CN114669758B - 一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备及方法，包括布置在保温系统的上方的温度采集系统以及光路系统；光路系统包括提供能量源的激光器以及控制激光运动的三维动态聚焦扫描振镜，并通过保护窗口将激光照射在粉末床上从而进行粉末床熔融；温度采集系统包括红外热成像仪及其外部的水冷罩，通过水冷罩底部的保护窗口采集粉末床温度图像；红外热成像仪能够在线采集整个成形区域的热成像图，将热成像图中的温度数据以矩阵方式储存并传入计算机，计算每个像素点温度与目标温度值的偏差，把数字信号转换成电流信号，由调压模块控制改变预热灯管功率大小对粉末床温度实时调控；本发明对预热和烧结中的温度场进行在线控制，以提高PBF制件质量。

Description

一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备及方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备及方法。
背景技术
粉末床熔融(PowderBed Fusion,简称PBF)是增材制造技术(AdditiveManufacturing，简称AM)的重要分支，在PBF技术中，以激光为能量源，以粉末材料(包括金属、高分子、陶瓷以及复合粉末)为原材料，在运动机构的控制下，完成设计区域的扫描和熔融，经过层层叠加后形成三维零件。在烧结过程中伴随着复杂的温度变化，材料体系收缩不一致，易导致烧结件变形、翘曲和质量不均等现象发生，严重影响了材料的成形性能。
由于粉末床温度场分布是不均匀和不稳定的，要想有效控制粉床的温度场，就要求控制系统能够实时有效采集温度场信息，在现有的技术中，中国专利(申请号CN201510363570.1，名称：一种大尺寸激光选区烧结分区域预热方法)采用红外热成像仪采集粉末床整个面的温度分布信息，但是各分区温度仍使用红外测温传感器，其无法准确反馈各区域粉末床温度场全部信息；中国专利(申请号CN201610076423.0,名称：高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置及方法)使用热成像仪在线测量温度与变形数据，但是未考虑工艺参数对零件温度场的影响，导致温度场复杂多变，若不对工艺参数进行反馈控制，必将影响材料的成形质量。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备及方法，结合软硬件设备，对预热和烧结中的温度场进行在线控制，以提高PBF制件质量。
为了达到技术目的，本发明采取的技术方案如下：
一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备，包括布置在保温系统4的上方的温度采集系统2以及光路系统1；光路系统1包括提供能量源的激光器11以及控制激光运动的三维动态聚焦扫描振镜12，并通过保护窗口3将激光照射在粉末床434上从而进行粉末床熔融；温度采集系统2包括红外热成像仪及其外部的水冷罩，通过水冷罩底部的保护窗口3采集粉末床434温度图像。
所述的保温系统4包括预热灯罩41、预热灯管42、吹风装置45和抽风装置46，预热灯管42布置在成形缸43正上方，成形缸43的底部设有能够在Z轴方向移动的电动缸连接板431、隔热层432和粉板433，粉板433上的粉末床434中心处为成形件435；成形缸43旁边的供粉缸44上方设有铺粉辊47。
所述的红外热成像仪能够在线采集整个成形区域的热成像图，将热成像图中的温度数据以矩阵方式储存并传入计算机5，温度矩阵中第i行第j列温度数据对应热成像图中像素点坐标(i,j)处的温度值，利用程序计算每个像素点温度与目标温度值的偏差，再通过DA转换模块把数字信号转换成电流信号，由调压模块控制改变预热灯管42功率大小对粉末床434温度实时调控。
所述的预热灯罩41高度可调，预热灯罩41内部四周各设有一组预热灯管42，预热灯罩41内部正上方设有一组预热灯管42，所有预热灯管42的辐射能量一部分直接辐射到粉末，另一部分经过预热灯罩41反射到粉末床434上。
所述的隔热层432与成形缸43内壁紧紧贴合。
所述的吹风装置45风速和温度可调，位于预热灯罩41和粉末高度之间，通过对成形区域内部进行吹风，加速成形区域内部的空气对流。
所述的预热灯管42的功率，根据红外热成像仪拍摄的粉末床434中各像素点的温度不同由调压模块单独控制。
利用一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备的方法，包括下列步骤：
1)在计算机5中建立三维模型，并对三维模型进行切片处理；
2)设定目标温度，使用预热灯管42对粉末床434进行预热；
3)启动吹风装置45向成形区域加入强制对流，使粉末对流趋于一致；
4)使用红外热成像仪在线采集粉末床表面热成像图，并将热成像图中的温度场数据传入计算机5，利用程序比较每个像素点温度与目标温度值的偏差，通过PID调节完成预热温度控制使其达到目标温度；
5)计算机5控制铺粉辊47将粉末均匀地铺在成形区域中；
6)启动激光器11对待烧结区域进行加工；
7)计算机5实时从红外热成像仪采集的热成像图中提取温度历程和工艺特征并输入神经网络反馈模型，输出反馈激光功率并处理用于下一层加工；
8)完成当前层的烧结后，粉板433下降一个分层厚度；
9)重复步骤2)～8)，直至零件烧结完成。
所述步骤7)中的温度历程是成形材料在烧结过程中温度随时间的变化；工艺特征是扫描矢量长度、热轨迹长度、散热距离和累计扫描时间；神经网络反馈模型根据处理后的温度数据来评估材料的烧结状态，并将其量化为烧结率，根据已烧结层的烧结率在零件截面上的分布，下一层的激光功率被自适应调整。
本发明的有益效果为：本发明利用红外热成像仪获取整个粉末床表面的温度场图像，在预热阶段将热成像图的像素点温度与目标值比较，各组预热灯管42独立控制，通过PID调控能够使温度场分布更加均匀，从而改善零件质量不均匀性；通过建立神经网络反馈模型，在烧结阶段提取零件温度场信息并进行数据处理，进而输入神经网络反馈模型中得到反馈激光功率并量化成烧结率，根据已烧结层的烧结率在零件截面上的分布，下一层的激光功率被自适应调整，进而实时控制烧结过程中的温度场，从而提高烧结制件的成形质量。
附图说明
图1是本发明设备的整体结构示意图。
图2是本发明预热灯管布置示意图。
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，以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
参照图1、图2，一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备，包括布置在保温系统4的上方并和计算机5连接的温度采集系统2以及光路系统1；光路系统1包括提供能量源的激光器11以及控制激光运动的三维动态聚焦扫描振镜12，并通过保护窗口3将激光照射在粉末床434上从而进行粉末床熔融；温度采集系统2包括红外热成像仪及其外部的水冷罩，通过水冷罩底部的保护窗口3采集粉末床434温度图像。
参照图1、图2，所述的保温系统4包括预热灯罩41、预热灯管42、吹风装置45和抽风装置46，预热灯管42布置在成形缸43正上方，成形缸43的底部设有能够在Z轴方向移动的电动缸连接板431、隔热层432和粉板433，粉板433上的粉末床434中心处为成形件435；成形缸43旁边的供粉缸44上方设有铺粉辊47，铺粉辊47能够将供粉缸44中一定比例的粉末均匀地铺展到粉板433上，并且压实粉末床434。
所述的红外热成像仪能够在线采集整个成形区域的热成像图，将热成像图中的温度数据以矩阵方式储存并传入计算机5，温度矩阵中第i行第j列温度数据对应热成像图中像素点坐标(i,j)处的温度值，利用程序计算每个像素点温度与目标温度值的偏差，再通过USB总线输出到DA转换模块，DA转换模块把数字信号转换成电流信号，由调压模块控制改变预热灯管42功率大小对粉末床434温度实时调控。
所述的预热灯罩41高度可调，预热灯罩41内部四周各设有一组预热灯管42，预热灯罩41内部正上方设有一组预热灯管42，所有预热灯管42的辐射能量一部分直接辐射到粉末，另一部分经过预热灯罩41反射到粉末床434上，能够使预热灯管42的热辐射更加集中，最高可加热到220℃。
所述的隔热层432与成形缸43内壁紧紧贴合，一方面可以防止成形缸43出现漏粉的情况，另一方面可以阻挡成形缸43底部的热量散失。
所述的吹风装置45设置在成形区域内部，风速和温度可调，位于预热灯罩41和粉末高度之间，通过对成形区域内部进行吹风，加速成形区域内部的空气对流，促进粉末床表面对流一致性，减少由于对流不一致导致的粉末床温度场温度偏差，便于对粉末床温度场进行控制。
所述的预热灯管42的功率，根据红外热成像仪拍摄的粉末床434中各像素点的温度不同由调压模块单独控制，因此可以提高粉床温度场的均匀性。
参照图2，预热灯管42分为五组，第一组预热灯管421由粉末床434中间正上方的四根灯管组成，每组灯管功率1kW，长度300mm；其余四组预热灯管42为第二组预热灯管422、第三组预热灯管423、第四组预热灯管424和第五组预热灯管425，分别布置在粉末床434四周的上方，每根灯管功率1kW，长度500mm。
利用一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备的方法，包括下列步骤：
1)在计算机5中建立三维模型，并对三维模型进行切片处理；
2)设定目标温度，使用预热灯管42对粉末床434进行预热；
3)启动吹风装置45向成形区域加入强制对流，使粉末对流趋于一致；
4)使用红外热成像仪在线采集粉末床表面热成像图，并将热成像图中的温度场数据传入计算机5，利用程序比较每个像素点温度与目标温度值的偏差，通过PID调节完成预热温度控制使其达到目标温度；
5)计算机5控制铺粉辊47将粉末均匀地铺在成形区域中，随后铺粉辊47返回供粉缸43上方；
6)启动激光器11对待烧结区域进行加工；
7)计算机5实时从红外热成像仪采集的热成像图中提取温度历程和工艺特征并输入神经网络反馈模型，输出反馈激光功率并处理用于下一层加工；
温度历程是成形材料在烧结过程中温度随时间的变化；工艺特征是扫描矢量长度、热轨迹长度、散热距离和累计扫描时间；神经网络反馈模型根据处理后的温度数据来评估材料的烧结状态，并将其量化为烧结率，根据已烧结层的烧结率在零件截面上的分布，下一层的激光功率被自适应调整；
8)完成当前层的烧结后，粉板433下降一个分层厚度；
9)重复步骤2)～8)，直至零件烧结完成。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备，包括布置在保温系统(4)的上方的温度采集系统(2)以及光路系统(1)，其特征在于：光路系统(1)包括提供能量源的激光器(11)以及控制激光运动的三维动态聚焦扫描振镜(12)，并通过保护窗口(3)将激光照射在粉末床(434)上从而进行粉末床熔融；温度采集系统(2)包括红外热成像仪及其外部的水冷罩，通过水冷罩底部的保护窗口(3)采集粉末床(434)温度图像；
利用所述的一种可实现温度场在线调控的粉末床熔融设备的方法，包括下列步骤：
1)在计算机(5)中建立三维模型，并对三维模型进行切片处理；
2)设定目标温度，使用预热灯管(42)对粉末床(434)进行预热；
3)启动吹风装置(45)向成形区域加入强制对流，使粉末对流趋于一致；
4)使用红外热成像仪在线采集粉末床表面热成像图，并将热成像图中的温度场数据传入计算机(5)，利用程序比较每个像素点温度与目标温度值的偏差，通过PID调节完成预热温度控制使其达到目标温度；
5)计算机(5)控制铺粉辊(47)将粉末均匀地铺在成形区域中；
6)启动激光器(11)对待烧结区域进行加工；
7)计算机(5)实时从红外热成像仪采集的热成像图中提取温度历程和工艺特征并输入神经网络反馈模型，输出反馈激光功率并处理用于下一层加工；
8)完成当前层的烧结后，粉板(433)下降一个分层厚度；
9)重复步骤2)～8)，直至零件烧结完成；
所述步骤4)中的红外热成像仪能够在线采集整个成形区域的热成像图，将热成像图中的温度数据以矩阵方式储存并传入计算机(5)，温度矩阵中第i行第j列温度数据对应热成像图中像素点坐标(i,j)处的温度值，利用程序计算每个像素点温度与目标温度值的偏差，再通过DA转换模块把数字信号转换成电流信号，由调压模块控制改变预热灯管(42)功率大小对粉末床(434)温度实时调控；
所述步骤7)中的温度历程是成形材料在烧结过程中温度随时间的变化；工艺特征是扫描矢量长度、热轨迹长度、散热距离和累计扫描时间；神经网络反馈模型根据处理后的温度数据来评估材料的烧结状态，并将其量化为烧结率，根据已烧结层的烧结率在零件截面上的分布，下一层的激光功率被自适应调整。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述的保温系统(4)包括预热灯罩(41)、预热灯管(42)、吹风装置(45)和抽风装置(46)，预热灯管(42)布置在成形缸(43)正上方，成形缸(43)的底部设有能够在Z轴方向移动的电动缸连接板(431)、隔热层(432)和粉板(433)，粉板(433)上的粉末床(434)中心处为成形件(435)；成形缸(43)旁边的供粉缸(44)上方设有铺粉辊(47)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述的预热灯罩(41)高度可调，预热灯罩(41)内部四周各设有一组预热灯管(42)，预热灯罩(41)内部正上方设有一组预热灯管(42)，所有预热灯管(42)的辐射能量一部分直接辐射到粉末，另一部分经过预热灯罩(41)反射到粉末床(434)上，使预热灯管(42)的热辐射更加集中。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述的隔热层(432)与成形缸(43)内壁紧紧贴合。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述的吹风装置(45)风速和温度可调，位于预热灯罩(41)和粉末高度之间，通过对成形区域内部进行吹风，加速成形区域内部的空气对流。
6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述的预热灯管(42)的功率，根据红外热成像仪拍摄的粉末床(434)中各像素点的温度不同由调压模块单独控制。
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