TWI657914B - Multilayer manufacturing heating module and its application - Google Patents

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Abstract

本發明係為積層製造加熱模組及其應用，係以可控制之旋轉式反射罩聚集熱能，改變燈管的加熱方向以增大加熱面積及均勻度，再以連動控制的思維，將不同的加熱裝置互補照射的做法，使大面積加熱之熱量不均勻程度得到改善。

Description

積層製造加熱模組及其應用
本發明係與工業加熱技術有關，特別係指一種可均勻加熱大面積粉末或大面積物件之加熱裝置，即應用相關加熱裝置的積層製造設備。
積層製造設備的組成包括控制次系統、成形能量供給次系統、環控次系統、加工次系統等；其中控制次系統負責控制成形能量供給次系統、環控次系統、加工次系統等的動作；成形能量供給次系統的能量燒結模組設置於積層製造加工腔體中，負責供應雷射或電子束，以掃描粉末表面進行燒結或熔融成形；環控次系統負責輸送氣體與維持加工艙的流場等相關氣體環境；加工次系統具有一積層製造加工腔體，內設有粉末加工塊、加熱底板等組件。
傳統工業應用上，加熱的工作是使用加熱管，利用熱傳導對目標物加熱。另外也有使用鹵素燈管陣列，利用熱輻射對目標物加熱，當應用在積層製造設備或加熱爐中，但常見的問題是能量投射區的溫度較高，週邊的粉末溫度較低，溫度差會造成成形工件的結構不均與熱應力累積。為了對大面積粉末或目標物進行加熱，傳統作法係使用加熱底板，從下面 利用熱傳導對目標物加熱，但是隨著粉末層的厚度增加與工件成形，難以達到對於表層粉末的均勻加熱。而使用鹵素燈管陣列利用熱輻射對目標物加熱，可對表層粉末均勻加熱，但是加熱腔體中能用於鹵素燈管陣列安裝的位置受到很大限制，只能選擇小部分區域安裝，如此面臨無法均勻加熱表層粉末的問題。隨著粉末表面積或工件尺寸增大，如何均勻加熱的問題就更嚴重。
為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種積層製造加熱裝置及其應用，包括使用該積層製造加熱裝置之積層製造加熱模組與積層製造加工設備，使用具可轉動反射罩之加熱裝置用以照射不同區域，且可依預定控制模式，對特定區域的不同位置，進行掃描加熱。本發明用反射罩聚集加熱源的熱能，並可旋轉以改變燈管的加熱方向，以增大燈管的實際加熱面積，並可減少大面積加熱程序所需的燈管數量與耗能。本發明係以可控制之旋轉式反射罩聚集熱能，改變燈管的加熱方向以增大加熱面積及均勻度，再以連動控制的思維，將不同的加熱裝置互補照射的做法，使大面積加熱之熱量不均勻程度得到改善。
本發明係提供一種積層製造加熱裝置，係包括：加熱源；反射罩，係包覆該加熱源，該反射罩之外型係為弧形，朝向該加熱源之內表面係以可反射熱輻射之材質製成；反射 罩旋轉單元，係旋轉該反射罩；反射罩旋轉控制器，係控制該反射罩旋轉單元之旋轉動作；以及加熱源支架，係結合該加熱源、該反射罩、該反射罩旋轉單元與該反射罩旋轉控制器；其中該反射罩旋轉控制器控制該反射罩旋轉單元進行旋轉反射罩動作，使該積層製造加熱裝置可調整加熱方向用以照射不同區域，進行掃描加熱。
本發明之一實施例中，該反射罩之外型係為半圓。
本發明之一實施例中，該反射罩朝向該加熱源之內表面係具有可反射熱輻射之表面鍍層。
本發明之一實施例中，該加熱源係為加熱燈管，該加熱燈管係為石英鹵素燈管、紅外線(IR)燈管、碳纖維加熱管或其他類型之輻射發熱源。
本發明之一實施例中，該反射罩旋轉單元係為步進馬達。
本發明係提供一種積層製造加熱模組，係包括：多個積層製造加熱裝置；加熱模組框，係支撐對該些積層製造加熱裝置；其中該多個積層製造加熱裝置可調整加熱方向用以照射不同區域，且依預定控制模式，對特定區域的不同位置，進行互補掃描加熱。
本發明係提供一種積層製造加熱模組，係包括：二個積層製造加熱裝置；加熱模組框，係為一平面矩形框；其 中該積層製造加熱裝置係上下平行放置於該加熱模組框的兩對邊上，該二積層製造加熱裝置具有不同範圍的照射區域、且其照射區域互相有交集。
本發明係提供一種積層製造加熱模組，係包括：四個積層製造加熱裝置；二加熱模組框，係為一平面矩形框；其中該積層製造加熱裝置係兩個一組上下平行放置於該加熱模組框的頂邊與底邊，該二加熱模組框係以無設置該積層製造加熱裝置之一邊互相結合成為一L型框架，該四積層製造加熱裝置具有不同範圍的照射區域、且其照射區域互相有交集。其中該二加熱模組框上方可進一步結合一三角形頂框。
本發明係提供一種積層製造加熱模組，係包括：三個積層製造加熱裝置；二加熱模組框，該加熱模組框係為一平面矩形框，該二加熱模組框係互相結合成為一L型框架，該L型框架上方具有一三角形頂框；其中該三積層製造加熱裝置係分別設置於該二加熱模組框的底邊與該三角形頂框之斜邊，該三積層製造加熱裝置係連動控制，該三積層製造加熱裝置具有不同範圍的照射區域、且其照射區域互相有交集。
本發明係提供一種積層製造加工設備，係包括：加工腔體；加熱底板，係位於該加工腔體的底部；粉末加工塊，係位於該加熱底板上面，該粉末加工塊上方之空間係為積層製造燒結或熔融加工區域；多個積層製造加熱模組；其中該多個積層製造加熱模組係分別負責照射各自獨立的不同區域、 且其照射區域互相有交集，當該加工腔體的某區域進行燒結或熔融加工時，其他區域的該些積層製造加熱模組會加強互補掃描加熱各自的照射交集區域。
本發明之一實施例中，該積層製造加工設備係進一步包括控制次系統、成形能量供給次系統與環控次系統，該控制次系統係控制該成形能量供給次系統、該環控次系統與該些積層製造加熱模組的動作；該成形能量供給次系統係供應雷射或電子束，以掃描粉末表面進行燒結或熔融成形；該環控次系統負責輸送氣體與維持該積層製造加工設備內的流場氣體環境；其中該些積層製造加熱模組受該控制次系統連動控制，分別負責照射各自獨立的不同區域，當該加工腔體的某區域進行燒結或熔融加工時，其他區域的該些積層製造加熱模組會加強互補掃描加熱各自的照射交集區域。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
1‧‧‧積層製造加工次系統
10‧‧‧積層製造加工腔體
11‧‧‧粉末加工塊
12‧‧‧加熱底板
13‧‧‧能量燒結模組
14‧‧‧積層製造加熱模組
14A‧‧‧積層製造加熱模組第一實施例
14B‧‧‧積層製造加熱模組第二實施例
14C‧‧‧積層製造加熱模組第三實施例
141‧‧‧積層製造加熱裝置
1411‧‧‧加熱源支架
1412‧‧‧反射罩旋轉單元
1413‧‧‧反射罩旋轉控制器
1414‧‧‧反射罩
1415‧‧‧加熱源
142‧‧‧加熱模組框
圖1：習見加熱方式
圖2：加熱源模組
圖3A：加熱源模組工作狀態1示意圖
圖3B：加熱源模組工作狀態2示意圖
圖4：第一種加熱模組實施例
圖5：第二種加熱模組實施例
圖6：第二種加熱模組加熱分工示意
圖7：第二種加熱模組應用例
圖8：第三種加熱模組實施例
圖9：第三種加熱模組加熱分工示意
圖10：第三種加熱模組應用例
圖11：大面積加熱模組應用例
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
圖1揭示傳統積層製造加工設備應用加熱方式的示意圖，傳統上積層製造加工次系統1使用一個積層製造加工腔體10如圖1所示，加熱底板12放在積層製造加工腔體10的底部，粉末加工塊11放在加熱底板12上面，積層製造加工腔體10的上方中央設置能量燒結模組13，對下方的粉末加工塊11上的粉末，進行燒結或熔融成形作業。
傳統的加熱方式係應用四個或更多個加熱源1415(例如使用加熱燈管)，設置在積層製造加工腔體10的四邊壁上方，加熱源以固定照射方式加熱粉末加工塊11。這樣的加 熱方式的熱分佈是不均勻，且要很長的時間，加工艙內才能達到均溫，明顯是較無效率的方式。
本發明首先提出一積層製造加熱裝置141如圖2揭示，有一提供積層製造加熱裝置141的固定功能的加熱源支架1411及加熱源1415，在加熱源支架1411及加熱源1415之間，設置反射罩1414、反射罩旋轉單元1412及其反射罩旋轉控制器1413，藉反射罩旋轉單元1412提供旋轉反射罩1414之功能，反射罩旋轉控制器1413控制反射罩旋轉單元1412進行旋轉反射罩動作，使積層製造加熱裝置141可轉動用以照射不同區域，且可依預定控制模式，對特定區域的不同位置，進行掃描加熱。本發明之積層製造加熱裝置141中加熱源1415係可為石英鹵素燈管、紅外線(IR)燈管、碳纖維加熱管或其他類型之輻射發熱源。
圖3A顯示積層製造加熱裝置141的第一種工作狀態示意圖，此時反射罩1414向下照射，對下方區域進行掃描加熱。圖3B顯示積層製造加熱裝置141的第二種工作狀態示意圖，反射罩1414向順時針方向旋轉，此時反射罩1414向左下方照射，對左下方區域進行掃描加熱。藉本發明之積層製造加熱裝置141的旋轉反射罩，本發明具備依預定控制模式，控制加熱源照射加熱不同區域的功能。
本發明進一步提出一積層製造加熱模組14，包括積層製造加熱裝置141，及負責對積層製造加熱裝置141的支 撐的加熱模組框142。本發明設計具有一個或多個積層製造加熱裝置141以立體方式安裝在加熱模組框142，再依預定控制模式控制本發明之積層製造加熱裝置141的旋轉反射罩功能，可以提供更均勻照射，可以提供更強的加熱不同區域能力。圖4揭示本發明積層製造加熱模組第一實施例14A，包括積層製造加熱裝置141，及負責對積層製造加熱裝置141的支撐的加熱模組框142。本發明設計在該積層製造加熱模組具有二個積層製造加熱裝置，平行安裝在上下邊上，再依預定控制模式控制本發明之積層製造加熱裝置的旋轉功能，可以提供均勻照射加熱不同區域的能力，且這幾個不同的照射區域互相有交集，透過交集式的互補加熱掃描，達到加熱均勻的目標。
進一步擴充本發明的立體照射，圖5揭示本發明積層製造加熱模組第二實施例14B，係由兩組第一實施例14A組成，第二實施例14B具有四個積層製造加熱裝置141受積層製造加工設備的控制次系統連動控制，再依預定控制模式控制本發明之積層製造加熱裝置141的旋轉功能，可以提供均勻照射加熱不同區域的能力，且這四個不同的照射區域互相有交集如圖6揭示之加熱分工區域，圖7則揭示本發明積層製造加熱模組第二實施例14B，安裝在積層製造加工次系統1的示範例。
再進一步擴充本發明的立體照射，圖8揭示本發明積層製造加熱模組第三實施例14C，係由兩組第一實施例 14A的框組成，並增設一上方三角形的框，設置有三個積層製造加熱裝置141受控制次系統連動控制，其中二個積層製造加熱裝置141放置於兩個加熱模組框142的下邊，第三個積層製造加熱裝置141放置於上方三角形加熱模組框142的斜邊上，其中這三個積層製造加熱裝置141受積層製造加工設備的控制次系統連動控制，再依預定控制模式控制本發明之積層製造加熱裝置141的旋轉功能，可以提供均勻照射加熱不同區域的能力，且這三個不同的照射區域如圖9揭示具互補交集加熱分工，圖10則揭示本發明積層製造加熱模組第三實施例14C，安裝在積層製造加工次系統1的示範例。
前述之本發明不同型態的積層製造加熱模組實施例可混合彈性安裝，以提供均勻照射加熱不同區域的能力，並可互相照應，可使積層製造加工設備更能達成模組化的設計。
本發明可再進一步擴充成積層製造加工次系統1的模組化，係一種積層製造加工設備，包括積層製造加工腔體10、粉末加工塊11、加熱底板12、能量燒結模組13、及四個或多個加熱模組14等組件：其中積層製造加工腔體10，係為積層製造粉末加工作業的區域；粉末加工塊11，係放在加熱底板12上面，進行積層製造加工的燒結或熔融成形作業的區域；加熱底板12，位於積層製造加工腔體10的最底部，負責對粉末加工塊11上的粉末，進行加熱的功能，係提高粉末溫度的主要熱能 來源；及複數個不同實施例的積層製造加熱模組14；這些複數個積層製造加熱模組的控制器係受控制次系統連動控制，分別負責照射各自負責的區域，當能量燒結模組13對其中一個區域進行燒結或熔融加工時，負責其他區域的積層製造加熱裝置141，會加強掃描加熱加工區域的週邊區域。
本發明之積層製造加工設備實施例如圖11所揭示。目前大型積層製造加工設備中的大型積層製造加工次系統係由多個小型積層製造加工次系統1所組成。習用的加熱源1415的對粉末均勻加溫的能力較差，當擴充至大型積層製造加工設備時，這種問題更明顯，製造成品常常會出現很大的品質問題。本發明之以多組可旋轉積層製造加熱裝置141，用控制器連動控制，可分別負責照射各自獨立的不同區域，當能量燒結模組對其中一個區域進行燒結或熔融加工時，負責週邊區域的加熱源模組，會加強掃描加熱加工區域的週邊邊界。
本發明積層製造加熱裝置141及積層製造加熱模組14，其排列配置方向可依使用者需求進行變化，並不限於本案實施例所揭露之態樣。於實際應用中，熟知本案技術領域者可依需求輕易改變數量及排列配置方向，並不限於本實施例揭露之態樣。
藉此，本發明係提供一種積層製造加熱裝置及其積層製造加熱模組、積層製造加工設備，係以旋轉式反射罩改變燈管的加熱方向，以增大燈管的實際加熱面積，並可減少大 面積加熱程序所需的燈管數量與能量消耗。本發明主要用於積層製造技術中，需對大面積粉料表層或大面積、大體積工件進行加熱的場合。然並不限於此應用領域，其他如半導體製程等需要大面積加熱的工業、製造業加熱程序，均可使用本發明之積層製造加熱裝置及其積層製造加熱模組、積層製造加工設備。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (7)

  1. 一種積層製造加熱模組，係包括：多個積層製造加熱裝置，該積層製造加熱裝置包括：加熱源，係為加熱燈管；反射罩，係包覆該加熱源，該反射罩之外型係為弧形，朝向該加熱源之內表面係以可反射熱輻射之材質製成；反射罩旋轉單元，係旋轉該反射罩；反射罩旋轉控制器，係控制該反射罩旋轉單元之旋轉動作；以及加熱源支架，係結合該加熱源、該反射罩、該反射罩旋轉單元與該反射罩旋轉控制器；加熱模組框，係固定與支撐該些積層製造加熱裝置；其中該多個積層製造加熱裝置可調整加熱方向用以照射不同區域，且依預定控制模式，對特定區域的不同位置，進行互補掃描加熱。
  2. 如請求項1所述之積層製造加熱模組，其中該積層製造加熱模組具有二個積層製造加熱裝置，該加熱模組框係為一平面矩形框，該積層製造加熱裝置係上下平行放置於該加熱模組框的兩對邊上。
  3. 如請求項1所述之積層製造加熱模組，其中該積層製造加熱模組具有四個積層製造加熱裝置與二加熱模組框，該加熱模組框係為一平面矩形框，該積層製造加熱裝置係兩個一組上下平行放置於該加熱模組框的頂邊與底邊，該二加熱模組框係以無設置該積層製造加熱裝置之一邊互相結合成為一L型框架，該四積層製造加熱裝置具有不同範圍的照射區域、且其照射區域互相有交集。
  4. 如請求項3所述之積層製造加熱模組，其中該二加熱模組框上方進一步結合一三角形頂框。
  5. 如請求項1所述之積層製造加熱模組，其中該積層製造加熱模組具有三個積層製造加熱裝置與二加熱模組框，該加熱模組框係為一平面矩形框，該二加熱模組框係互相結合成為一L型框架，該L型框架上方具有一三角形頂框，該三積層製造加熱裝置係分別設置於該二加熱模組框的底邊與該三角形頂框之斜邊，該三積層製造加熱裝置係連動控制，該三積層製造加熱裝置具有不同範圍的照射區域、且其照射區域互相有交集。
  6. 一種積層製造加工設備，係包括：加工腔體；加熱底板，係位於該加工腔體的底部；粉末加工塊，係位於該加熱底板上面，該粉末加工塊上方之空間係為積層製造燒結或熔融加工區域；多個積層製造加熱模組，該積層製造加熱模組係包括：多個積層製造加熱裝置，該積層製造加熱裝置包括：加熱源，係為加熱燈管；反射罩，係包覆該加熱源，該反射罩之外型係為弧形，朝向該加熱源之內表面係以可反射熱輻射之材質製成；反射罩旋轉單元，係旋轉該反射罩；反射罩旋轉控制器，係控制該反射罩旋轉單元之旋轉動作；以及加熱源支架，係結合該加熱源、該反射罩、該反射罩旋轉單元與該反射罩旋轉控制器；加熱模組框，係固定與支撐該些積層製造加熱裝置；其中該多個積層製造加熱模組係分別負責照射各自獨立的不同區域、且其照射區域互相有交集，當該加工腔體的某區域進行燒結或熔融加工時，其他區域的該些積層製造加熱模組會加強互補掃描加熱各自的照射交集區域。
  7. 如請求項6所述之積層製造加工設備，進一步包括控制次系統、成形能量供給次系統與環控次系統，該控制次系統係控制該成形能量供給次系統、該環控次系統與該些積層製造加熱模組的動作；該成形能量供給次系統係供應雷射或電子束，以掃描粉末表面進行燒結或熔融成形；該環控次系統負責輸送氣體與維持該積層製造加工設備內的流場氣體環境。
TW106140904A 2017-11-24 2017-11-24 Multilayer manufacturing heating module and its application TWI657914B (zh)

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