[发明专利]一种三段式选择性激光熔化组合预热系统

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。