[发明专利]一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统

说明书

本发明属于3D打印配套设备技术领域，并公开了一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其整体布置于激光选区烧结设备的成形腔体上部，并且沿着高度方向由下至上划分为依次层叠成三明治构造的第一防护层、第二防护层和第三防护层。本发明还进一步对这三层防护层的具体结构及工作机理进行了优化设计。通过本发明，不仅可实现对成形腔体的有效隔热，实现对整个光学系统形成有效的热力防护与降温，使激光器及其他光学部件处于工作温度范围内，而且即便在400℃的高温激光选区烧结工况下也能确保成型过程安全稳定地进行。

技术领域

本发明属于3D打印配套设备技术领域，更具体地，涉及一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统。

背景技术

所谓激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)，是增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)的重要分支，其采用分层制造并叠加的原理，可以直接从CAD模型制造出三维实体零部件，是先进制造领域研究的前沿。SLS技术最大的优势是可成形任意复杂结构零件，并可实现大型零件的免装配一次整体成形，因此已在航空航天、生物医疗、汽车工业领域的复杂结构零部件制造方面得到广泛应用。

然而，对于某些对温度参数控制要求很高的材料成型应用场合，SLS面临着较多待解决的技术问题。例如，高性能聚芳醚酮(PAEKs)、聚芳酰胺(Aromafic Polyamides)等特种聚合物材料以其较高的比强度和断裂韧性在汽车零部件制造上已成功替代铝合金。这类特种聚合物材料一般具有较高的熔点(例如聚醚醚酮PEEK材料，其熔点约为340℃)，为防止成形过程中零件翘曲变形，要求SLS成形过程中预热温度设置在330-337℃(激光烧结窗口)范围内；而对于老化的PEEK粉末其熔点更高，烧结窗口更窄，预热温度设置接近400℃。另外，成形腔体内温度还必须保持均一，以减小激光烧结熔体与周围粉末的温度梯度，保证熔体均匀散热，减小零件精度偏差。

在此情况下，这么高的预热温度对SLS增材制造装备提出了非常高的要求。由于成形腔体内温度均在400℃左右，腔体内器件极易老化受损甚至失效，且装备存在传热、密封等多种问题，整个装备的众多器件均需要较好的热力防护。另一方面，SLS装备最重要的当属光学系统，其价格昂贵，占整个装备价格的70％以上。而目前的光学系统安装在成形腔体上方，与成形腔体距离十分接近，因此如何做好整个光学系统的热力防护同样构成一个亟待解决的技术问题。

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高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其中通过结合现有激光选区烧结设备的结构及工艺特征分析，针对性增设了包含多个功能模块的层叠式也即三明治构造的热力防护及冷却系统，并且进一步对其具体构造组成及工作机理等多个方面做出了优化设计，相应不仅能够很好地综合运用多种方式对来对成形腔体上方的整个光学模块进行热力防护及有效冷却，而且即便在苛刻温度控制条件的工况下也能确保激光选区熔化过程的高精度和稳定进行，因而尤其适用于譬如特种聚合物材料SLS成型之类的应用场合。

相应地，按照本发明，提供了一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，该光学热力防护及冷却系统整体布置于激光选区烧结设备的成形腔体上部，并且沿着高度方向由下至上划分为依次层叠的第一防护层、第二防护层和第三防护层，其中：

该第一防护层呈现风冷结构层的形式且铺设在所述成形腔体上部，并包括位于左右两侧的冷气进口和冷气出口、位于上下两侧的上透视窗和下透视窗，以及在中部区域封闭包围形成的空腔；其中冷气经由所述冷气进口进入后由进气栅格的多层扰流板分隔成为多层层流冷气，然后通入所述空腔以执行多层换热与隔热；换热后的层流气体继续通过排气栅格由所述冷气出口排出；此外，所述上透视窗和下透视窗共同构成一个激光透视路径，并用于激光光束贯穿到达位于所述成形腔体下部的成形台面；