CN103990798A - 一种用于激光增材制造的高温粉床*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光增材制造的高温粉床***，包括工作腔、激光器、工作台、电磁加热层、隔热组件和层流匀温组件；工作台安装在工作腔内；电磁加热层主要由电磁感应板和线圈组成；电磁加热层放置在工作台下表面与其贴合在一起，使热量能够直接传导到工作台上；工作台内设置有冷却流道；隔热组件包围在电磁加热层底面和侧面，以实现电磁加热层的隔热与保温；层流匀温组件布置在工作腔外部，用于实现工作腔内气流循环，使工作台实现温度分布均匀。本发明可根据零件尺寸将工作台面加热到很高温度，并进行保温，还兼温度均匀化及加工完毕后的冷却功能；本发明可以达到保护***、提高能量利用率和加热效率的目的。

Description

一种用于激光增材制造的高温粉床***

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种实现高温粉床的基板传导分区加热与保温，温度冷却，循环气流温度场均匀分布的***。 

技术背景

增材制造(Additive Manufacture，AM)是一种应用广泛的快速成形技术，先由CAD三维造型软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息，然后逐层扫描，逐层叠加，最终形成了所需要的原型或零件。 

在增材制造技术成形金属及陶瓷零件的过程中，由于粉末经历热源的熔化或者是部分熔化，产生较大的温度梯度，工作台面温度分布不均匀，会使零件内部产生热应力，导致零件产生裂纹或发生翘曲变形，严重影响了零件的质量；并且对于熔点较高的金属及陶瓷材料，加热***工作台面温度较低，材料成形困难甚至不能成形。降低成形区域的温度梯度，保证工作台面温度均匀分布以及增加工作台面加热温度是提高零件质量的几个关键因素。查相关资料，湖南美纳科技有限公司发明一种增材制造设备的加热装置，采用多区加热方法(公开号为：CN102335741A)。将工作台面划分为多个区域，在每个区域安装一组石英加热管和反光板，该种加热方式可提高工作台面温度分布均匀性，工作区域加热温度相对较低(几百摄氏度)，适用非金属，不适用于成形需要高温金属及陶瓷材料。西北工业大学发明了一种激光快速成形表面气氛加热炉(公开号为CN102322738A)。加热板位于炉体内，并置于试样垫板和硅碳棒发热体之间。热电偶***加热板内。炉子可以达到很高温度(1600度)，熔化高熔点陶瓷材料。 但是，整体工作空间在炉体内，加热完毕后没有冷却装置，设备构件处于高温下从而降低了其寿命。以上两个发明中用于增材制造领域粉床预热方式使用的是传统电阻丝加热，电阻丝加热的原理是利用电流通过电阻丝产生热量，该热量以热传递的方式传递到需要加热的物体上，在此热传递的过程中已损失一部分的热能量，同时又有另外一部分的热能量散发到空气中，这种方式热能量的利用率非常低。电磁加热可以一定程度的提高能量利用效率，普通家用的电磁炉由于选材及电源控制***的原因导致铁芯发热功率相对较小(2200瓦以内)，加热温度最高只能达到300度左右，不满足增材制造领域高温度预热的要求。如何增加预热温度从而降低成形区域的温度梯度并且提高能量利用效率，以及解决预热温度分布不均及加热装置冷却的问题，是增材制造技术长期面临的重要难题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于激光增材制造的高温粉床***，该***可以将工作台面快速高效地加热到高温，并进行保温，同时还兼温度均匀化及加工完毕后的冷却功能。 

本发明提供的一种用于激光增材制造的高温粉床***，其特征在于，该***包括工作腔、工作台、电磁加热层、隔热组件和层流匀温组件； 

工作台安装在工作腔内；电磁加热层主要由一块电磁感应板和围绕在电磁感应板外的电磁线圈组成；所述电磁线圈连接有带控温功能的电磁加热电源，电磁加热电源能够改变输出电压频率以调节电磁加热温度； 

电磁感应板放置在工作台下表面与其贴合在一起，使热量能够直接传导到工作台上；该工作台内还设置有冷却流道； 

所述隔热组件包围在电磁加热层底面和侧面，以实现电磁加热板的隔热与保温； 

所述层流匀温组件布置在工作腔外部，用于实现工作腔内气流循环，使工作台实现温度分布均匀。 

相对于增材制造领域粉床预热使用的传统电阻丝加热，电阻丝加热的热能量利用率太低，不仅浪费能源，而且还减少单位时间内的产量，同时还存在易损坏甚至漏电等缺点。本发明采用电磁加热，电磁加热将50HZ的交流电经整流，滤波，逆变为不同频率的磁场作用于加热金属上，从而使加热金属上产生涡流，加热体自身快速发热。因电磁线圈本身不发热，所以没有额外损耗。电磁线圈的磁力线均匀分布在加热金属上，磁场作用于需要加热的物体表面使得内部产生涡流电场，使得要加热物体自身产生热量。为了保证加热过程中热量的保存，采用隔热结构去防止热量的过快散失，隔热组件在电磁感应板的下面和侧面可以分别安装隔热结构。热量聚集于加热体内部，电磁线圈表面温度略高于室温，可以安全触摸，安全可靠。整个隔热结构加工简单、便于安装拆卸、成本低、清洁。热量几乎不会散发到空气中，能量利用率非常高，在同等条件下，比电阻丝加热节电30-70％；平均预热时间比电阻丝加热方式缩短60％以上。 

***设置有层流匀温组件，低速平稳充入气体，低速平稳抽出气体，整个体系构成气流循环，带动气氛流动，使工作台面温度分布均匀。加工完毕后工作台内的冷却流道可以很好的将热量带走。***的这种结构设计可以使工作台面的温度得到有效的调整与控制，成形材料受热均匀，保证了成形零件的优异质量，并且可以在较短时间内生产出形状结构复杂的零件。 

电磁加热层工作完毕后，腔体内部的温度较高，不利于人为操作拆卸加工好的零件并继续加工下一个新零件，同时始终较高的腔内温度不利于保护设备内有关元件，所以设计了冷却流道，其核心部分是由经过一定的机械加工后内置冷却管道在工作台面中。由于上面所述的保温隔热结构使得加热板的热量大部分都是直接传到工作台面上面，而且由于加工完毕后，工作台面都覆盖了很厚的粉末层，这就使热量更加难以从工作台面散发。 所以如果能够带走工作台面及上面气氛的热量，就解决了***的冷却问题。这种将水道直接设计在工作台面中，在加工完毕后，可以直接将工作台面上的热量从下部随着冷却水带出，整个冷却结构可配有水流量计，用于控制水流的速度，可以很快的将工作台面温度降低。 

总之，电磁加热层作为提供增材制造过程中的基板预热的热源，传热损失小，最高温度可以使工作台面可以达到1800度，可以用于一些对于预热温度较高的金属和部分陶瓷。 

附图说明

图1为本发明***的一种具体实施方式的结构示意图。 

图2为本发明实例提供的隔热组件的结构示意图。 

图3为电磁加热层的一种具体实施方式的结构示意图。 

图4为本发明实例的层流匀温组件的结构示意图(设备俯视图)。 

图中，1-激光器，2-激光束，3-工作台，4-支撑层，5-中间保温层，6-隔热层，7-下顶板，8-滚珠丝杠，9-电磁感应板，10-工作腔，11-气体流量计，12-惰性气体源，13-进气管路，14-回路管道，15-泵，16-水路连接头，17-内流道，18-水流量计，19-水泵，20-水路转接头，21-电磁线圈22-抽气管路，23-电磁加热电源。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明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，本发明***包括工作腔10、激光器1、工作台3、电磁加热层、隔热组件、层流匀温组件和冷却流道。 

工作台3可以采用升降式，安装在工作腔10内，具体可以通过其下顶 板7和滚珠丝杠8连接，起到控制整个工作台3的升降。电磁加热层是主要的热源，放置在工作台3下表面与其紧紧贴合在一起。这样热量能够直接传导到工作台3上。 

电磁加热层主要由一块电磁感应板9和电磁线圈21组成。 

在实际工作过程中，工作腔10需要被加热到很高的温度，为了保护增材制造设备不受高温破坏，需要在工作腔10内进行隔热与保温处理，具体由所述隔热组件来完成，如图2所示。隔热组件从侧面和底面将电磁感应板9包围住，隔热组件主要包括三层，由内至外依次为隔热层6、中间保温层5和支撑层4。 

隔热层6材料用的是硅酸铝板。普通型硅酸铝板，是以焦宝石为主要原料，具有优良的抗热震性及热稳定性，材料耐压强度高并具良好韧性优良的机加工性能，可以很好的将加热辐射管产生的温度保存下来。 

中间保温层5材料用玻璃棉，玻璃棉毡是加温固化成型的毡状材料。其容重比板材轻，有良好的回弹性，价格便宜，施工方便。玻璃棉毡是为适应大面积敷设需要而制成的卷材，除保持了保温隔热的特点外，还具有十分优异的减震、吸声特性，尤其对中低频和各种震动噪声均有良好的吸收效果，有利于减少噪声污染，改善工作环境。有铝箔贴面的玻璃棉毡，还具有较强的抗热辐射能力，是高温车间、控制室、机房内壁、隔间及平顶极好的内衬材料。相对于石棉，玻璃棉还具有无毒等优点。中间保温层的作用就是对加热***进行保温，玻璃棉质地柔软、纤维微细，施工中不会刺激皮肤，可以很好的达到加工和保温的效果。 

最外层是支撑层4，这层材料优选采用铝板压板。因为电磁加热时候铝板导电导磁性较差，所以在外加磁场作用下不会产生很多热量(虽然通过电源控制，磁场线是密布电磁感应板的，但是外面用不易导磁且可以起到支撑作用物质显得更加合理和缜密)。因为中间保温层玻璃棉是偏软的材料，需要最里层和最外层相互挤压固定。当然此三层还可以用其他的隔热 材料，在实施过程中，三层板材都方便拆卸，可以满足电磁感应板内部的走线。这样隔热组件可以防止热量往侧面和下面传导，达到了单向导热的目的。以上所述材料为本发明较佳的实施例，并不仅仅局限于这几种材料。 

电磁感应板9和隔热组件的***绕有电磁线圈21，电磁线圈21也可以直接绕在电磁感应板9上，其外再利用隔热组件包围。电磁线圈21连接电磁加热电源23，电源将交流电压转换成直流电压，再经过控制器将直流电压逆变成高频交流电压，高速变化的电流通过线圈21会产生高速变化的磁场当磁力线里的磁场通过电磁感应板9会产生无数个小涡流。加热电源23中有控温模块，可以根据用户需求通过改变输出电压频率调节电磁加热温度。电磁感应板9可以选用常用导电导磁的绝大多数金属材料，温度可保证在700度左右，需要加热到1800度左右也可以采用导电性和导热性较好非金属材料石墨。 

所述层流匀温组件设置在工作腔10外部，用于实现气流循环，使工作台3实现温度分布均匀。本实例中，层流匀温组件包括进气管路13、抽气管路22、惰性气体源12和泵15。如图3所示，进气管路13与抽气管路24均为“树枝状”结构的管道，其中，进气管路13的总输入端与惰性气体源12相连，进气管路13的输出端设有多个输出口，均布置在工作腔10一侧，并使惰性气体均匀引入工作台3的上表面。抽气管路22的输入端也设有多个输入口，且布置于工作腔10的另一侧，设备两边的壁面开设对接口与进气管路的多个输入端和抽气管路的多个输出端相连接。抽气管路22的总输出端与泵15相连，泵15通过回路管道14与惰性气体源12连接，实现闭路循环。回路管道上可安装气体流量计11。 

进气管路13中输入常温下的惰性气体，气体沿着进气管路13流通，行进一段距离之后，均匀分为两股气流在进气管内行进，最后均匀分为四股气流平稳缓慢的引入到工作台3的上表面；之后，常温气体被加热到接近工作腔温度的热气体，因此，将气体引入到工作台3上表面时不会引起 较大的温度变化。在工作台3的另一侧抽气管路22也是以“树枝状”的形式分布。工作台3的气体分为四股气流缓慢平稳的被抽进抽气管路24四个输入口中，气体在抽气管路22内行进一段距离之后，由四股气流汇集成两股气流，两股气流按照相同的方向继续在循环管道内行进，最后汇集为一股气流由泵15抽出，泵15与抽气管路22的总输出端相连接，抽出的惰性气体通过回路管道14闭路循环返回到进气管路13中。 

当然，进气管路13、抽气管路22的具体结构并不局限于图3中的1-2-4分支结构，1-3-6或者其他能实现工作台3温度分布均匀的结构均可使用。 

这种层流匀温结构可以使整个体系构成气流循环，带动工作台上表面气体流动，使工作台3温度分布均匀，保证加工零件良好的成形质量；同时还可以减少降低惰性气体的消耗量，节省成本；避免将热气体排放到大气中，有效的降低的能源的损失，提高了能源的利用率。 

工作台3内设置有冷却流道，该冷却流道由内流道17、水路连接头16连接而成，该冷却流道两端均连接有水路转接头20，其中一个水路转接头20作为进水口，与水流量计11和水泵12连接，另一个水路转接头20作为出水口。如图4所示，内流道17是在“工”字型工作台3的侧面几条直接钻通孔的直线流道，在每条流道两端部攻有螺纹线。这样可以用一些水路连接头16连接板中不同的直线流道，最终形成一条连续的流道。然后水路转接头20在连接最端部的两个直接流道口，同时在“工”字型工作台3底面打孔，这样可以保证水路转接头20可以穿过此孔而不会与设备其他地方发生干涉。上述水路转接头20和水路连接头16都有相应的密封胶进行密封，保证了***的安全和稳定。引出的两个水路转接头再接入设备下部的水管，一个为进水口，另一个为出水口。进水口的外接管路上有水流量计18和水泵19，可以始终保持低温水经过整个管路***。 

在实际使用时，激光器1可以安装在工作腔10内部或外部，激光束2对工作台3台面上的粉末进行工作。等激光增材制造完毕后，关闭激光器1， 打开水泵12开关，接好外部冷却水，整个冷却***启动，冷却水被水泵12抽入到工作台3内部的流道中，可以很快将工作台3聚集的热量带走，最后带走热量的水通过出口流出并收集。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (5)

1.一种用于激光增材制造的高温粉床***，其特征在于，该***包括工作腔(10)、工作台(3)、电磁加热层、隔热组件和层流匀温组件；

工作台(3)安装在工作腔(10)内；电磁加热层主要由一块电磁感应板(9)和围绕在电磁感应板(9)外的电磁线圈组成；所述电磁线圈(21)连接有带控温功能的电磁加热电源(23)，电磁加热电源(23)能够改变输出电压频率以调节电磁加热温度；

电磁感应板(9)放置在工作台(3)下表面与其贴合在一起，使热量能够直接传导到工作台(3)上；该工作台(3)内还设置有冷却流道；

所述隔热组件包围在电磁加热层底面和侧面，以实现电磁加热板(9)的隔热与保温；

所述层流匀温组件布置在工作腔(10)外部，用于实现工作腔(10)内气流循环，使工作台(3)实现温度分布均匀。

2.根据权利要求1所述的高温粉床***，其特征在于，所述隔热组件包括三层，由内至外依次为隔热层(6)、中间保温层(5)和支撑层(4)。

3.根据权利要求2所述的高温粉床***，其特征在于，所述隔热层(6)为硅酸铝板；中间保温层(5)材料用玻璃棉，支撑层(4)为铝板。

4.根据权利要求1、2或3所述的高温粉床***，其特征在于，所述层流匀温组件包括进气管路(13)、抽气管路(22)、惰性气体源(12)和泵(15)，进气管路(13)与抽气管路(24)均为“树枝状”结构的管道，其中，进气管路(13)的总输入端与惰性气体源(12)相连，进气管路(13)的输出端设有多个输出口，均布置在工作台(3)的一侧，并使惰性气体均匀引入工作台(3)的上表面；抽气管路(22)的输入端也设有多个输入口，且布置于工作台(3)的另一侧，设备两边的壁面开设对接口与进气管路的多个输入端和抽气管路的多个输出端相连接；抽气管路(22)的总输出端与泵(15)相连，泵(15)通过回路管道(14)与惰性气体源(12)连接，实现闭路循环。

5.根据权利要求1、2或3所述的高温粉床***，其特征在于，所述冷却流道由内流道(17)、水路连接头(16)连接而成，该冷却流道两端均连接有水路转接头(20)，其中一个水路转接头(20)作为进水口，与水流量计(11)和水泵(12)连接，另一个水路转接头(20)作为出水口。