CN114505501A - 一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理装置及其方法，解决了现有激光选区熔化工艺成形敏感合金过程中零件残余应力大、易变形和易开裂的问题，通过实时热处理方法减少了后续工艺流程，并显著高薄壁零件、复杂零件的制造成功率。该装置在成形缸四周的壁上设置有加热部件，加热部件根据基板移动的时间加热功能，确保对已成形零件进行实时热处理，并在设定好的时间内关闭加热。该装置从分区控制温度和加热时间的角度出发，实现了激光选区成形过程中对成形零件的实时热处理，有效降低了成形零件的残余应力，减少了后续的工艺流程，并显著提高使用敏感合金成形复杂零件、薄壁零件的制造成功率。

Description

一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统及方法

技术领域：

本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理装置及其方法，

背景技术

增材制造是一种基于“离散-叠加”原理的新型制造技术，成形过程中材料逐层累加，可以将CAD数字模型快速且精密的制造成为实体部件。与传统制造技术相比，增材制造技术具有可大幅缩短生产时间，降低制造成本，无需模具等一系列优点。

激光选区熔化是最具代表性的一种增材制造技术，成形时激光束按照设定好的扫描路线，使每一层金属粉末选择性的熔化-凝固，直至整个金属零件最终完全成形。为了降低由于超高凝固速率导致的成形零件高应力，通常需要对零件进行去应力热处理，防止零件变形、开裂。

当采用激光选区熔化工艺成形敏感合金材料时，由于超高凝固速率产生的残余应力，通常会使得零件未打印完成就已经变形或者开裂，导致成形失败。因此，需要在打印过程中实时对成形零件进行热处理，降低零件的残余应力。尤其对于复杂零件或薄壁零件来说，越早的对其开展热处理越能提高制造成功率。

发明内容

本发明公开了一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统及方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统，所述实时热处理系统包括：控制子系统和实时热处理子系统，

其中，所述实时热处理子系统，用于对实时成形的零件进行热处理；

所述控制子系统，用于实时热处理子系统的开启与关闭，并根据基板的移动距离和时间控制热处理温度和热处理时间；

所述控制子系统与所述实时热处理子系统控制连接。

进一步，所述实时热处理子系统包括：成型缸和加热单元；

其中，所述成型缸的内部从上到下依次等分为若干热处理区，且每个热处理区上均设有加热单元。

进一步，所述热处理区高度为1-3mm。

进一步，所述加热单元的加热方式为电阻加热。

进一步，所述控制子系统包括：轨迹模块和加热控制模块；

其中，所述轨迹模块与所述加热控制模块连接，所述加热控制模块与若干所述加热单元控制连接。

本发明的另一目的是提供一种采用上述的激光选区熔化成形过程的实时热处理系统的加工零件的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)首先将待生产零件的三维图形输入系统控制子系统，再将金属粉末加入到成型缸内，并在金属粉末的顶层设置基板；

S2)启动设备开始成形零件的预成形，所述轨迹模块根据成形零件每一层的截面大小计算出每一层的成形时间，并将得到成形时间发送给加热控制模块；

S3)加热控制模块根据S2得到的成形时间计算出每层的热处理时间，并将发送给加热单元，进行实时热处理。

进一步，所述S2)中的成行时间根据以下公式求出，公式如下所示：

式中，s_n为成形零件第n层截面面积，S为成形平台面积，T为激光满幅面扫描成形平台时所用的时间。

进一步，所述S3)中的热处理时间根据以下公式求出，公式如下所示：

式中，

为零件成形100层所用的时间，100t_铺粉为刮刀装置铺粉100次所用的时间，若实际成形层数未达到100层，则按照实际层数进行计算。

一种成形零件，所述成形零件采用上述的方法制备得到。

本发明的有益效果是：由于采用了上述技术方案，本发明的系统解决了现有激光选区熔化工艺成形敏感合金过程中零件残余应力大、易变形和易开裂的问题，通过实时热处理方法减少了后续工艺流程，并显著高薄壁零件、复杂零件的制造成功率。该装置在成形缸四周的壁上设置有加热部件，加热部件根据基板移动的时间加热功能，确保对已成形零件进行实时热处理，并在设定好的时间内关闭加热。该装置从分区控制温度和加热时间的角度出发，实现了激光选区成形过程中对成形零件的实时热处理，有效降低了成形零件的残余应力，减少了后续的工艺流程，并显著提高使用敏感合金成形复杂零件、薄壁零件的制造成功率。

附图说明

图1为本发明一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统的结构示意图。

图2为本发明一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理的方法逻辑框图。

图中：

1.控制子系统、101.轨迹模块、102.加热控制模块、2.实时热处理子系统、

3.成型缸、4.基板、5.金属粉末、6.成形零件、7.加热单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统，所述实时热处理系统包括：控制子系统和实时热处理子系统，

其中，所述实时热处理子系统，用于对实时成形的零件进行热处理；

所述控制子系统，用于实时热处理子系统的开启与关闭，并根据基板的移动距离和时间控制热处理温度和热处理时间；

所述控制子系统与所述实时热处理子系统控制连接。

所述实时热处理子系统包括：成型缸和加热单元；

其中，所述成型缸的内部从上到下依次等分为若干热处理区，且每个热处理区上均设有加热单元。

所述热处理区高度为1-3mm。

所述加热单元的加热方式为电阻加热。

所述控制子系统包括：轨迹模块和加热控制模块；

其中，所述轨迹模块与所述加热控制模块连接，所述加热控制模块与若干所述加热单元控制连接。

本发明的另一目的是提供一种采用上述的激光选区熔化成形过程的实时热处理系统的加工零件的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)首先将待生产零件的三维图形输入系统控制子系统，再将金属粉末加入到成型缸内，并在金属粉末的顶层设置基板；

S2)启动设备开始成形零件的预成形，所述轨迹模块根据成形零件每一层的截面大小计算出每一层的成形时间，并将得到成形时间发送给加热控制模块；

S3)加热控制模块根据S2得到的成形时间计算出每层的热处理时间，并将发送给加热单元，进行实时热处理。

所述S2)中的成行时间根据以下公式求出，公式如下所示：

式中，s_n为成形零件第n层截面面积，S为成形平台面积，T为激光满幅面扫描成形平台时所用的时间。

所述S3)中的热处理时间根据以下公式求出，公式如下所示：

式中，

为零件成形100层所用的时间，100t_铺粉为刮刀装置铺粉100次所用的时间，n为成形零件的层数，n取值为1-100，若实际成形层数未达到100层，则按照实际层数进行计算。

一种成形零件，所述成形零件采用上述的方法制备得到。

实施例：

一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理装置，所述实时热处理装置包括：控制子系统1和实时热处理子系统2；

其中，实时热处理子系统2位于成形缸3四周的壁上，激光选区熔化成形过程中沿基板4运动的方向，实时热处理子系统2将金属粉末5与成形零件6包围，实时热处理子系统2的输出热量受控于控制子系统1；

所述控制子系统1包括轨迹模块101、加热控制模块102；

实时热处理子系统2通过固定连接的方式分布在成形缸3四周的外侧，实时热处理子系统2输出的热量通过成形缸3的壁传导给金属粉末5和成形零件6。

实时热处理子系统2在加热高度方向上分为N节，并依次编号为1-NN＝150，每一小节加热部件对3mm高度内的金属粉末5和成形零件6加热。

其中，通过轨迹模块101计算每一层的成形时间和每个3mm高度下的成形时间；通过加热控制模块102控制实时热处理子系统2沿着基板4运动的方向依次加热金属粉末5和成形零件6；加热控制模块102的输入由成形材料的工艺参数决定；工艺参数主要是热处理温度和热处理时间。

轨迹模块101依据零件每一层的截面大小计算每一层的成形时间，计算公式为：

式中，s_n为成形零件第n层截面面积，S为成形平台面积，T为激光满幅面扫描成形平台时所用的时间。

轨迹模块101计算零件在每个3mm高度下的成形时间，通过加热控制模块102控制不同高度处实时热处理子系统2的加热时间t_加热，计算公式为：

式中，

为零件成形100层所用的时间，100t_铺粉为刮刀装置铺粉100次所用的时间，若实际成形层数未达到100层，则按照实际层数进行计算。

实时热处理子系统2选用电阻加热。

当零件打印完成后，实时热处理子系统2根据热处理时间t1、t2、t3、……tn和热处理工艺参数时间T的差值再开启相同时间的加热功能，直至零件各部分全部完成热处理。

以上对本申请实施例所提供的一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于激光选区熔化成形过程的实时热处理系统，其特征在于，所述实时热处理系统包括：控制子系统和实时热处理子系统，

其中，所述实时热处理子系统，用于对实时成形的零件进行热处理；

所述控制子系统，用于实时热处理子系统的开启与关闭，并根据基板的移动距离和时间控制热处理温度和热处理时间；

所述控制子系统与所述实时热处理子系统控制连接。

2.根据权利要求1所述的实时热处理系统，其特征在于，所述实时热处理子系统包括：成型缸和加热单元；

其中，所述成型缸的内部从上到下依次等分为若干热处理区，且每个热处理区上均设有加热单元。

3.根据权利要求2所述的实时热处理系统，其特征在于，所述热处理区高度为1-3mm。

4.根据权利要求2所述的实时热处理系统，其特征在于，所述加热单元的加热方式为电阻加热。

5.根据权利要求2所述的实时热处理系统，其特征在于，所述控制子系统包括：轨迹模块和加热控制模块；

其中，所述轨迹模块与所述加热控制模块连接，所述加热控制模块与若干所述加热单元控制连接。

6.一种采用如权利要求1-5任意一项所述的激光选区熔化成形过程的实时热处理系统的加工零件的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1)首先将待生产零件的三维图形输入系统控制子系统，再将金属粉末加入到成型缸内，并在金属粉末的顶层设置基板；

S2)启动设备开始成形零件的预成形，所述轨迹模块根据成形零件每一层的截面大小计算出每一层的成形时间，并将成形时间发送给加热控制模块；

S3)加热控制模块根据S2得到的成形时间计算出每层的热处理时间，并发送给加热单元，进行实时热处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S2)中的成形时间根据以下公式求出，公式如下所示：

式中，s_n为成形零件第n层截面面积，S为成形平台面积，T为激光满幅面扫描成形平台时所用的时间，n为成形零件划分的层数，n取值为正整数。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S3)中的热处理时间根据以下公式求出，公式如下所示：

式中，

为零件成形100层所用的时间，100t_铺粉为刮刀装置铺粉100次所用的时间，若实际成形层数未达到100层，则按照实际层数进行计算。

9.一种成形零件，其特征在于，所述成形零件采用如权利要求6-8任意一项所述的方法制备得到。

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