3时，不同级能量区域内的分级数按照以下原则获得：NI+NIII≤NII且NI≥NIII，其中，NI为I级能量区的分级数量，NII为II级能量区的分级数量，NIII为III级能量区的分级数量。
具体地，在一些实施例中，参考图4所示，根据I、II、III级能量区域内分配到的预热分级的数量，通过下列公式确定各分级预热的预热能量：
Figure 186428DEST_PATH_IMAGE002
其中，E n 为第n分级的预热能量；E n-1 为第n-1分级的预热能量；k为不同能量区域， 取值为I、II、III，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为k区域内的分级总数；∆E k 为k区域内预热能量的最大值与最小值之 间的差值；E 0 为S0的预热能量；
Figure 266380DEST_PATH_IMAGE006
为预热能量向下取整函数。
需要理解的是，此计算式为预热能量在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级能量区域随分级数线性变化的 一种实施例，
Figure 541372DEST_PATH_IMAGE006
相对于将第n分级所在的预热区域，根据该能量区域所存在的 分级数将该能量区域进行平均划分，也就是对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级能量区域的范围上限和下限之间 的差值进行平均分配并向下取整数。
另外的，根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级能量区域内存在的分级数，预热能量也可以呈非线性变化，也就是说，预热能量的变化速率随分级的变化而变化，根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级能量区域具体的分级数，设定不同分级预热能量的下降速率，其中Ⅱ级能量区域的下降速率最大。如，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级能量区域各有分级数3个，5个，2个，则Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级能量区域的预热能量可依次递减1%E 0 、3%E 0 、4%E 0 ，6%E 0 、8%E 0 、11%E 0 、15%E 0 、17%E 0 ，2%E 0 、4%E 0 。也可以按照2%E 0 、3%E 0 、4%E 0 ，6%E 0 、7%E 0 、12%E 0 、14%E 0 、18%E 0 ，1%E 0 、5%E 0 的原则进行递减。
在一些实施例中，在成形零件的任一层中进行分级预热时，从第0区域S0开始预热，完成S0的预热后可以依次预热S1、S2、S3…Sn区域，也可以间隔一定的分级数进行预热，其中间隔的分级数应小于等于3。如预热顺序可以按照S0、S2、S4…Sn、S1、S3、S5…Sn-1的顺序进行分级预热，也可以按照S0、S1、S3…Sn-1、S2、S4、S6…Sn的顺序进行分级预热。除了间隔的分级数小于等于3之外，对预热的顺序不做具体限定。
在一些实施例中，参考图1所示，设置有预热区域200，预热区域200的边界与成形基板100的边设有预设的间隔距离，预热范围设定在预热区域内。需要理解的是，预热区域200的边要小于成形基板100的边。预热区域200的边界与成形基板100的边的间隔距离可以为10mm，也就是预热区域200的边比成形基板100的边要小10mm。例如，成形基板100的尺寸为120×120mm，则预热区域200的尺寸为110×110mm，成形基板100的尺寸为Φ150mm，则预热区域200的尺寸为Φ140mm。
本示例实施方式中其次提供一种增材制造装置，参考图8所示，该增材制造装置包括：成形基板100，在成形基板100上铺设粉末；能量源500，增材制造装置利用能量源500采用上述任一项实施例中的粉床分级预热的控制方法对铺设的粉末进行预热；并完成待打印零件的增材制造。需要理解的是，增材制造装置还可以包括：铺粉机构、升降机构、控制单元和控制系统等。其中，铺粉机构、升降机构和能量源分别与控制单元连接（如计算机）。铺粉机构位于成形基板100的上方，并在控制单元的控制下在成形基板100上进行铺粉。能量源500位于铺粉机构的上方，通过控制系统采用以打印零件每层的截面形状为中心来设置预热范围，并控制能量源500对成形基板100上的粉末进行扫描预热以及熔化。升降机构位于成形基板100下方，在控制单元的控制下对成形基板100进行升降操作，两者之间可以是固定连接。能量源500可以是激光、电子束、等离子束等，但也不限于此。能量源数量可以是一个，也可以是多个，具体不作限定。
示例的，参考图1至图7所示，以更加具体的实施例来实施上述粉床分级预热的控制方法。
实施例1：
本实施例包括以下步骤：
步骤一：成形基板100选择尺寸为150×150mm的316L不锈钢基板，导入三维模型，模型尺寸为80×80×30mm，切层厚度为0.05mm，设置扫描路径，表层缩进为0.04mm，逐层旋转角度为90°，获得每层截面信息，并将其截面数据导入电子束选区熔化成形设备中，同时将粉末加入至设备的粉料仓中，粉末为Ti2AlNb合金粉末，进行相关加工工艺参数的设置。
步骤二：设置预热区域200为140×140mm，通过计算机程序对每一层的截面信息进 行识别，根据导入的计算公式及方法确定每层中第0分级预热范围S0，第3层中第0分级预热 范围S0为81×81mm，如图5所示，根据计算∆L mix1=59mm，f(∆L mix1)=59mm，采用等距离预定距 离d=5mm，根据
Figure DEST_PATH_IMAGE007
公式计算出
Figure 277247DEST_PATH_IMAGE008
，n=f(11.8)=12，确定通过12个 分级数降低预热能量。
进一步的根据NI+NIII≤NII且NI≥NIII的原则，确定I、II、III区域内的分级数分别 为3个，7个和2个。当确定了不同能量区域的分级数，根据分级预热能量的计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE009
确定E1=97%E 0 ，E2=94%E 0 ，E3=91%E 0 ，E4=81%E 0 ，E5=71%E 0 ，E6=61%E 0 ，E7=51%E 0 ，E8=41%E 0 ，E9=31%E 0 ，E10=21%E 0 ，E11=16%E 0 ，E12=11%E 0 。
另外的，采用非等分级间距，设置不同的d1、d2…dn的预定间距，求其和与
Figure 741726DEST_PATH_IMAGE010
=59mm的比值，使其比例等于1，即确定n为相应的分级数，d1、d2…dn的预定间距逐渐增大， 可设置间距d1=2mm、d2=4mm、d3=6mm、d4=7mm、d5=9mm、d6=13mm、d7=17mm，根据公式计算出
Figure 613867DEST_PATH_IMAGE011
，因此确定通过7个分级预热降低预热能量。
进一步的根据NI+NIII≤NII且NI≥NIII的原则，确定I、II、III区域内的分级数分别 为2个，4个和1个。当确定了不同能量区域的分级数，根据分级预热能量的计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE012
确定预热能量E1=95%E 0 ，E2=90%E 0 ，E3=73%E 0 ，E4=56%E 0 ，E5=39%E 0 ，E6=22%E 0 ，E7=12%E 0 。
步骤三：刮刀在成形基板100上铺覆一层薄粉末，铺粉厚度与切片厚度一致，根据每层中截面确定的预热范围和预热能量进行粉床分级预热，采用从S0至Sn设置的扫描方式进行粉床的预热，预热完后进行零件截面的扫描熔化。
步骤四：重复步骤二中对铺设粉末的分级预热和步骤三中的扫描熔化工艺直至各层截面叠加完成，最终成形质量优异的零件。
实施例2：
本实施例包括以下步骤：
步骤一：成形基100选择尺寸为Φ160mm的钼基板，导入三维模型，模型其中一层的截面信息如图5所示，切层厚度为0.07mm，设置扫描路径，表层缩进为0.02mm，逐层旋转角度为90°，获得每层截面信息，并将其截面数据导入电子束选区熔化成形设备中，同时将粉末加入至设备的粉料仓中，粉末为钼合金粉末，进行相关加工工艺参数的设置。
步骤二：设置预热区域200为Φ150mm，计算机软件首先对导入的全部截面信息进 行识别，对于截面为不规则形状的零件，可以获取典型的尺寸信息，尺寸信息不少于3个，根 据截面信息和导入的计算公式及计算方法确定第0分级预热范围S10和S20，以第0分级预热 范围S10和S20为中心到预热区域边缘的最短距离∆L mix1和∆L mix2计算预热分级，如图6所 示，截面1距预热区域边缘的最短距离f(∆L mix1)=26mm，截面2距预热区域边缘的最短距离f (∆L mix2)=28mm，采用等距离预定距离d=3mm，根据公式
Figure 872810DEST_PATH_IMAGE013
计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，n=f(8.7)=9，截面1的分级数为9，同理截面2的分级数为10，因此截面1和截 面2分别通过9个和10个预热分级降低预热能量。而截面1和截面2之间的最短距离∆L mix[1,2] 为10mm，根据计算，在第4分级预热区域存在交叉重叠，将第4分级区域的预热范围取并集获 得S4，将S4间隔3mm向外扩展，得到S5，以此类推，直到预热区域与基板预热区域边缘相交， 获得分级数n=9。
进一步的根据NI+NIII≤NII且NI≥NIII的原则，确定I、II、III区域内的分级数分别为2个，5个和2个。当确定了不同能量区域的分级数，根据分级预热能量的计算公式
Figure 95981DEST_PATH_IMAGE002
确定预热能量E1=95%E 0 ，E2=90%E 0 ，E3=76%E 0 ，E4=62E 0 ，E5=48%E 0 ，E6=34%E 0 ，E7=20%E 0 ，E8=15%E 0 ，E9=10%E 0 。
另外的，采用非等分级间距，设置不同的d1、d2…dn的预定间距，截面1可设置间距d1=1mm、d2=2mm、d3=3mm、d4=5mm、d5=6mm、d6=9mm，d7=11mm，根据f(∆L mix1)=26mm与预定距离之和的距离可知，在n=6时预热范围到达预热区域边缘，因此可以确定通过6个预热分级降低预热能量。截面2可设置间距d1=1mm、d2=2mm、d3=3mm、d4=4mm、d5=7mm、d6=9mm，d7=10mm，同样的可以确定通过6个预热分级降低预热能量。截面1和截面2之间的间距∆L mix[1,2]=10mm，计算知在第3分级时预热范围有重叠，将第3分级区域的预热范围取并集获得S3，后续分级范围的预定间距与截面1设置的距离相同，以此向外扩展直到预热区域与基板预热区域边缘相交，获得分级数n=6。
进一步的根据NI+NIII≤NII且NI≥NIII的原则，确定I、II、III区域内的分级数分别为2个，3个和1个。当确定了不同能量区域的分级数，根据分级预热能量的计算公式
Figure 285523DEST_PATH_IMAGE015
确定预热能量E1=95%E 0 ，E2=90%E 0 ，E3=67%E 0 ，E4=44%E 0 ，E5=21%E 0 ，E6=11%E 0 。
步骤三：刮刀在成形基板100上铺覆一层薄粉末，铺粉厚度与切片厚度一致，根据确定的预热范围和预热能量进行粉床分级预热，预热完后进行零件截面的扫描熔化。
步骤四：重复步骤二中对铺设粉末的分级预热和步骤三中的扫描熔化工艺直至各层截面叠加完成，最终成形质量优异的零件。
需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种粉床分级预热的控制方法，其特征在于，包括：
获取待打印零件的三维模型，对所述三维模型沿高度方向进行切片，获得每层的截面及截面形状，并设置扫描路径形成扫描路径数据，将其导入打印设备；
根据当前层的所述截面形状设定第0分级至第n分级的预热范围，并为每个分级分配预热能量；
在成形基板上铺设粉末，至少一个能量源根据所述当前层设定的预热范围及预热能量由内向外对粉末进行分级预热；
根据所述扫描路径对截面进行扫描熔化，完成当前层的打印；
根据下一层的截面形状设定用于所述下一层的第0分级至第n分级的预热范围及预热能量，并重复铺粉、预热及扫描熔化直至完成整个零件打印；
其中，所述第0分级的预热范围为截面形状、或所述截面形状及从所述截面形状的外边缘向外延伸出预定距离的环带状区，所述第n分级的预热范围为从第n-1分级的预热范围的外边缘向外延伸出第n+1预定距离的环带状区，n为分级总数大于等于2的正整数；
所述第0分级的预热能量E 0 为最高，所述第n分级的预热能量随分级的增加而减少。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第n分级向外延伸的第n+1预定距离要大于或等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离，所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离为0.1~30mm。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，若所述第n分级向外延伸的第n+1预定距离等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离时，通过下列公式确定所述当前层中以截面j为中心向外延伸的分级总数：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，n为所述当前层中所述截面j向外延伸的分级总数，d为所述截面向外延伸的预定距离，f(∆L mixj )为所述截面j的截面形状外边缘至预热区域边缘的最短距离向上取整函数，j为大于等于1的正整数。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，若所述第n分级向外延伸的第n+1预定距离非等于所述第n-1分级向外延伸的第n预定距离时，向外延伸的预热范围最先扩散至所述预热区域边缘且其预定距离大于所述前一分级预定距离时，确定为所述截面的分级总数n。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，待打印零件为多个时，获得每个零件的截面形状，根据不同零件每层的截面形状的设定的预热范围存在重叠时，在重叠的分级的预热范围中，将最内层的分级进行并集处理。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，各分级预热能量分为三个区域，90~99%E 0 的I级能量区域，20~89%E 0 的II级能量区域，10~19%E 0 的III级能量区域，不同级能量区域存在至少一个预热分级。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当n等于3时，不同级的能量区域内各有一个预热分级；当n大于3时，不同级的能量区域内的分级数按照以下原则获得：NI+NIII≤NII且NI≥NIII，其中，NI为I级能量区的分级数量，NII为II级能量区的分级数量，NIII为III级能量区的分级数量。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，根据所述I、II、III级能量区域内分配到的分级预热的数量，通过下列公式确定各分级预热的预热能量：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，E n 为第n分级的预热能量；E n-1 为第n-1分级的预热能量；k为不同能量区域，取值为I、II、III，N k 为k区域内的分级总数；∆E k 为k区域内预热能量的最大值与最小值之间的差值；E 0 为所述截面形状的预热能量；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为预热能量向下取整函数。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，根据所述I、II、III级能量区域内分配的预热分级数，预热能量能够呈非线性变化，设定所述能量区域内不同分级预热能量的下降速率，其中Ⅱ级能量区域的下降速率最大。
10.一种增材制造装置，其特征在于，包括：
成形基板，在所述成形基板上铺设粉末；
能量源，所述增材制造装置利用所述能量源采用权利要求1-9任一项所述的粉床分级预热的控制方法对铺设的粉末进行预热；并完成待打印零件的增材制造。
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