CN106799493A - 一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进快速制造技术领域，并公开了一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，包括储粉漏斗、真空泵、保护气储气罐、电源装置和中央控制器，所述真空泵和所述保护气储气罐分别通过第一连接管道和第二连接管道与所述储粉漏斗连接；所述储粉漏斗的底部出口处设置有第三电磁阀；所述储粉漏斗的外侧壁包裹有隔热层；围绕所述储粉漏斗的外壁设置有感应线圈；所述储粉漏斗上设置有用于检测储粉漏斗内金属粉末温度的温度传感器和用于检测储粉漏斗内压力的压力传感器。本发明结构简单，操作方便，在实现金属粉末预热的同时能提高金属粉末的利用率。

Description

一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置及其应用

技术领域

本发明属于先进快速制造技术领域，更具体地，涉及一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置及其应用。

背景技术

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术是集计算机辅助设计、数控技术、增材制造于一体的先进制造技术。SLM利用高能激光直接熔化金属粉末来逐层成形制件，所以特别适合加工形状复杂的零件，尤其是具有复杂内腔结构和具有个性化需求的零件。

然而，在SLM成形过程中，金属粉末材料在高能激光的作用下瞬间熔化、冷却和凝固，其冷却速度可达10³-10⁵K/s，使制件内部产生较大的残余应力，进而造成孔隙、裂纹等缺陷，降低成形件的质量。目前，消除SLM成形件残余应力的方法主要有基板预热和成形后退火。其中，对于基板预热，当成形件达到一定的厚度时，成形件的上部不能得到充分预热，影响预热效果。而对于成形后退火处理，尽管这种方法对于消除残余应力效果好，但对成形件的尺寸影响较大。

已有研究表明，对金属粉末材料进行预热也可有效降低或消除制件的内应力。对金属粉末进行预热，一是可起到烘干的作用，提高金属粉末的流动性；二是增强了金属材料对激光的吸收率，提高了激光利用率；三是缩小了金属粉末材料加工前后的温差，降低了热应力；四是已成形件被经过预热的金属粉末包裹，在一定程度上减缓了冷却速度，降低了残余应力，减小了裂纹孔隙的形成倾向。

专利CN103100713A，CN104289711A和CN105014071A等提出了不同的粉材预热方法。其中，CN104289711A是通过安装于工作腔内的预热***以辐射照射的方式预热粉材，这种方法不能使粉缸下部的金属粉末得到充分预热，而且温度在粉缸上部金属粉末中的分布也是不均匀的，预热效果不理想。CN103100713A和CN105014071A都是在粉缸周向设置加热装置，对粉材进行预热。然而，这种方法缺点在于，一方面，当预热温度较高时，金属粉末中的有害气体如水蒸气会污染整个成形腔中的保护气氛；另一方面，在粉缸周向设置加热装置，使得整个工作缸体体积冗大，内部结构复杂维修困难。此外，这种基于粉缸的下送粉方式在成形零件时对金属粉末的利用率低，所以每次成形前要准备比加工件体积多多倍的金属粉末。而且，在成形过程中对金属粉末进行补充时，还需打开舱门，过程较为繁杂，成形件的质量也会受到影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置及其应用，采用储粉漏斗来输送金属粉末可以解决现有技术中金属粉末利用率低的问题，同时其可对漏斗中的金属粉末进行可控加热，使金属粉末受热均匀，降低SLM成形件中的残余应力，避免成形过程中由于较大残余应力而出现的变形、翘曲和无法加工等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，其特征在于，包括储粉漏斗、真空泵、保护气储气罐、电源装置和中央控制器，其中，

所述真空泵和所述保护气储气罐分别通过第一连接管道和第二连接管道与所述储粉漏斗连接，并且所述第一连接管道和第二连接管道上分别设置有第一电磁阀和第二电磁阀；

所述储粉漏斗的底部出口处设置有第三电磁阀，以用于控制所述储粉漏斗的出粉量；

所述储粉漏斗的外侧壁包裹有隔热层，以用于保持所述储粉漏斗内金属粉末的温度；

围绕所述储粉漏斗的外壁设置有感应线圈，所述感应线圈与所述电源装置连接；

所述储粉漏斗上设置有用于检测储粉漏斗内金属粉末温度的温度传感器和用于检测储粉漏斗内压力的压力传感器；

所述中央控制器分别与所述温度传感器、电源装置、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、温度传感器和压力传感器连接。

优选地，所述储粉漏斗与盖板之间设置有密封垫圈。

优选地，所述电源装置为高频电源或中频电源。

优选地，所述储粉漏斗的顶部设置有盖板。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的粉末预热装置预热及输送金属粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)开启激光选区熔化成形设备，启动中央控制器；

(b)通过中央控制器对第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀发出闭合信号使它们均关闭，然后向储粉漏斗内添加成形所需金属粉末，并将金属粉末密封在所述储粉漏斗内；

(c)中央控制器打开第一电磁阀，启动真空泵对储粉漏斗抽真空，通过压力传感器得到储粉漏斗内的真空值，当真空值达到-102kPa～-95kPa Pa时关闭第一电磁阀，然后开启第二电磁阀并启动保护气储气罐，向储粉漏斗内充保护气，当压力传感器检测到储粉漏斗内压力值达到达到标准大气压时，关闭第二电磁阀和保护气储气罐；

(d)中央控制器开启电源装置，电源装置收到启动信号后产生电流，电流流经感应线圈，感应线圈在电流作用下产生交变磁场，储粉漏斗内的金属粉末在交变磁场的作用下产生交变电流，金属粉末内产生磁场，涡流损耗以及磁滞损耗使金属粉末发热，以此方式，对金属粉末进行加热；

(e)温度传感器对储粉漏斗内金属粉末的温度进行实时监测，并反馈给中央控制器，中央控制器根据接收的温度信息来调节电源装置产生的电流的大小，以实现储粉漏斗内金属粉末温度的恒定；

(f)当储粉漏斗内金属粉末温度达到设定要求后，中央控制器控制第三电磁阀的开闭，以实现储粉漏斗内金属粉末的输送。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)采用储粉漏斗送粉，可按每次铺粉所需量进行输送，大大减少了整个激光选区熔化工艺过程中金属粉末的使用量，使激光选区熔化工艺过程更加节约金属粉末，另外，当储粉漏斗中金属粉末不足需要进行补充时，可在避免打开成形舱的情况下直接向储粉漏斗中添加金属粉末，操作方便，成形过程也不易受到影响。

(2)可在成形前对金属粉末进行预热，一是可起到烘干的作用，成形与烘粉可同时进行，简化了成形前需烘干金属粉末这一步骤，节约了时间；二是增强了金属材料对激光的吸收率，提高了激光利用率；三是缩小了金属粉末材料加工前后的温差，降低了热应力；四是经过预热的金属粉末将成形件包裹，在一定程度上减缓了成形件的冷却速度，降低了残余应力，减小了裂纹孔隙的形成倾向。

(3)该储粉漏斗的真空泵和保护气储气罐相连接，在烘干/预热过程中能够对易氧化金属粉末进行保护，避免氧化的发生，而且金属粉末在烘干/预热过程中产生的有害气体如水蒸气等不会对成形腔中的保护气氛造成影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。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。

参照图1，一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，包括储粉漏斗1、真空泵6、保护气储气罐7、电源装置10和中央控制器11，其中，

所述真空泵6和所述保护气储气罐7分别通过第一连接管道和第二连接管道与所述储粉漏斗1连接，并且所述第一连接管道和第二连接管道上分别设置有第一电磁阀4和第二电磁阀5；

所述储粉漏斗1的底部出口处设置有第三电磁阀8，以用于控制所述储粉漏斗1的出粉量；

所述储粉漏斗1的外侧壁包裹有隔热层3，以用于保持所述储粉漏斗1内金属粉末的温度；

围绕所述储粉漏斗1的外壁设置有感应线圈9，所述感应线圈9与所述电源装置10连接；

所述储粉漏斗1上设置有用于检测储粉漏斗1内金属粉末温度的温度传感器12和用于检测储粉漏斗1内压力的压力传感器13；

所述中央控制器11分别与所述温度传感器12、电源装置10、第一电磁阀4、第二电磁阀5、第三电磁阀8、温度传感器12和压力传感器13连接。

进一步，所述储粉漏斗1的顶部设置有盖板2，所述储粉漏斗1与盖板2之间设置有密封垫圈，以便于揭开盖板2后向所述储粉漏斗1内放入金属粉末。

进一步，所述电源装置10为高频电源或中频电源。

所诉的基于激光选区熔化上送粉方式的粉末预热装置，其工作过程包括如下步骤：

(a)开启激光选区熔化成形设备，启动中央控制器11；

(b)通过中央控制器11对三个电磁阀发出闭合信号使其关闭，打开储粉漏斗1盖板2，向储粉漏斗1内添加成形所需金属粉末，之后关上盖板2，此时整个储粉漏斗1处于密封状态，金属粉末被密封在储粉漏斗1内；

(c)通过中央控制器11打开第一电磁阀4，启动真空泵6对储粉漏斗1抽真空，通过压力传感器13得到储粉漏斗1内的压力值，当压力达到-102kPa～-95kPa时，关闭第一电磁阀4，开启第二电磁阀5，启动保护气储气罐7，对储粉漏斗1充保护气，当储粉漏斗1内的压力达到标准大气压时，调节第二电磁阀5和保护气储气罐7，减小送入储气漏斗内的气流量直至关闭第二电磁阀5和保护气储气罐7；

(d)通过中央控制器11开启电源装置10，电源装置10收到启动信号后产生高频或中频电流，电流流经感应线圈9，感应线圈9在电流作用下产生交变磁场，金属粉末在交变磁场的作用下产生交变电流(涡流)，金属粉末形成的导体形成磁场，涡流损耗以及磁滞损耗使金属粉末发热，以此方式，对金属粉末进行加热；

(e)温度传感器12能够对储粉内金属粉末的温度进行实时监测，并反馈给中央控制器11，中央控制器11根据接收的温度信息来调节电源装置10产生的电流大小，实现储粉漏斗1内金属粉末温度的恒定；

(f)当储粉漏斗1内金属粉末温度达到要求后，通过中央控制器11控制储粉漏斗11落粉管路中第三电磁阀8的闭合，实现金属粉末输送量的控制。

另外，成形过程中当金属粉末量不足需补充金属粉末时，需先暂停加工，关闭第三电磁阀8，重复上述步骤(b)和(c)即可。

综上所述，本发明与现有技术相比，其结构简单，操作方便，在实现金属粉末预热的同时能提高金属粉末的利用率，故本发明有效克服了现有技术的种种缺点而具有较高的产业利用价值。

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

Claims (5)

1.一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，其特征在于，包括储粉漏斗、真空泵、保护气储气罐、电源装置和中央控制器，其中，

所述真空泵和所述保护气储气罐分别通过第一连接管道和第二连接管道与所述储粉漏斗连接，并且所述第一连接管道和第二连接管道上分别设置有第一电磁阀和第二电磁阀；

所述储粉漏斗的底部出口处设置有第三电磁阀，以用于控制所述储粉漏斗的出粉量；

所述储粉漏斗的外侧壁包裹有隔热层，以用于保持所述储粉漏斗内金属粉末的温度；

围绕所述储粉漏斗的外壁设置有感应线圈，所述感应线圈与所述电源装置连接；

所述储粉漏斗上设置有用于检测储粉漏斗内金属粉末温度的温度传感器和用于检测储粉漏斗内压力的压力传感器；

所述中央控制器分别与所述温度传感器、电源装置、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、温度传感器和压力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，其特征在于，所述储粉漏斗与盖板之间设置有密封垫圈。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，其特征在于，所述电源装置为高频电源或中频电源。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光选区熔化送粉的粉末预热装置，其特征在于，所述储粉漏斗的顶部设置有盖板。

5.权利要求1～4中任一权利要求所述的粉末预热装置预热及输送金属粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)开启激光选区熔化成形设备，启动中央控制器；

(b)通过中央控制器对第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀发出闭合信号使它们均关闭，然后向储粉漏斗内添加成形所需金属粉末，并将金属粉末密封在所述储粉漏斗内；

(c)中央控制器打开第一电磁阀，启动真空泵对储粉漏斗抽真空，通过压力传感器得到储粉漏斗内的真空值，当真空值达到-102kPa～-95kPa时关闭第一电磁阀，然后开启第二电磁阀并启动保护气储气罐，向储粉漏斗内充保护气，当压力传感器检测到储粉漏斗内压力值达到标准大气压时，关闭第二电磁阀和保护气储气罐；

(d)中央控制器开启电源装置，电源装置收到启动信号后产生电流，电流流经感应线圈，感应线圈在电流作用下产生交变磁场，储粉漏斗内的金属粉末在交变磁场的作用下产生交变电流，金属粉末内产生磁场，涡流损耗以及磁滞损耗使金属粉末发热，以此方式，对金属粉末进行加热；

(e)温度传感器对储粉漏斗内金属粉末的温度进行实时监测，并反馈给中央控制器，中央控制器根据接收的温度信息来调节电源装置产生的电流的大小，以实现储粉漏斗内金属粉末温度的恒定；

(f)当储粉漏斗内金属粉末温度达到设定要求后，中央控制器控制第三电磁阀的开闭，以实现储粉漏斗内金属粉末的输送。