一種用于3d打印裝備的高溫預(yù)熱裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種用于3D打印裝備的高溫預(yù)熱裝置，用于激光增材制造設(shè)備（前面說是增材制造，前后保持一致），該系統(tǒng)由立體加熱裝置，工作腔隔熱與保溫裝置，工作臺(tái)面氣流循環(huán)裝置構(gòu)成，立體加熱系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇使用單層加熱管，也可以選擇使用雙層加熱管，同時(shí)，加熱層與加熱層，加熱層與工作臺(tái)面之間的距離可以按需要任意調(diào)節(jié)；工作腔隔熱與保溫裝置可以有效的起到隔熱與保溫作用，避免由于加熱溫度過高而導(dǎo)致增材制造設(shè)備其他工作部件損壞，同時(shí)還可以將熱量集中在隔熱與保溫腔內(nèi)，對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行加熱；工作臺(tái)面氣流循環(huán)裝置，可以使工作臺(tái)上表面氣氛形成循環(huán)，帶動(dòng)工作臺(tái)上表面氣體流動(dòng)，使工作臺(tái)溫度分布均勻，保證零件優(yōu)異的成形質(zhì)量。
【專利說明】—種用于3D打印裝備的高溫預(yù)熱裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，具體涉及到實(shí)現(xiàn)一種高溫粉床的立體加熱，工作腔體隔熱與保溫，循環(huán)氣流溫度場(chǎng)均勻分布的方法。
技術(shù)背景
[0002]增材制造(Additive Manufacture, AM)是一種應(yīng)用廣泛的快速成形技術(shù),先由CAD三維造型軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型，然后按工藝要求將其按一定厚度分解成一系列二維截面，即把原來的三維立體信息變成二維平面信息，然后逐層掃描，逐層疊力口，最終形成了所需要的原型或零件。
[0003]在增材制造技術(shù)成形零件的過程中，由于粉末經(jīng)歷熱源的熔化或是部分熔化，產(chǎn)生較大的溫度梯度以及工作臺(tái)面溫度分布不均勻，會(huì)使零件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件產(chǎn)生裂紋或發(fā)生翹曲變形，嚴(yán)重影響了零件的質(zhì)量；并且對(duì)于熔點(diǎn)較高的材料，加熱系統(tǒng)工作臺(tái)面溫度較低，材料成形困難甚至不能成形?？刂乒ぷ髑惑w溫度梯度，保證工作臺(tái)面溫度均勻分布以及增加工作臺(tái)面加熱溫度是提高零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前國內(nèi)較先進(jìn)的增材制造設(shè)備工作臺(tái)加熱裝置采用的是多區(qū)加熱裝置(專利號(hào):201020274432.9)，即將工作臺(tái)面劃分為多個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域安裝一組石英加熱管及一組反光板，這樣可以緩解工作臺(tái)面溫度分布不均勻的問題，但由于其加熱溫度相對(duì)較低，不適合于成形高溫材料，并且由于安裝的石英加熱管數(shù)量較多，不能有效的節(jié)省能源，如何增加預(yù)熱溫度降低工作臺(tái)面的溫度梯度以及解決工作臺(tái)面溫度分布不均的問題是增材制造成形裝備長(zhǎng)期面臨的一個(gè)重要的難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決目前加熱系統(tǒng)所面臨的技術(shù)缺陷，本發(fā)明開發(fā)出了一種新型的加熱系統(tǒng)，用于增材制造裝備系統(tǒng)加熱，該加熱系統(tǒng)可以將工作臺(tái)面加熱到較高的溫度，同時(shí)還兼有隔熱與保溫的功能；加熱系統(tǒng)采用立體加熱，相對(duì)于傳統(tǒng)的平面加熱，可以有效的節(jié)省空間，減少石英加熱管的數(shù)量，提高加熱效率以及降低能源消耗；加熱系統(tǒng)在工作臺(tái)上表面兩側(cè)分別安裝一排進(jìn)氣管與抽氣管，進(jìn)氣管低速平穩(wěn)充入氣體，抽氣管低速平穩(wěn)抽出氣體，整個(gè)體系構(gòu)成氣流循環(huán)，帶動(dòng)氣氛流動(dòng)，使工作臺(tái)面溫度分布均勻。該加熱系統(tǒng)可以使工作臺(tái)面的溫度得到有效的調(diào)整與控制，成形材料受熱均勻，并且成形不同種類(金屬、高分子等)的材料，保證了成形零件的優(yōu)異質(zhì)量，并且可以在較短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。
[0005]本發(fā)明采用立體柔性加熱系統(tǒng)，隔層保溫系統(tǒng)和層流均溫系統(tǒng)，其包括有:
一、立體柔性加熱系統(tǒng)，其包括兩層石英輻射管，每層有四個(gè)輻射管；
二、隔層保溫系統(tǒng)，包括三層:隔熱層、保溫層、支撐層；
三、氣體循環(huán)勻溫系統(tǒng)，其包括氣流控制器、空氣壓縮機(jī)等。
[0006]本發(fā)明所述的加熱系統(tǒng)由多層石英輻射加熱管組成，多層輻射加熱管的加熱區(qū)域不同，而且有分別的控制系統(tǒng)控制每一層燈管的加熱。有的層的加熱區(qū)域小，有的層加熱區(qū)域大。在增材制造零件的過程中，根據(jù)需要可以選擇用單層燈管，也可以選擇使用多層加熱管。與此同時(shí)，層與層之間的距離可以調(diào)節(jié)，每一層的加熱管也可以往外調(diào)節(jié)。這樣可以根據(jù)成形腔溫度的要求，調(diào)節(jié)這些距離參數(shù)保證成形空間立體溫度的上升。在成形過程中，根據(jù)成形零件的大小可以選擇不同的子加熱系統(tǒng)組合。如果需求成形零件很小，可以將小區(qū)域加熱層拉到離工作臺(tái)面較近的位置，不需要使用大的加熱層，如果需求成形零件大，可以將大區(qū)域加熱層拉到離工作臺(tái)面較近的位置對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行加熱。這樣可以達(dá)到提高效率、節(jié)能減排的目的。
[0007]隔層保溫系統(tǒng)將立體加熱系統(tǒng)包圍住，主要有三層組成，最里面一層為隔熱層，材料用的是硅酸鋁板。普通型硅酸鋁板，是以焦寶石為主要原料，具有優(yōu)良的抗熱震性及熱穩(wěn)定性，材料耐壓強(qiáng)度高并具良好韌性優(yōu)良的機(jī)加工性能，可以很好的將加熱輻射管產(chǎn)生的溫度保存下來。這里的隔熱板有兩個(gè)作用:一是防止加熱輻射熱量輻射到設(shè)備內(nèi)壁及其他無關(guān)區(qū)域，造成不必要的溫度損失，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的保溫。二是保護(hù)成形腔，防止這些熱量的輻射導(dǎo)致整個(gè)腔體和設(shè)備壁面都處于高溫狀態(tài)，這樣可以提高設(shè)備的壽命和增加操作過程中的安全性。中間保溫層材料用玻璃棉氈，玻璃棉氈加溫固化成型的氈狀材料。其容重比板材輕，有良好的回彈性，價(jià)格便宜，施工方便。玻璃棉氈是為適應(yīng)大面積敷設(shè)需要而制成的卷材，除保持了保溫隔熱的特點(diǎn)外，還具有十分優(yōu)異的減震、吸聲特性，尤其對(duì)中低頻和各種震動(dòng)噪聲均有良好的吸收效果，有利于減少噪聲污染，改善工作環(huán)境。有鋁箔貼面的玻璃棉氈，還具有較強(qiáng)的抗熱輻射能力，是高溫車間、控制室、機(jī)房?jī)?nèi)壁、隔間及平頂極好的內(nèi)襯材料。中間保溫層的作用就是對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行保溫，玻璃棉質(zhì)地柔軟、纖維微細(xì)，施工中不會(huì)刺激皮膚，可以很好的達(dá)到加工和保溫的效果。最外層是支撐層，這層材料用普通鋼材。因?yàn)橹虚g保溫層玻璃棉是偏軟的材料，需要最里層和最外層相互擠壓固定。
[0008]本發(fā)明所述的氣體循環(huán)勻溫系統(tǒng)的目的在于使工作臺(tái)面溫度分布均勻，通過向工作臺(tái)面緩慢均勻的吹入與抽出惰性氣體，使工作臺(tái)面上表面形成循環(huán)氣流。由于進(jìn)氣管道在增材制造設(shè)備工作室內(nèi)呈“樹枝狀”分布，因此，當(dāng)惰性氣體引入到進(jìn)氣管道時(shí)，惰性氣體將會(huì)在進(jìn)氣管道內(nèi)行進(jìn)一定距離，此時(shí)，惰性氣體將會(huì)被工作室的熱環(huán)境加熱至接近工作臺(tái)面的溫度形成熱氣體，熱氣體被進(jìn)一步緩慢的引入到工作臺(tái)面上表面；抽氣管道同樣是以“樹枝狀”的形式分布在工作臺(tái)面另一側(cè)，將工作臺(tái)上表面由進(jìn)氣管道引入的惰性氣體緩慢抽出，抽出的惰性氣體通過閉路循環(huán)返回到進(jìn)氣管中，整個(gè)體系構(gòu)成氣流循環(huán)，帶動(dòng)工作臺(tái)上表面氣體流動(dòng)，使工作臺(tái)溫度分布均勻，從而保證加工零件良好的成形質(zhì)量。
[0009]本發(fā)明所述的高溫粉床激光增材制造系統(tǒng)與傳統(tǒng)的增材制造裝備加熱裝置相比具有如下優(yōu)勢(shì):
1.保證了成形臺(tái)面和成形氣氛的高溫需求。
[0010]立體加熱可以使工作臺(tái)面及其以上的氣氛空間溫度都能達(dá)到很高的溫度，多層可以調(diào)節(jié)的立體加熱系統(tǒng)可以對(duì)于整個(gè)氣氛進(jìn)行輻射傳熱，最高溫度可以達(dá)到400度，而且溫度可調(diào)節(jié)。比如，氣氛在加熱到100度時(shí)候，可以增材制造聚苯乙烯、蠟?zāi)さ鹊?；氣氛加熱?00度200度時(shí)候，可以增材制造PP和尼龍材料；氣氛加熱到200度到400度時(shí)候，可以增材制造難加工的材料陶瓷和金屬。2.減小了成形腔體的體積
該高溫粉床激光增材制造系統(tǒng)將傳統(tǒng)方法的平面加熱改進(jìn)為立體加熱，最大限度的降低了加熱裝置所占用空間，減小了增材制造裝備體積，降低制造成本； 3.實(shí)現(xiàn)了柔性加工,節(jié)約能源。
[0011]根據(jù)零件大小可以選擇不同的加熱層，如果零件很小，只需要用小的加熱層就可以達(dá)到效果，將使用加熱層拉到離工作臺(tái)面距離較近的位置，不使用大的加熱層。
[0012]4.保溫系統(tǒng)防止了熱量的流失，節(jié)約了能源，提高了加熱效率。
[0013]三層隔熱保溫系統(tǒng)中最里層使用的硅酸鋁材料，中間層使用的玻璃棉材料充分的利用了材料的防火隔熱保溫的特性，可以很好的達(dá)到的保溫的目的，整個(gè)系統(tǒng)加工簡(jiǎn)單，成本低，清潔，同時(shí)這種保溫系統(tǒng)變相的節(jié)約了加熱的能源，達(dá)到了節(jié)能的目的。
[0014]5.保護(hù)成型腔內(nèi)器件，提高設(shè)備壽命，增加操作安全性。
[0015]保溫系統(tǒng)可以很好的將溫度鎖在罩子空間里面，防止溫度過高，熱量輻射到設(shè)備元件及設(shè)備元件上造成它們的過熱，這樣提高了設(shè)備壽命并且增加了開設(shè)備時(shí)候操作的安全性。
[0016]6.通過循環(huán)裝置保證工作臺(tái)面溫度分布均勻
加熱系統(tǒng)在工作臺(tái)上表面兩側(cè)分別安裝一排進(jìn)氣管與一排抽氣管，通過進(jìn)氣管道往增材制造設(shè)備工作臺(tái)面緩慢平穩(wěn)的引入惰性氣體，進(jìn)氣管在增材制造設(shè)備工作室內(nèi)繞行一段距離，氣體流經(jīng)繞行的進(jìn)氣管時(shí)被工作室的熱環(huán)境加熱形成熱氣體，熱氣體被進(jìn)一步引入到工作臺(tái)上表面，分布在工作臺(tái)面另一側(cè)的一排抽氣管則緩慢平穩(wěn)的將工作臺(tái)上表面的熱氣體抽出，抽出的惰性氣體通過閉路循環(huán)返回到進(jìn)氣管中，整個(gè)體系構(gòu)成氣流循環(huán)，帶動(dòng)工作臺(tái)上表面氣體流動(dòng)，使工作臺(tái)溫度分布均勻。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1、立體柔性加熱系統(tǒng)示意圖。
[0018]圖中:1-石英輻射管2-支撐結(jié)構(gòu)3-燈座安裝架4-工作臺(tái)面。
[0019]圖2、隔熱保溫系統(tǒng)示意圖。
[0020]圖中:1-支撐層2-保溫層3-隔熱層4-窗口鏡5-落粉缸6_工作缸7_送粉缸。
[0021]圖3、氣體循環(huán)勻溫系統(tǒng)工作原理圖。
[0022]圖中:1-進(jìn)氣管2-工作臺(tái)面3-抽氣管4-循環(huán)氣管。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
[0024]如圖1所示:1為石英輻射管，2為支撐結(jié)構(gòu)，3為燈座安裝架，4為工作臺(tái)面按照立體加熱方式在工作臺(tái)上表面安裝了多層(兩層或兩層以上)的石英輻射加熱管，
其中，石英輻射加熱管安裝在加熱元件的安裝架上。加熱元件安裝架與其他支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成活動(dòng)支架，可實(shí)現(xiàn)加熱層與工作臺(tái)面以及加熱層之間距離的自由調(diào)節(jié)；在加熱元件安裝架內(nèi)側(cè)涂上反光材料，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱元件安裝架角度，將輻射到加熱元件安裝架內(nèi)側(cè)的光反射到工作臺(tái)面。由于加熱層之間石英輻射加熱管大小不一樣，加熱層面積大小也不一樣，在實(shí)際工作中，可根據(jù)零件的大小來調(diào)整合適的加熱層。
[0025]如圖2所示:I為隔熱層，2為保溫層，3為支撐層，4為窗口鏡5為落粉缸，6為工作缸，7為送粉缸。
[0026]在實(shí)際工作過程中，工作腔體需要被加熱到很高的溫度，為了保護(hù)增材制造設(shè)備不受高溫破壞，需要在工作腔體內(nèi)進(jìn)行隔熱與保溫處理。如圖2所示采用三層盒式保溫結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外依次為隔熱層、保溫層、支撐層；隔熱層在材料選擇上優(yōu)先選用硅酸鋁材料，硅酸鋁具有較強(qiáng)的隔熱能力，可以將熱量很好的集中在保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部，只對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行加熱，保護(hù)增材制造設(shè)備其他部分不受高溫?fù)p傷；保溫層在材料選擇上優(yōu)先選用玻璃棉材料，玻璃棉具有不俗的防火保溫能力，可以很好的起到保溫的作用，相對(duì)于石棉，玻璃棉還具有無毒等優(yōu)點(diǎn)；支撐層在材料選擇上選用普通鋼材即可，降低成本。需要說明，以上所述材料為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并不僅僅局限于這幾種材料。
[0027]如圖3所示:I為進(jìn)氣管，2為工作臺(tái)面，3為抽氣管，4為循環(huán)氣管。
[0028]進(jìn)氣管與抽氣管均為“樹枝狀”結(jié)構(gòu)的管道，其中，進(jìn)氣管的起始端與惰性氣體源相連，抽氣管的終端與機(jī)械泵相連。氣體進(jìn)入進(jìn)氣管并在進(jìn)氣管行進(jìn)一段距離之后，均勻分為兩股氣流按相反的方向繼續(xù)在進(jìn)氣管內(nèi)繞行，最后均勻分為四股氣流平穩(wěn)緩慢的引入到工作臺(tái)面的上表面；往進(jìn)氣管道中輸入常溫下的惰性氣體，氣體沿著進(jìn)氣管道流通，流經(jīng)工作腔內(nèi)“樹枝狀”的進(jìn)氣管道之后，常溫氣體被加熱到接近工作室溫度的熱氣體，因此，將氣體引入到工作臺(tái)面上表面時(shí)不會(huì)引起較大的溫度變化。氣體在抽氣管道內(nèi)的流動(dòng)情況恰好與在進(jìn)氣管道內(nèi)的流動(dòng)情況相反，工作臺(tái)面的氣體分為四股氣流緩慢平穩(wěn)的被抽進(jìn)抽氣管，氣體在抽氣管內(nèi)行進(jìn)一段距離之后，由四股氣流匯集成兩股氣流，兩股氣流按照相同的方向繼續(xù)在抽氣管內(nèi)行進(jìn)，最后匯集為一股氣流由機(jī)械泵抽出，抽出的惰性氣體通過閉路循環(huán)返回到進(jìn)氣管中。這樣可以使整個(gè)體系構(gòu)成氣流循環(huán)，帶動(dòng)工作臺(tái)上表面氣體流動(dòng)，使工作臺(tái)面溫度分布均勻；同時(shí)還可以減少降低惰性氣體的消耗量，節(jié)省成本；避免將熱氣體排放到大氣中，有效的降低的能源的損失，提高了能源的利用率。
【權(quán)利要求】
1.一種用于3D打印裝備的高溫預(yù)熱裝置，其特征在于，該系統(tǒng)包括立體加熱裝置，工作腔隔熱與保溫裝置，工作臺(tái)面氣流循環(huán)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述一種用于3D打印裝備的高溫預(yù)熱裝置，其特征在于，在立體加熱裝置工作臺(tái)上表面安裝了多層(兩層或兩層以上)的石英輻射加熱管，每一層安裝四根石英輻射加熱管，在加熱管安裝架內(nèi)側(cè)涂有反光材料，以及加熱管安裝架的角度可以自由調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述一種用于3D打印裝備的高溫預(yù)熱裝置，其特征在于，工作腔隔熱與保溫裝置采用的是三層“盒式”保溫結(jié)構(gòu)，最里面層是隔熱層，采用材料為硅酸鋁材料；中間層時(shí)保溫層，采用材料為玻璃棉材料；最外面層時(shí)支撐層，采用材料為普通鋼板。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述一種用于3D打印裝備的高溫預(yù)熱裝置，其特征在于，在氣流循環(huán)裝置工作臺(tái)上表面安裝一排進(jìn)氣管與一排抽氣管，從進(jìn)氣管中充入惰性氣體引入到工作臺(tái)面，然后在由抽氣管將惰性氣體抽出，從而使工作臺(tái)上表面氣氛構(gòu)成循環(huán)。
【文檔編號(hào)】B28B1/00GK104260342SQ201410420066
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】魏青松, 王愛華, 李正陽, 丁剛, 張海龍 申請(qǐng)人:丹陽惠達(dá)模具材料科技有限公司