CN206028732U - 一种金属增材制造粉末床预热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种金属增材制造粉末床预热装置，包括位于增材制造设备成形室内的微波发生器。本实用新型一种金属增材制造粉末床预热装置，采用微波预热金属粉末床，解决了现有增材制造设备加热温度受限以及粉末床受热不均匀的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造粉末床预热装置。
背景技术
金属增材制造是金属件直接成型的一种方法，是快速成型技术的最新发展。该技术基于快速成型的最基本思想，即逐层熔覆的“增量”制造方式，根据三维CAD模型直接成型有特定几何形状的零件，成型过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合。采用传统的机加工手段无法制造出的形状结构复杂的金属零件，是激光快速成型技术应用的主要方向之一。
金属增材制造过程中，通常会因不均匀温度场而产生残余应力，常用的去应力方法是对加工好的成形件进行后续热处理，这样零件则会经历先冷却后升温的过程。然而，在上述冷却过程中，零件内部可能出现应力释放而导致加工好的构件出现变形、翘曲甚至开裂等现象，加大生产出次品、废品的风险。最重要的是，变形、翘曲甚至开裂等情况往往在零件成形过程中便已经出现，此种方法由于缺少对成形过程中内应力控制，并不能从根本上解决问题。
针对这一情况提出在加工前及加工过程中对成形区域进行预热处理，在材料的熔化-凝固过程中起到预热和缓冷的作用，通过对温度场的调节，减小甚至消除加工过程中的内应力。当前文献和专利中的处理办法大多集中为在成形缸底部添加加热装置进行温度场的调控，最高加热温度可达900℃。但是，此种方法的弊端在于仅能通过底部加热进行单向预热，其预热效果随着成形高度的增加而不断下降；此外，也有研究者提出基于点阵布局的主动式控温系统和温度控制方法，如专利《一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法》(申请号：201510987779.5，申请日：2015.12.24，公开号：105499569，公开日：2016.4.20)。但是该点阵式主动控温方案，其实质是对成形缸外表面进行直接加热，热量传递由外至内逐层深入。
而现有粉末床预热方案中，无论是采取成形区域底部加热还是基于侧面的点阵式加热，热量的传递均是基于多重介质间的热传导作用，其传导速率不仅依赖于介质本身的热传导系数还依赖于介质接触面的加工粗糙度，这就导致成形缸内温度场的恒定最终还是依靠粉末、气体和零件之间的热传导，所以基于外部热源开启和关闭的温度主动控制机制作用有限。
此外，基于点阵布局的主动式控温系统结构复杂，测温单元和加热单元数量大，易导致技术故障发生率高。最后，基于传统电加热方式的粉末预热装置加热温度有限，而一些特种金属粉末材料需要非常高的预热温度才能成功烧结，所以传统的粉末预热装置限制了金属增材制造技术的应用范围。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种金属增材制造粉末床预热装置，解决了现有增材制造设备加热温度受限以及粉末床受热不均匀的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种金属增材制造粉末床预热装置，包括位于增材制造设备成形室内的微波发生器。
本实用新型的特点还在于：
微波发生器布置在成形室的顶部或者侧面。
微波发生器的数量至少为1个。
微波发生器的微波出口处设置有环形器。
金属增材制造设备的能量束出口处设置有微波防护罩。
成形室内还设置有红外相机测温系统。
金属增材制造设备的成形缸外部布设有保温层。
成形室底板的下表面设置有水冷盒。
成形室舱门周围安装有防止微波泄露的抗流槽。
本实用新型的有益效果是：本实用新型金属增材制造粉末床预热装置，通过采用微波直接加热金属粉末，加热温度场分布相对传统加热方式比较均匀、加热温度高且稳定性好；本实用新型微波加热可以在很短时间内将金属粉末加热到预定温度，而这明显优于传统的电加热所依靠的热传导；本实用新型微波加热结构相对简单，只需传统微波炉级别的微波发生器即可实现，且控制方便，在成形室原有的循环气体基础上即可实现成形室内部金属壁面的风冷而无需专门的风冷通道和设施；本实用新型所提加热系统不同于传统成形缸底部加热，其高温产生在成形层，这样在成形缸内会自然形成由上而下温度逐步降低的温度梯度，有利于已成型零件的自然冷却，而无需任何主动控制措施；本实用新型基于微波加热技术的加热系统只会对金属粉末加热，对成形室内其余金属固体不会加热，这不同于传统电加热或涡流加热。
附图说明
图1是本实用新型金属增材制造粉末床预热装置的结构示意图；
图2是本实用新型金属增材制造粉末床预热装置中抗流槽结构示意图。
图中，1.微波发生器，2.环形器，3.微波防护罩，4.红外相机测温系统，5.抗流槽，6.成形室，7.保温层，8.水冷盒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型一种金属增材制造粉末床预热装置，结构如图1所示，包括位于增材制造设备成形室6内的微波发生器1，微波发生器1可以布置在成形室6顶部，也可以布置在成形室6的侧面，且微波发生器1的数量可以为1个，也可以为多个。由于多个微波发生器1形成的多模式场型相较于单个微波发生器1形成的单模式场型能够形成更大的电磁波均匀场，因此本实用新型优选多个微波发生器1，其中多个微波发生器1的频率可以相同，也可以不同。
本实用新型金属增材制造粉末床预热装置的预热原理为：当微波发生器1产生的微波通过金属粉末材料时，内电场在材料内部使金属粉末自由电子和束缚电荷产生位移，并且使复合电荷产生旋转。这些粒子在运动过程中受到如惯性力、弹性力和摩擦力等(它们均与频率有关)的阻碍，产生了能量损耗及电场衰减，作为这种能量损耗的结果产生了材料的微波加热。
本实用新型金属增材制造粉末床预热装置工作时，由微波发生器1产生的高频微波进入金属增材制造设备成形室6中，在成形室6内形成一个封闭的加热环境，从而实现对成形区域内金属粉末的均匀加热。由于微波可以将金属粉末加热到很高的温度甚至直接熔化金属粉末，因此，本实用新型提出的预热装置可以将金属粉末加热到熔点以下任何理想的温度，这种大范围的加热温度可以满足现有几乎所有金属粉末的预热。
另外，当金属粉末在能量束作用下凝固后，由于微波的特有属性，其不会对成形的金属实体结构进行加热，但因为金属粉末和金属壁面间存在的热传导，所以金属粉末的预热温度始终会保持在一个较稳定的值而不会持续上升。
优选地，本实用新型金属增材制造粉末床预热装置还可以包括设置于微波发生器1的微波出口处的环形器2，用来将成形室6内被反射回来的微波导入与环形器2连接的水负载，从而起到保护微波电子管的作用。
优选地，本实用新型金属增材制造粉末床预热装置还可以在金属增材制造设备的能量束出口处设置微波防护罩3，用于防止微波进入能量源结构，对内部器件正常工作产生影响。
优选地，本实用新型金属增材制造粉末床预热装置成形室6内还设置有红外相机测温系统4，用于实时监测成形区温度场分布，以确保粉末处于最佳预热温度附近，极大程度保证零件在成形过程中的质量以及减小零件内部残余应力。
优选地，本实用新型金属增材制造粉末床预热装置，在成形缸外部布设有保温层7，其目的在于降低已烧结成形的零件和其周围粉末的热量损耗，以使粉末和零件缓慢冷却，这有助于零件在冷却过程中不会出现变形，翘边，甚至开裂。
作为上述技术方案的进一步改进，在金属增材制造设备的成形缸底部保留原有的电加热底板，有助于对介电常数较小的材料在低温段进行加热；当底部加热板将材料加热到微波加热的特定临界温度，然后再开启微波加热，从而在金属增材制造设备内部形成一个综合加热系统。
作为上述技术方案的进一步改进，在成形室6底板的下表面设置有水冷盒8，以降低成形室6底板的整体温度，防止成形室6底板在高温情况下发生弯曲变形，进而影响成形室底板的平行度和平面度。此外，成形室内本身含有循环气路，这有助于降低整个成形室壁面的温度，起到保护成形室及其它固连电子元器件的功能。
作为上述技术方案的进一步改进，在成形室6舱门周围安装有防止微波泄露的抗流槽5，结构如图2所示，抗流槽5是在门内设置的一条异型槽结构。抗流槽5具有引导微波反转相位的作用。在抗流槽5入口处，微波会被它的逆向反射波抵消，这样微波泄露的可能性就大大降低。由于成形室6本身要求气密性，所以其它地方的微波泄漏几乎可以忽略。
Claims (9)
1.一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，包括位于增材制造设备成形室(6)内的微波发生器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述微波发生器(1)布置在成形室(6)的顶部或者侧面。
3.根据权利要求1或2所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述微波发生器(1)的数量至少为1个。
4.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述微波发生器(1)的微波出口处设置有环形器(2)。
5.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述金属增材制造设备的能量束出口处设置有微波防护罩(3)。
6.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述成形室(6)内还设置有红外相机测温系统(4)。
7.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述金属增材制造设备的成形缸外部布设有保温层(7)。
8.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述成形室(6)底板的下表面设置有水冷盒(8)。
9.根据权利要求1所述的一种金属增材制造粉末床预热装置，其特征在于，所述成形室(6)舱门周围安装有防止微波泄露的抗流槽(5)。
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| CN201621099332.0U CN206028732U (zh) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | 一种金属增材制造粉末床预热装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112139497A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-12-29 | 大连理工大学 | 一种高温整体预热辅助增材制造装置及方法 |
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2016
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