CN208261854U - 一种三段式选择性激光熔化组合预热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于选择性激光熔化增材制造技术领域，并具体公开了一种三段式选择性激光熔化组合预热系统，该系统包括均布置在工作腔内的预热段、均热段和多级加热段，其中，预热段布置在工作腔内部的上方，用于储存粉末，并对粉末进行预热；均热段位于预热段的下方，用于对从预热段落下的粉末进行均热，并将均热后的粉末送入多级加热段中，均热后的粉末在多级加热段中进行选择性激光熔化成形；多级加热段位于均热段的旁侧，用于对已均热的粉末进行加热，并对已激光成形的部分进行梯度加热，形成自上而下的温度梯度。本实用新型显著降低了粉末在工作腔内运动过程中的热损失，实现对金属粉末的分段高温预热，具有预热效果好，适用性强等优点。

Description

一种三段式选择性激光熔化组合预热系统

技术领域

本实用新型属于选择性激光熔化增材制造技术领域，更具体地，涉及一种三段式选择性激光熔化组合预热系统。

背景技术

选择性激光熔化成形技术(Selective Laser Melting,SLM)是快速成形(RapidPrototyping,RP)技术的重要组成部分，近年来得到了极大的发展。相较于传统的等材制造(铸造、锻造、焊接)与减材制造(机加工)，SLM技术属于增材制造领域，具有工艺简单、成形件尺寸精度高、表面粗糙度好、致密度高等优点，在精密、复杂零件的制造过程中起到了极大的作用，它是一种直接金属零件制造技术。选择性激光熔化成形技术的具体工艺流程为：首先使用三维设计软件设计出零件的三维模型；再通过相应的切片软件将零件的三维模型切片处理成二维的激光扫描轨迹；然后在成形基板上铺上一层与模型切片厚度相等的金属粉末，并根据之前确定的激光扫描轨迹使用激光束对粉末床区域进行选区熔化，待其冷却、凝固形成沉积层；扫描完成后，将基板下降，下降高度等同于模型的切片厚度；重复上述过程，直至整个零件成型。

SLM技术加工零件使用的激光束的聚焦光斑直径极小(一般为0.1～0.5mm)，而且粉末的堆积层厚也较小(0.02～0.2mm)，高能量密度的激光束在粉末床上快速扫描、烧结金属粉末，在数秒内完成单层加工，给沉积层(熔池)带来了超高的温度梯度。超高的温度梯度使得零件内部的晶体生长呈强烈的取向性，大大的提升了零件在取向方向上的性能，但是也给零件内部带来了强大的内应力，使得零件自身的开裂趋势增大。在一些常规方法难以加工的复杂、精细结构件，尤其是在航空航天等领域具有重要意义的高性能、复杂结构金属构件的加工过程中，因为内应力过大导致零件开裂的现象时有发生，这无形间降低了零件的成材率，提高了制造成本。

目前，行业内主要通过预热粉末床来加热成型零件本身的方法来降低零件的内应力，且已有若干涉及SLM预热的方法及相关设备的专利公开，而针对SLM成型腔体内的冷却系统尚无相关专利。

CN103100713A公开了一种通过装备中的送粉筒对粉末进行加热的方法，该方法通过选择性激光选区熔化SLM设备送粉筒预热装置的载粉桶内的金属粉末在交变磁场内产生高频或者中频磁场作用下产生的感应电流、涡流损耗以及金属粉末形成的导体内磁场的作用即磁滞损耗引起导体自身发热而进行加热，通过温度传感器收集粉末温度信息对其进行反馈控制，达到预热粉末的目的。然而，使用送粉筒进行粉末铺设工作中粉末的运动周期较长，且粉末在出筒后直至成型缸成型的过程中完全处在SLM设备内低温的循环惰性保护气体的气氛中，对流换热造成的热量损失极大。而且单层加工一次所铺设的粉末量较少(数百克)，如此少的粉末量在铺设过程中极易产生热量流失，使得加热效果在实际加工中大打折扣。

CN105855544A公开了一种通过预热设备成型缸，从而预热粉末的方法。该方法通过在SLM成形零件的加热中采用电磁感应技术加热成型缸来达到预热粉末的目的。然而，SLM的单层加工时间极短(几十秒至几分钟)，在如此短的时间内加热输送进来的粉末至所需的温度是非常困难的。而且，电磁感应加热的集肤效应较为集中，易导致加热不均，所以如何有效防止集肤效应，防止短时间内加热不均导致二次内应力也是一个不容忽视的问题。

CN205888083U公开了一种通过定向加热激光器对粉末床进行预热的方法。该方法通过一个设置在加工激光器同侧的定向加热激光器输出激光对加工平面的粉末进行加热，但粉末下方的基板或已凝固的零件部分可作为有效的散热体，大大降低了该方法的有效加热效率，在实际生产中得不到较好的应用。

此外，CN205888085U、CN103338881A等专利也通过对成型缸或其他部件的改进来进行粉末的预热。这些专利方法虽然能在一定程度上解决粉末预热的问题，但是对于整个加工过程中如何保持粉末温度达到一个稳定状态的问题，并没有有效的解决方案。这主要是因为SLM加工工艺中独特的工艺流程所致：首先，粉末经过预处理后进入储粉斗；然后，释放一定数量的粉末进入成型室，经刮板铺设在基板上，在这个过程中粉末与加工平台、刮刀、惰性保护气体接触，呈均匀分散的状态，热量散失极大；此后在极短的时间内经过激光烧结成型，基板下降，开始下一层的粉末铺设工艺。这些独特的流程使得单一对一个部件进行改进来加热粉末的效果大打折扣、热散失较大。因此，如何克服上述工艺流程中每个环节中存在的实际问题，设计出一种适合SLM设备的高温粉末预热系统对SLM工艺的发展与减少加工工件的开裂倾向具有极大的现实意义。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种三段式选择性激光熔化SLM成形的组合预热系统，采用三段式加热方式加热粉末，通过储粉斗(加热段)—工作台(均热段)—成型缸(保温段)实现金属粉末的分段加热，以稳定预热SLM加工过程中的金属粉末，减少或消除SLM加工零件的内应力，减少加工工件的开裂倾向；此外，在粉末床基板下方搭载了冷却装置，可保证热流方向稳定，避免热流紊乱，控制温度梯度，为SLM成型定向凝固甚至单晶合金提供了技术基础，特别适用于高精度、开裂倾向大、内应力大、结构复杂的金属构件以及定向凝固构件。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，包括均布置在工作腔内的预热段、均热段和多级加热段，其中，所述预热段布置在工作腔内部的上方，用于储存粉末并对粉末进行预热；所述均热段位于预热段的下方，用于对从预热段落下的粉末进行加热，并将加热后的粉末送入多级加热段中，该加热后的粉末在多级加热段中进行选择性激光熔化成形；所述多级加热段位于均热段的旁侧，用于对经均热段加热的粉末继续进行加热，并对已激光成形的部分进行梯度加热。

作为进一步优选的，所述预热段包括第一落粉斗和第二落粉斗，该第一落粉斗和第二落粉斗设于工作腔内部的上方，且左右对称布置；所述第一落粉斗和第二落粉斗结构相同，均包括粉斗以及位于粉斗下方的落料插板。

作为进一步优选的，所述粉斗的外部依次设置有隔热材料层、感应线圈和电磁屏蔽层。

作为进一步优选的，所述均热段包括分设于第一落粉斗和第二落粉斗下方的第一工作平台和第二工作平台，所述第一工作平台和第二工作平台内部嵌装有加热棒。

作为进一步优选的，所述第一落粉斗与第一工作平台之间或第二落粉斗与第二工作平台之间设置有刮板。

作为进一步优选的，所述第一工作平台上还设置有第一落粉口，第二工作平台上还设置有第二落粉口。

作为进一步优选的，所述多级加热段包括成形腔和基板，所述成形腔设于工作腔内部的下方，所述基板设置在成形腔内，该基板在升降机构的作用下上下运动，所述成形腔的两侧设置有多根自上而下依次排布的加热棒。

作为进一步优选的，所述多级加热段内还设置有冷却循环装置，所述冷却循环装置设于基板的下方，该冷却循环装置为内置冷却流道的黄铜托板，所述黄铜托板与基板之间设置有加热板，所述黄铜托板下方设置有隔热板。

作为进一步优选的，所述工作腔内部的上方设置有激光器，该激光器位于成形腔的正上方。

作为进一步优选的，所述工作腔内还设置有气体预热循环装置，该气体预热循环装置包括气体热交换器和风机，所述风机与所述气体热交换器相连，所述气体热交换器分别通过管道与工作腔上的出气口和进气口相连，其中气体热交换器与进气口相连的管道沿均热段和多级加热段铺设。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型通过三段式组合预热系统，实现了电磁感应加热与热平板加热高低搭配的组合加热，通过储粉斗(加热段)—工作台(均热段)—成型缸(保温段)，显著地降低了粉末在工作腔内运动过程中的热损失，实现对金属粉末的高温预热。

2.本实用新型采用了落粉斗进行粉末的储存与落出工艺，采用了电磁感应加热的方式进行加热，由于SLM整体加工时间长，有充足的时间预热储粉斗，能有效缓解短时间加热时电磁感应产生的集肤效应，避免了加热不均匀的缺点，同时在落粉斗上使用了隔热层、屏蔽层，减少了落粉斗的热效应与电磁效应对腔体内其他元器、机械结构件的影响；

3.本实用新型的落粉斗为两个，在工作腔内对称布置，可双向加热铺粉，相较于采用单向铺粉的SLM设备，成倍缩短了工作行程，减少了热损失、提高了加热效率；

4.本实用新型工作平台使用内嵌加热棒(或电阻丝)对落下粉末进行均热，因粉末已在储粉斗中预热接近至使用温度，工作平台无需较大热负荷，与落粉斗使用的电磁感应加热形成高低搭配，同时避免了在大平面上使用电磁感应加热带来庞大的配套线圈与屏蔽层。

5.本实用新型成型缸内同样采用内嵌加热棒(或电阻丝)的方法进行加热，相较落粉斗使用的电磁感应加热形成高低搭配，缸体四壁与基板均设置有内嵌加热棒，成型缸壁可根据加工行程通过控制系统开启或关闭相应的加热区域，有效提高了加热效率；此外，基板下方还设置有冷却系统，能迅速向下导出热量，在缸体内形成可控的温度梯度。

6.本实用新型由于采用了加热方式的高低搭配，加热负荷被合理分配，将主要加热负荷集中在储粉斗上，使整个系统成本得到降低，工艺流程更加流畅，热稳定性更好，可实现精确的温度控制，有效缓解了使用单一热源加热带来的不稳定现象以及单独采用感应加热所造成的集肤效应，减少了SLM加工工件因反复热循环所造成的内应力与开裂倾向，为精确控制SLM加工工艺提供了稳定的基础，同时引入了冷却系统，可在缸体内形成可控的温度梯度，为成型定向凝固构件甚至单晶构件提供了基础。

7.本实用新型气氛循环装置有效利用流出循环系统的高温气体，以及其他加热系统散失的热量为气体预热，大大提高了热效率。

附图说明

图1为本实用新型的三段式选择性激光熔化组合预热系统的结构示意图；

图2a和b为本实用新型所涉及的落粉斗结构示意图，其中a为落粉斗关闭状态，b为落粉斗开启状态；

图3为本实用新型所涉及的工作台与成型腔的结构示意图；

图4为本实用新型所涉及的气氛预热循环装置的结构示意图；

图5为本实用新型所涉及的三段式选择性激光熔化组合预热系统的温度反馈控制装置的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种三段式选择性激光熔化组合预热系统，包括预热段、均热段和多级加热段，预热段、均热段和多级加热段均布置在工作腔9内，其中，预热段布置在工作腔内部的上方，其用于储存粉末，并对粉末进行预热；均热段位于预热段的下方，其用于对从预热段落下的粉末进行均热，并将均热后的粉末送入多级加热段中，该均热后的粉末在多级加热段中进行选择性激光熔化成形；多级加热段位于均热段的旁侧，其用于对已均热的粉末进行加热，并对已激光成形的部分进行梯度加热，以形成自上而下的温度梯度。

对于预热段而言，如图1和2所示，预热段包括第一落粉斗1和第二落粉斗2，该第一落粉斗1和第二落粉斗2设于工作腔内部的上方，且左右对称布置；第一落粉斗1和第二落粉斗2结构相同，均包括粉斗以及位于粉斗下方用于开启或关闭粉斗的落料插板25。采用落粉斗进行粉末的储存与落出工艺，相较于使用送粉筒来进行相关工艺流程，粉末直接从粉斗落出经铺粉刮板铺设至粉末床，省去了经送粉筒旋转落下的工作行程，减少了该过程中粉末与工作腔内气体接触换热造成的热损失，提高了加热效率。

如图2所示，粉斗的外部依次设置有隔热材料层22、感应线圈21和电磁屏蔽层23，此处通过设置隔热材料层可避免感应线圈直接与粉斗接触而使粉斗烧蚀，感应线圈利用感应加热通过磁感加热粉斗，进而加热粉斗内的粉末。该感应线圈可由电阻丝、硅钼棒、硅碳棒或其他加热元器件替换，因本实用新型中设施需要迅速反应，故采用感应线圈，隔热材料层包括但不限于耐火砖、耐火泥、氧化铝陶瓷、氧化铝纤维等一系列耐火材料。其中，感应线圈环绕于落粉斗上，加热落粉斗中粉末；隔热材料层位于落粉斗表面，起到隔热保温作用，防止热量散失影响其他机械机构的强度；电磁屏蔽层位于落粉斗最外层，屏蔽感应线圈所产生的电磁场，防止其影响其他电子设备。落料插板25位于隔热材料层22、感应线圈21和电磁屏蔽层23的下方，通过落料插板25的水平移动，可将粉斗开启或关闭，其中图2a中为关闭状态，图2b中为开启状态。

对于均热段而言，其包括分设于第一落粉斗1和第二落粉斗2下方的第一工作平台12和第二工作平台11，第一工作平台12和第二工作平台11内部嵌装有加热棒，以实现粉末的加热。内嵌加热棒的工作平台因使用寿命较长和更换便捷的需要，内嵌热源采用硅钼棒、硅碳棒等。也可以在工作平台下方设置加热平板，在粉末的铺设过程中，加热平板为粉末持续均热，防止热流失。

如图1所示，第一落粉斗1与第一工作平台12之间或第二落粉斗2与第二工作平台11之间设置有刮板4，在粉末落出落粉斗后通过刮板进行粉末的双向铺设，并将多余粉末落出；第一工作平台12上还设置有第一落粉口14，第二工作平台11上还设置有第二落粉口13，通过刮板4的来回往复运动，例如先从左往右再从右往左，以首先将第一落粉斗1落至第一工作平台12上的粉末送至多级加热段中，并将多余的粉末送入第二落粉口13中，以完成待激光熔化成形零件的一层送粉，然后将第二落粉斗2落至第二工作平台11上的粉末送至多级加热段中，并将多余的粉末送入第一落粉口14中，以完成待激光熔化成形零件的下一层送粉。具体的，刮板4位于落粉斗下方，在运动中通过机械运动打开落料插板，例如在刮板的运动过程中，通过其与落料插板的碰撞将落料插板打开，粉末在重力作用下落下，随后刮板4反向运动，将落下的粉末铺设在粉床上。工作平台配置有红外温度传感器对粉末进行温度测量，所测得信号经控制系统与落粉斗和成型缸相连接，进行反馈调节，之所以选用灵敏度、精确度更高的红外温度传感器是因粉末在平台上经历的均热时间较短，需要迅速、准确地将温度信息反馈给大量粉末聚集的落粉斗和成型缸，来进行温度的反馈控制。

对于多级加热段而言，如图3所示，其包括成形腔(即成型缸)和基板8，成形腔设于工作腔内部的下方，优选设于工作腔内部下方的中部，承接刮板刮入的粉末并进行加热，基板8设置在成形腔内，基板8在升降机构15的作用下可上下运动，成形腔的两侧设置有多根自上而下依次排布的加热棒，多根加热棒根据基板8的位置选择性开启，以实现梯度加热，即成形腔内的每根加热棒可单独控制，并可选择性开启，同时各加热棒的加热功率可调，使得成形腔内的加热区域可以控制，以调节加热区域。例如，当激光成形基板上的第一层粉末时，需开启成形腔中与第一层处于同一高度的加热棒，以加热该层粉末至使用温度，然后激光成形，成形后基板下降一个层厚，再铺设第二层粉末，此时需开启成形腔中与第二层处于同一高度的加热棒，以加热第二层粉末至使用温度，同时还需开启成形腔中与第一层处于同一高度的加热棒，以保温激光成形的第一层，然后依次成形下一层，加热的温度从上至下依次减小，实现梯度加热，例如激光成形的零件共有5层，那么最后一个工序是激光成形第5层(位于最上方)，第1层位于最下方，与第5层至第1层对应的加热棒均开启，其中，最上方的第5层的加热温度最高，最下方的第1层的加热温度最低，从上至下各层的加热温度依次为500℃、400℃、300℃、200℃、100℃，以此实现梯度加热，形成一个自上而下的热流方向，从而为定向凝固或者单晶成型提供了温度需求基础，通过基板的下方设置有冷却循环装置，可保证热流方向稳定，避免热流紊乱，进一步保证温度呈梯度分布。工作腔内部的上方设置有激光器3在加工过程中发射高能激光束烧结铺设好的粉末，实现粉末的激光熔化成形，该激光器3位于成形腔的正上方，第一落粉斗和第二落粉斗之间。也可以在成型缸内壁设置加热平板，在粉末加工过程中持续供热保温，维持粉末床的整体温度。

具体的，冷却循环装置设于基板8的下方，该冷却循环装置为内置冷却流道的黄铜托板31，黄铜托板31与基板8之间设置有加热板32，黄铜托板31下方设置有隔热板33。其中，隔热板以及隔热层36的材质包括但不限于耐火砖、耐火泥、氧化铝陶瓷、氧化铝纤维等一系列耐火材料；内置冷却流道的黄铜托板中冷却介质不限于冷却水；加热板的热源可为电阻丝、硅钼棒、硅碳棒或其他加热元器件；基板根据加工粉末采用相应材质基板。

进一步的，工作腔内还设置有气体预热循环装置5，如图4所示，该气体预热循环装置5包括气体热交换器51和风机52，风机52与气体热交换器51相连，用于将惰性气体送入气体热交换器51中，气体热交换器51分别通过管道与工作腔9上的出气口54和进气口55相连，其中气体热交换器51与进气口55相连的管道沿均热段和多级加热段铺设，该气体热交换器51一方面从出气口54收集高温惰性气体，并利用高温惰性气体对风机送入的惰性气体进行预热，另一方面将预热后的惰性气体经均热段和多级加热段再次预热后经进气口55送入工作腔9中。具体的，气体预热循环装置5在加工过程中吹入循环的预热气体，该气体也可以加热成型腔中的粉末。具体的，工作腔内通有惰性气体，其上开设有泄压口，保证工作腔内气压不超过安全设定值，其中，风机持续补充吹入惰性气体保证工作腔气压的稳定；出气口与进气口位于工作腔前后侧，其中进气口配备电加热丝及温度反馈装置，气体吹入后位于成形腔上方，起到除去激光加工烧结过程中产生烟尘的作用，同时预热的气体还可起到对粉末的保温作用。另外，气体预热循环装置沿均热段和多级加热段铺设的管道的外部设置有隔热层36，从整体上防止热量散失。

气体预热循环装置5工作过程如下：

1)风机吹入惰性气体至气体热交换器，气体热交换器收集出气口的高温气体，利用余温为吹入气体预热，此为一段预热；

2)惰性气体经由预热后被吹至成型腔下方，利用加工平台与成型腔的余热为气体进行二段预热；

3)之后气体被吹至进气口，在加热丝以及温度反馈装置的作用下被加热至使用温度，并吹入工作腔内；

4)工作腔内流出气体经由出气口流回气体热交换器，与新吹入气体完成热交换，并在风机的作用下完成循环。

为了实现各段温度的合理分配与控制，如图5所示，本发明系统中还设置有温度反馈控制装置，该温度反馈控制装置包括中心PID控制模块41、预热段控制模块42、均热段控制模块43、多级加热段控制模块44和气氛预热控制模块45，其中，中心PID控制模块41根据所设置的加热温度分配各个模块的加热任务，预热段控制模块42根据分配的任务控制预热段将粉末加热至预热温度，具体采用感应加热，迅速将粉末加热至预热温度；均热段控制模块43根据分配的任务控制均热段对粉末进行加热，其承接均热工作的同时起热缓冲作用，避免出现较大的热震动；多级加热段控制模块44根据分配的任务控制多级加热段加热粉末至使用温度，并反馈至中心PID控制模块41，完成闭环。本实用新型的组合预热系统还设置有支撑框架16，支撑框架16位于整套组合预热系统下方，起承重以及稳定设备的作用。在加热过程中，由于均热段控制模块的存在，当所需预热温度变化或者其他原因引起粉末温度变化时，预热段控制模块迅速反应调节加热功率，而后均热段控制模块起热缓冲作用，避免因温度变化过大而导致多级加热段控制模块的功率出现较大波动的现象，稳定了加热系统。多级加热段控制模块在自身冷却系统开启时，会调节相应热输入，保证热流方向，稳定温度梯度，中心PID控制模块会根据多级加热段控制模块中基板的运动距离，自动调节开启或关闭多级加热段相应的加热区域，避免了多余的热损失。此外，气氛预热控制模块45也会根据中心PID控制模块所接受反馈信息和进气量的大小自动调节加热功率，保证工作腔体内的热稳定。

本实用新型三段式选择性激光熔化组合预热系统具体工作过程如下：

(1)为选择性激光熔化SLM系统整体配备压力工作腔，待加工开始后在工作腔内充满惰性气体进行保护；

(2)首先添加所需金属粉末至第一落粉斗、第二落粉斗，关闭工作腔体成密闭状态，开启气体预热循环装置进行惰性气体置换，开启三段式选择性激光熔化SLM的粉末组合预热系统，PID系统根据实时温度反馈对三段式预热系统进行热载荷分配，根据工艺参数决定是否开启冷却系统；待预热完成后，刮板朝着第一落粉斗运动，打开第一落粉斗上的插板，落下一次加工所需粉末，随后刮板反向朝第二落粉斗运动，此过程中，刮板将粉末铺设在基板上，此后，根据预设图层，激光器发射激光束对铺设粉末进行烧结，待烧结完成后，基板在传动轴带动下下降预设高度，完成行程一；然后刮板朝第二落粉斗运动，打开第二落粉斗上的插板，落下一次加工所需粉末，刮板再次朝第一落粉斗运动并铺设粉末在基板上，此后，根据预设图层，激光器发射激光束对铺设粉末进行烧结，待烧结完成后，基板在传动轴的带动下下降预设高度，完成行程二；接下来，行程一与行程二交替进行，直至最终成型零件，多余金属粉末由第一落粉口与第二落粉口收集。

在步骤(2)中，加工粉末通过三段式预热系统，即第一落粉斗、第二落粉斗进行电磁感应预热，落下后在内嵌加热棒的工作平台上进行均热，随后进入成型缸体(即成形腔)进行加热，并最终烧结成型。其中，成型缸壁面设置多级加热，随基板下降而开启相应加热区域，使热利用率达到最大。在整个步骤(2)的过程中，粉末经过了预热—均热—加热三段式加热，同时用预热气体辅助保温，粉末的加热效率始终维持在较高的水平，可以实现高温粉末预热，而基板下方冷却系统的开启与否取决于工艺参数的要求。

在步骤(2)的过程中，第一落粉斗、第二落粉斗、工作平台、成型缸体均设置温度测量装置(包括但不限于热电偶、红外测温仪等)并通过PID控制系统进行反馈调节。第一落粉斗、第二落粉斗的电磁加热系统能根据其他热电偶以及红外测温仪的反馈数据迅速改变热输入，平衡加热系统，能有效平衡因加工参数改变带来的温度变化；工作平台则承接第一、第二落粉斗的迅速反应，作为缓冲端口，稳定自身热输入并将信息传递至成型缸体；成型缸体除根据内部升降高度调节多级加热外，还承接工作平台的热信息，将粉末最终加热至工作温度，并在加热功率变化较大时传递信息至PID控制系统，完成反馈闭环。相较于普通二级反馈闭环，本系统通过三段式加热系统中的均热段(即工作平台)作为缓冲段，避免了二级反馈闭环中容易出现的震荡反馈，对加热系统的稳定和热分配有较好的促进作用。此外，基板下方冷却系统独立于该反馈闭环，根据工艺参数的要求选择开启。

本系统气体预热循环装置采用了双极预热，即先通过三段式预热装置循环出口的高温气体对入口气体进行预热，然后再使用加热系统将其加热至使用温度后通过风机吹入气体循环装置，有效利用了热散失，提高了热效率。

本实用新型可针对定向凝固高温合金和单晶高温合金成型过程中特殊的温度梯度要求，在成型缸内形成一个自上而下的温度梯度，同时通过缸体内基板底部的冷却循环装置将热量导出，保证热流的方向稳定自上而下，避免了激光加工中激光束带来的余热使得成型缸内热流紊乱的现象。由于温度梯度在成型缸中分布，如果加热负荷都分布在成型缸中，加热过程中的巨大负荷对于温度控制是非常不利的，本实用新型的三段式加热系统将主要加热负荷转移至落粉斗内，并通过加热平台均匀粉末温度，最终实现成型缸内的温度梯度控制。

由于整个SLM工艺特点在于一次行程的时间短，所以要求短时间将落下的粉末迅速加热至使用温度，为了减少加热过程中温度分布不均以及稳定加热系统的目的，本实用新型的三段式加热系统通过落粉斗(预热段)—加热平台(均热段)—成型缸(加热段)达到该目的，其中，粉斗作为储粉装置，可在加工前长时间储存粉末，因此占据了主要的加热负荷，由于粉斗采用电磁加热，电磁感应本身会产生集肤效应造成温度分布不均，通过加热平台的均热段可起到均匀温度的目的，最后通过成型缸的加热段将粉末加热到使用温度。这样分布加热负荷可以有效减少单段加热的巨大负荷，从温度分布上减少整个加热系统的震荡(如单独采取独段或者双段加热，在SLM的工艺窗口中必然会带来巨大的温度集中，对于设备结构和均匀温度都是不利的，加之粉末导热系数并不高，采用多段加热更能体现出均匀温度的优势，当温度梯度或者工艺要求温度发生改变时，能迅速均匀分布增加的加热载荷，稳定系统)；同时，在控制系统上，采用三段式加热的设计，中间的均热段承接前后端的输入输出，可以有效减少控制系统中的震荡反馈，从控制系统上减少整个加热系统的震荡，如果采取单段加热，假设使用温度为200℃，系统在加热初始极大提升功率，实际功率远大于200℃时的稳定功率，导致使用温度短期内远超200℃，而后系统又会大幅降低功率，导致温度短期内又低于200℃，整个使用温度会在200℃附近的区间较大的震荡，最终稳定至200℃，而采取本实用新型的三段式加热时，温度会按照100℃—150℃—200℃稳定上升，最终会在200℃附近的区间小范围震荡，最终稳定至200℃，可以看出三段式加热系统对于温度的控制更为精准。

本实用新型契合了SLM工艺独特的加工工艺，结合了粉末在工作腔内每一个流程的特点，采用了一种全新的方式分段对粉末进行加热，减轻单一热源的负担、减少了加工过程中大量的热损失，通过均衡化加热过程保证了粉末的温度，可实现较高的粉末预热温度；同时亦可实现缸体内温度梯度的控制。本实用新型通过三段式加热系统中的均热段作为缓冲段，避免了二级反馈闭环中因环境温度或设置温度突变而出现的震荡反馈，对加热系统的稳定和提高热分配效率有较好的促进作用，本实用新型真正实现了SLM加热系统的智能化和模块化，可实现精准的高温粉末预热。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，包括均布置在工作腔(9)内的预热段、均热段和多级加热段，其中，所述预热段布置在工作腔内部的上方，用于储存粉末并对粉末进行预热；所述均热段位于预热段的下方，用于对从预热段落下的粉末进行加热，并将加热后的粉末送入多级加热段中，该加热后的粉末在多级加热段中进行选择性激光熔化成形；所述多级加热段位于均热段的旁侧，用于对经均热段加热的粉末继续进行加热，并对已激光成形的部分进行梯度加热。

2.如权利要求1所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述预热段包括第一落粉斗(1)和第二落粉斗(2)，该第一落粉斗(1)和第二落粉斗(2)设于工作腔内部的上方，且左右对称布置；所述第一落粉斗(1)和第二落粉斗(2)结构相同，均包括粉斗以及位于粉斗下方的落料插板(25)。

3.如权利要求2所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述粉斗的外部依次设置有隔热材料层(22)、感应线圈(21)和电磁屏蔽层(23)。

4.如权利要求2所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述均热段包括分设于第一落粉斗(1)和第二落粉斗(2)下方的第一工作平台(12)和第二工作平台(11)，所述第一工作平台(12)和第二工作平台(11)内部嵌装有加热棒。

5.如权利要求4所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述第一落粉斗(1)与第一工作平台(12)之间或第二落粉斗(2)与第二工作平台(11)之间设置有刮板(4)。

6.如权利要求5所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述第一工作平台(12)上还设置有第一落粉口(14)，第二工作平台(11)上还设置有第二落粉口(13)。

7.如权利要求1所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述多级加热段包括成形腔和基板(8)，所述成形腔设于工作腔内部的下方，所述基板(8)设置在成形腔内，该基板(8)在升降机构(15)的作用下上下运动，所述成形腔的两侧设置有多根自上而下依次排布的加热棒。

8.如权利要求7所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述多级加热段内还设置有冷却循环装置，所述冷却循环装置设于基板(8)的下方，该冷却循环装置为内置冷却流道的黄铜托板(31)，所述黄铜托板(31)与基板(8)之间设置有加热板(32)，所述黄铜托板(31)下方设置有隔热板(33)。

9.如权利要求7所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述工作腔(9)内部的上方设置有激光器(3)，该激光器(3)位于成形腔的正上方。

10.如权利要求7所述的三段式选择性激光熔化组合预热系统，其特征在于，所述工作腔(9)内还设置有气体预热循环装置(5)，该气体预热循环装置(5)包括气体热交换器(51)和风机(52)，所述风机(52)与所述气体热交换器(51)相连，所述气体热交换器(51)分别通过管道与工作腔(9)上的出气口(54)和进气口(55)相连，其中气体热交换器(51)与进气口(55)相连的管道沿均热段和多级加热段铺设。