CN114850498A

CN114850498A - 一种粉床均匀预热的控制方法及增材制造装置

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Publication number: CN114850498A
Application number: CN202210780976.XA
Authority: CN
Inventors: 全俊涛; 赵培; 周勃延; 任龙; 向长淑; 朱纪磊; 陈斌科; 张怡欣; 李鱼
Original assignee: Xi'an Sailong Metal Materials Co ltd
Current assignee: Xi'an Sailong Metal Materials Co ltd
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2022-08-05

Abstract

本发明是关于一种粉床均匀预热的控制方法及增材制造装置。一种粉床均匀预热的控制方法，包括：确定粉床待预热的成形区域的中心点和在成形区域内距中心点最远距离的最远点；基于中心点确定预热的最小功率，并基于最远点确定预热的最大功率；规划预热的扫描路径，并确定扫描路径中各点到中心点的距离；根据扫描路径中各点到中心点的距离与最远点到中心点的距离的比例关系确定扫描路径中各点的预热功率；根据所确定的扫描路径和预热功率对粉床进行扫描预热，并使成形区域中所有被预热的区域温度均匀。本发明通过采用非均匀的预热功率，使待成形区域近似均匀升温，保证待整个成形区域各个地方温度近乎一致，进而提升打印过程的稳定性。

Description

一种粉床均匀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，尤其涉及一种粉床均匀预热的控制方法及增材制造装置。

背景技术

电子束粉床3D打印技术是20世纪90年代中期发展起来的一类新型增材制造技术，它是在高真空环境下，将所设计零件的三维图形按一定的厚度切片分层，得到三维零件的所有二维信息；在真空室内以电子束为能量源，电子束在电磁偏转线圈的作用下由计算机控制，根据零件各层截面的CAD数据有选择地对预先铺好在工作台上的粉末层进行扫描熔化；一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，同时新熔化层与前一层熔合为一体；重复上述过程直到零件加工完成。由于电子束功率大、材料对电子束能量吸收率高，特别适合钛合金、钛铝基合金等难熔、高性能金属材料的成形制造，在航空航天、生物医疗、汽车、模具等领域具有广阔的应用前景。

但是电子束粉床3D打印技术在制备大多数材料时，都需要对铺设的粉末进行加热，使粉末温度上升，提升粉末材料的导电率和粘连度，防止电子束轰击到粉末上时，粉末状材料在电荷的斥力下飞散，从而导致打印失败，电子束粉床3D打印制备零件时，对铺设的粉末进行加热是关键过程和关键技术。

相关技术中，通常采用均匀加热粉床的方法实现对铺设粉末预热，即在待成形区域的粉床上均匀投入热量使成形区域粉床被加热。在待成形区域上均匀投入热量的方法初衷是希望待成形区域均匀受热，进而实现待成形区域温度一致的目的。但是，由于成形区域边界外的区域无法被加热温度很低而中心一直被加热温度很高，而热量总是从高温向低温传导。

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：

当均匀的在待成形区域投放热量时，待成形区域的温度从中心到四周由高到低，形成以待成形区域为中心近似圆形梯度分布的温度梯度图，成形区域热场呈从中心到外逐渐降低的温度梯度。成形区域总是中心温度高，四周温度低，中心到四周存在温度梯度差。待成形区域面积越大，温度梯度差越大，越不利于后续的稳定打印。

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均匀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待成形区域中心和边缘温度梯度差过大等，由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明首先提供一种粉床均匀预热的控制方法，包括：

确定粉床待预热的成形区域的中心点和在所述成形区域内距所述中心点最远距离的最远点；

基于所述中心点确定预热的最小功率，并基于所述最远点确定预热的最大功率；

规划预热的扫描路径，并确定所述扫描路径中各点到所述中心点的距离；

根据所述扫描路径中各点到所述中心点的距离与所述最远点到所述中心点的距离的比例关系确定所述扫描路径中各点的预热功率；

根据所确定的扫描路径和预热功率对粉床进行扫描预热，并使所述成形区域中所有被预热的区域温度均匀。

本发明中，根据所述扫描路径中各点到所述中心点的距离与所述最远点到所述中心点的距离的比例关系确定所述扫描路径中各点的预热功率，还包括：

根据所述扫描路径中各点到所述中心点的距离与所述最远点到所述中心点的距离的比例确定所述扫描路径中各点的预热功率在所述预热的最小功率和最大功率的差值中的占比。

所述扫描路径中各点的预热功率根据下述公式确定：

；

其中，W^x为扫描路径中各点的预热功率；W⁰为预热的最小功率；W^max为预热的最大功率；d为扫描路径中各点到所述中心点的距离；D为所述最远点到所述中心点的距离。

本发明中，还包括：通过对所述粉床待预热的成形区域N轮扫描预热完成对粉床的预热；N为大于等于1的正整数。

本发明中，根据恒定的所述预热的最小功率和最大功率完成每一轮的扫描预热。

本发明中，在每一轮的扫描预热后增大所述预热的最小功率和/或最大功率，并根据增大后的所述预热的最小功率和/或最大功率完成下一轮的扫描预热。

本发明中，在前n轮扫描预热中，在每一轮的扫描预热后增大所述预热的最小功率和/或最大功率，并根据增大后的所述预热的最小功率和/或最大功率完成下一轮的扫描预热；根据第n轮所述预热的最小功率和最大功率完成剩余轮的扫描预热；n为小于等于N的正整数。

本发明中，所述扫描路径为以所述中心点为圆心的多个同心圆的形式。

本发明中，所述扫描路径为逐行扫描或逐列扫描的形式，且各行或各列为等距离分布的直线、波浪线或折线。

本发明其次提供一种增材制造装置，包括：

成形基板，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均匀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，通过采用非均匀的预热功率，使待成形区域近似均匀升温，进而达到成形区域热场的温度梯度差近似为零，保证待整个成形区域各个地方温度近乎一致，进而提升打印过程的稳定性。

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粉床均匀预热的控制方法流程示意图；

图2示出本发明示例性实施例中同心圆预热扫描示意图；

图3示出本发明示例性实施例中逐行预热扫描示意图；

图4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：100、成形区域；200、中心点；300、最远点；400、扫描路径；500、成形基板；600、能量源。

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均匀预热的控制方法，参考图1所示，该控制方法包括以下步骤：

步骤S101：确定粉床待预热的成形区域100的中心点200和在成形区域100内距中心点200最远距离的最远点300。

步骤S102：基于中心点200确定预热的最小功率，并基于最远点300确定预热的最大功率。

步骤S103：规划预热的扫描路径400，并确定扫描路径400中各点到中心点200的距离。

步骤S104：根据扫描路径400中各点到中心点200的距离与最远点300到中心点200的距离的比例关系确定扫描路径400中各点的预热功率。

步骤S105：根据所确定的扫描路径400和预热功率对粉床进行扫描预热，并使成形区域100中所有被预热的区域温度均匀。

需要理解的是，电子束扫描待成形区域100时，在边缘区域使用高功率，中心区域使用高功率，从边缘到中心，电子束功率逐渐降低；因此在电子束扫描成形区域100的时候，从外向内投入的热量逐渐减少，以此达到成形区域100中心与外部区域温度近似同步上升，降低成形区域100中心与边缘区域的温度差，实现整个成形区域100温度近似均衡。

还需要理解的是，基于中心点200确定预热的最小功率，并基于最远点300确定预热的最大功率，也就是在中心点200采用最小功率进行预热，在最远点300采用最大功率进行预热。而扫描路径400中各点的预热功率都在预热的最小功率和最大功率之间。预热功率直接决定粉床中的加热能量。在改变加热能量时，同步改变成形区域100边缘能量和中心能量。

还需要理解的是，当成形区域100面积很大的时候，本方法的优势更明显，能够防止边缘温度低粉末松散，中心温度高粉末板结的情况发生。

通过上述方法，通过采用非均匀的预热功率，使待成形区域100近似均匀升温，进而达到成形区域100热场的温度梯度差近似为零，保证待整个成形区域100各个地方温度近乎一致，进而提升打印过程的稳定性。

下面，将参考图1至图3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2所示，步骤S104还包括：

根据扫描路径400中各点到中心点200的距离与最远点300到中心点200的距离的比例确定扫描路径400中各点的预热功率在预热的最小功率和最大功率的差值中的占比。需要理解的是，扫描路径400中各点的预热功率依据到中心点200的距离呈线性关系在预热的最小功率和最大功率间进行改变。

在一些实施例中，参考图2所示，步骤S104还包括：

扫描路径400中各点的预热功率根据下述公式确定：

；

其中，W^x为扫描路径400中各点的预热功率；W⁰为预热的最小功率；W^max为预热的最大功率；d为扫描路径400中各点到中心点200的距离；D为最远点300到中心点200的距离（最远距离）。

在一些实施例中，还包括：通过对粉床待预热的成形区域N轮扫描预热完成对粉床的预热；N为大于等于1的正整数。需要理解的是，通过多轮扫描预热，使粉床更加均匀的逐步升温，从而更加便于控制粉床的预热过程。

在一些实施例中，根据恒定的预热的最小功率和最大功率完成每一轮的扫描预热。需要理解的是，恒定的预热的最小功率和最大功率也就是在每一轮扫描预热时扫描路径400中各点的预热功率都是相同的。在经过反复扫描预热后，使成形区域100中所有被预热的区域温度一致。

在一些实施例中，在每一轮的扫描预热后增大预热的最小功率和/或最大功率，并根据增大后的预热的最小功率和/或最大功率完成下一轮的扫描预热。需要理解的是，根据N轮扫描预热来设定每一轮的预热的最小功率和最大功率，使预热的最小功率和最大功率逐步增加。也就是在每一轮扫描预热时扫描路径400中各点的预热功率都是逐步增加的。并最终使成形区域100中所有被预热的区域温度一致。

在一些实施例中，在前n轮扫描预热中，在每一轮的扫描预热后增大预热的最小功率和/或最大功率，并根据增大后的预热的最小功率和/或最大功率完成下一轮的扫描预热；根据第n轮预热的最小功率和最大功率完成剩余轮的扫描预热；n为小于等于N的正整数。需要理解的是，可以在第1轮扫描预热后增大预热的最小功率和最大功率，并以增大后的预热的最小功率和最大功率完成第2轮之后的扫描预热。

在一些实施例中，参考图2所示，扫描路径400为以中心点200为圆心的多个同心圆的形式。需要理解的是，扫描路径400中每个同心圆中距离中心点200的距离相等，因此可以以相同的预热功率来对每个同心圆的预热轨迹进行预热。

在一些实施例中，参考图3所示，扫描路径400为逐行扫描或逐列扫描的形式，且各行或各列为等距离分布的直线、波浪线或折线。需要理解的是，逐行扫描或逐列扫描时，扫描路径400中各点到中心点200的距离是随时改变的。因此在进行预热扫描时，预热的功率也是随时改变的。

本示例实施方式中其次提供一种增材制造装置，参考图4所示，该增材制造装置包括：成形基板500，成形基板500上铺设粉末；能量源600，增材制造装置利用能量源600采用上述任一项实施例中的粉床均匀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500的上方，并在控制单元的控制下在成形基板500上进行铺粉。能量源600位于铺粉机构的上方，通过控制系统采用以中心点200为预热的最小功率，并以最远点300为预热的最大功率，非均匀的预热功率并控制能量源600对成形基板500上的粉末进行扫描预热以及熔化。升降机构位于成形基板500下方，在控制单元的控制下对成形基板500进行升降操作，两者之间可以是固定连接。能量源600可以是激光、电子束、等离子束等。

示例的，参考图1至图4所示，以更加具体的实施例来实施上述粉床均匀预热的控制方法。

步骤1、确定一次扫描完整个成形区域100的最大功率（成形区域100距中心最远点300功率）和最小功率（中心点200功率）；

步骤2、成形区域100距中心点200最远距离为D，成形区域100任意点距中心点200距离为d。

步骤3、规划扫描待成形区域100的电子束扫描路径400，扫描路径400上任意点与成形区域100中心点200距离为d，扫描路径400任一点所用功率为

；

步骤4、根据步骤3所计算带功率的扫描路径400，扫描成形区域100，使成形区域100被加热；

步骤5、根据实际需要，同时改变W^max和W⁰（通常是同时增大）1到多次，最终以恒定的W^max和W⁰，重复步骤3步骤4，多次扫描成形区域100，使成形区域100被加热，直到达到所需温度。

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

1.一种粉床均匀预热的控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述扫描路径中各点到所述中心点的距离与所述最远点到所述中心点的距离的比例关系确定所述扫描路径中各点的预热功率，还包括：

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述扫描路径中各点到所述中心点的距离与所述最远点到所述中心点的距离的比例关系确定所述扫描路径中各点的预热功率，还包括：

所述扫描路径中各点的预热功率根据下述公式确定：

；

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：通过对所述粉床待预热的成形区域N轮扫描预热完成对粉床的预热；N为大于等于1的正整数。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，根据恒定的所述预热的最小功率和最大功率完成每一轮的扫描预热。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在每一轮的扫描预热后增大所述预热的最小功率和/或最大功率，并根据增大后的所述预热的最小功率和/或最大功率完成下一轮的扫描预热。

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在前n轮扫描预热中，在每一轮的扫描预热后增大所述预热的最小功率和/或最大功率，并根据增大后的所述预热的最小功率和/或最大功率完成下一轮的扫描预热；根据第n轮所述预热的最小功率和最大功率完成剩余轮的扫描预热；n为小于等于N的正整数。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述扫描路径为以所述中心点为圆心的多个同心圆的形式。

9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述扫描路径为逐行扫描或逐列扫描的形式，且各行或各列为等距离分布的直线、波浪线或折线。

10.一种增材制造装置，其特征在于，包括：

成形基板，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任一项所述的粉床均匀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。