專利名稱：激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，具體地說是在激 光金屬沉積成形過程中，通過基板預熱器、相應(yīng)的硬件集成控制單元和軟 件操作界面，實現(xiàn)在不同基板預熱溫度下的金屬零件的激光沉積成形的激 光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
快速原型制造(RapidPrototyping,以下簡稱RP )技術(shù)是九十年代發(fā) 展起來的一項高新技術(shù)。它是在計算機輔助設(shè)計(CAD ， Computer Aided Design )、計算機輔助制造(CAM , Computer Aided Manufacturing)技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上 集成發(fā)展起來的，在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，可將任 意復雜形狀的設(shè)計方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實體模型或樣件。自 一九八八年 第一臺商品成型機問世以來，RP技術(shù)得到了迅速的推廣應(yīng)用，它大大縮 短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，確保了新產(chǎn)品的上市時間和新產(chǎn)品開發(fā)的 一次成 功，顯著提高了產(chǎn)品在巿場上的競爭力和企業(yè)對市場的快速反應(yīng)能力。
同時，激光金屬沉積成形過程是一個非線性的、伴隨著復雜相變的加 工過程。成形過程中所具有的能量集中輸入、快速加熱冷卻等特點，從而 成形試樣內(nèi)部以及試樣與基板間存在著巨大的溫度梯度，使得試樣的微觀 組織呈現(xiàn)很強的方向選擇性，影響試樣的各種性能。同時，劇烈的溫度梯 度也使得試樣在成形過程中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，當熱應(yīng)力達到材料極限時， 試樣將產(chǎn)生裂縫甚至發(fā)生斷裂。因此，如何降低成形過程的溫度梯度和熱 應(yīng)力、抑制沉積過程試樣裂縫的產(chǎn)生成為激光金屬沉積成形技術(shù)迫切需要 解決的重要問題。目前基板預熱系統(tǒng)在激光金屬沉積成形加工過程中的應(yīng) 用尚未見報道。

實用新型內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種激光金屬沉積成形的基板預 熱系統(tǒng)，能夠在穩(wěn)定的溫度場下保證成形件的質(zhì)量及尺寸精度要求。
為實現(xiàn)上述技術(shù)問題，本實用新型釆用的技術(shù)方案是
本實用新型包括基板預熱器及其溫度控制裝置，其中基板預熱器為一 箱體結(jié)構(gòu)，具有底板、設(shè)于底板周邊的內(nèi)壁及外壁，內(nèi)壁與外壁之間設(shè)有 保溫材料，在底板上通過隔熱材料安裝有電加熱管，在箱體內(nèi)、電加熱管 的上方安裝有銅板，電加熱管的接線端與溫度控制裝置相連。
所述溫度控制裝置包括溫度控制器及監(jiān)控計算機，其中溫度控制器的
輸入端與設(shè)于箱體內(nèi)的溫度傳感器相連，輸出端接至電加熱管的接線端； 所述溫度傳感器的輸出端還通過溫度數(shù)據(jù)釆集模塊和串行通信接口轉(zhuǎn)換模 塊接至監(jiān)控計算機，該監(jiān)控計算機的輸出端通過溫度控制模塊與電加熱管
的接線端相連；所述電加熱管在箱體內(nèi)呈"弓"字形迂回排布；所述銅板由支 撐塊支撐安裝于底板上；所述底板底部設(shè)有底座；所述保溫材料為石棉； 所述隔熱材料為耐火瓷板。
本實用新型具有以下有益效果及優(yōu)點
1. 為激光金屬沉積成形技術(shù)提供了穩(wěn)定的溫度場。實踐證明，溫度場 分布是反映加工過程條件的一個重要參數(shù)，穩(wěn)定的溫度場能夠保證成形件 的質(zhì)量及尺寸精度要求。利用本實用新型使基板預熱，有效地降低了成形 過程中試樣和基板的溫度梯度，還可以讓成形過程的溫度場更加穩(wěn)定。
2. 自動化程度高。本實用新型以熱傳導理論和激光金屬沉積成形技術(shù)為 理論依據(jù)研制的激光金屬沉積成形過程基板預熱系統(tǒng)，包括相應(yīng)的硬件集 成控制單元和軟件操作界面，溫度控制釆用雙路冗佘設(shè)計，即智能PID控 制和計算機控制，實現(xiàn)基板預熱溫度在常溫 56(TC范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，控制 過程全自動進行，不需人為干預，實現(xiàn)對基板預熱溫度的實時檢測和記錄。
3. 基板預熱均勻性好，控制精度高。PID溫度控制反映速度快、精度高， 可達到土o.rc;同時，利用紫銅板通過電加熱管形成的溫度場均勻、穩(wěn)定， 為激光金屬沉積成形技術(shù)中存在的裂縫甚至發(fā)生斷裂的問題提供了一個有 效的解決途徑。


圖l為本實用新型電氣結(jié)構(gòu)圖2A為本實用新型的基板預熱器外觀示意圖2B為圖2A的仰視圖3為本實用新型的基板預熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。
如圖2A、 2B及圖3所示，基板預熱器l的工作環(huán)境既高溫又多塵，同時 還要求加熱升溫迅速并能保持恒定溫度，因此本實用新型采用以下結(jié)構(gòu) 包括基板預熱器7及其溫度控制裝置，其中基板預熱器7為一箱體結(jié)構(gòu)，具 有底板15、設(shè)于底板15周邊的內(nèi)壁12及外壁11,內(nèi)壁12與外壁11之間設(shè)有 保溫材料17,在底板15上通過隔熱材料18安裝有電加熱管20，在箱體內(nèi)、 電加熱管20的上方安裝有銅板16，電加熱管20的接線端與溫度控制裝置相 連。其中電加熱管20在箱體內(nèi)呈"弓"字形迂回排布，采用大功率不銹鋼電加 熱管，既能保證快速升溫的需要，還耐灰塵，不會產(chǎn)生短路；在箱體上設(shè) 于底板15周邊的部分釆用內(nèi)壁11及外壁12兩層結(jié)構(gòu)，兩層結(jié)構(gòu)中間填充保 溫材料(本實施例釆用石棉氈)，既可以隔熱又可以保溫，能夠減少電加 熱管20啟動的頻率，增加電加熱管20的壽命；隔熱材料18 (本實施例釆用耐火瓷板)用來在箱體上固定加熱管，同時還可以將電加熱管20與底板15
隔開，避免本基板預熱器1底部由于與電加熱管20接觸而溫度太高；底板15 的下部還設(shè)有多個底座14;銅板16 (本實施例具體釆用紫銅板)由箱體支 撐(也可通過支撐塊19支撐安裝于底板15上)并被放置在不銹鋼電加熱管 20的上方，由于純銅的導熱性能優(yōu)異，可以滿足快速升溫的需要。同時， 一定厚度純銅板的熱容量很大，這樣既可以讓基板受熱更均勻，還可以降 低預熱溫度變化的速率，減少電加熱管20的啟動頻率，增加電加熱管20的 使用壽命。
本實用新型的溫度控制釆用雙路控制方式，如圖1所示，其中溫度控 制器3回路是其中之一，也是最常用的控制方式。本實施例釆用以單片機 為控制核心的智能PID控制器，溫度傳感器2釆用安裝在基板預熱器箱體 中、紫銅板一側(cè)的鎧裝PT100鉑熱電阻(測溫范圍10~600°C)，其向溫 度控制器3輸入溫度檢測信號，通過固態(tài)繼電器控制基板預熱器1的大功 率不銹鋼電加熱管20的加熱電源，在該閉環(huán)回路中實現(xiàn)基板預熱溫度在室 溫 50(TC之間連續(xù)可調(diào)，精度可以達到士O.rC。智能PID溫度控制器通過 直流電源供電。
基板預熱溫度串口實時釆集和反饋控制是基板預熱系統(tǒng)雙路溫度控制 中除智能PID溫度控制的另外一種。其以監(jiān)控計算機5為主控制部件，即 是溫度控制器3的上位監(jiān)控機對基板預熱器的預熱溫度進行實時監(jiān)測和記 錄，又能取代智能PID溫度控制器直接對基板預熱器1預熱溫度實施控制。 其溫度釆集部分主要包括串行通信接口轉(zhuǎn)換模塊6和溫度數(shù)據(jù)釆集模塊7， 信號傳輸協(xié)議采用ASCII命令/響應(yīng)協(xié)議。監(jiān)控計算機5通過串行通信技術(shù)， 控制和管理以單片機為控制核心的底層硬件系統(tǒng)模塊。監(jiān)控計算機5通過 RS-232-C 口與ADAM-4520接口標準轉(zhuǎn)換模塊相連接，實現(xiàn)RS232和RS485 接口標準的轉(zhuǎn)換。前端設(shè)備釆用RS485接口標準的ADAM-4018熱電偶溫 度釆集模塊和PT100鉑熱電阻相連，將檢測的預熱溫度的模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號。監(jiān)控計算機5的輸出端通過溫度控制模塊4對基板預熱器1的 電加熱管20實施控制，溫度控制模塊4主要包括Advantech的PCI _ 1750 型1/0控制卡、固態(tài)繼電器等。
本實用新型工作過程如下在沒有引入基板預熱系統(tǒng)之前，激光金屬 沉積成形實驗時基板通常被放置在一個隔熱的平臺上，激光以及送粉頭就 直接在基板上表面堆積成形。在引入基板預熱系統(tǒng)后，基板首先被放置在 基板預熱器1的紫銅板16上進行加熱。如果不需要記錄基板預熱溫度的變 化曲線，則直接釆用智能PID溫度控制器來設(shè)定基板預熱溫度并進行控制 當智能PID溫度控制器通過溫度傳感器2檢測到基板的預熱溫度低于設(shè)定 溫度時，智能PID溫度控制器向固態(tài)繼電器輸出控制信號，由固態(tài)繼電器 的輸出信號接通不銹鋼電加熱管20的電源，從而對紫銅板16進行加熱； 當紫銅板16的溫度達到設(shè)定溫度時，智能PID溫度控制器斷開固態(tài)繼電器,固態(tài)繼電器又斷開不銹鋼電加熱管20的電源，從而停止對紫銅板16加熱， 這樣就形成了對基板預熱器1溫度的閉環(huán)控制。
如果需要觀察和記錄基板預熱溫度隨時間的變化，則關(guān)閉智能PID控
制器，而將溫度傳感器2檢測到的溫度信號直接通過溫度數(shù)據(jù)釆集模塊7 及串行通信接口轉(zhuǎn)換模塊6釆集到監(jiān)控計算機5中，然后通過監(jiān)控計算機5 中的人機交互界面設(shè)定基板預熱溫度并進行控制當監(jiān)控計算機5經(jīng)溫度 傳感器2檢測到基板的預熱溫度低于設(shè)定溫度時，再通過I/O控制卡向固態(tài) 繼電器輸出控制信號，由固態(tài)繼電器的輸出信號接通不銹鋼電加熱管20的 電源，從而對紫銅板16進行加熱；當紫銅板16的溫度達到設(shè)定溫度時， 監(jiān)控計算機5通過I/0控制卡輸出信號斷開固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器又斷開 不銹鋼電加熱管20的電源，從而停止對紫銅板加熱，這樣就形成了對基板 預熱器1溫度的閉環(huán)控制。此時監(jiān)控計算機5上可以通過界面實時顯示基 板預熱溫度曲線。當然，這兩種獨立的雙路控制方式也可以同時使用，這 時可以由智能PID溫度控制器來控制基板預熱溫度，由監(jiān)控計算機5通過 串口來實時顯示和記錄基板預熱溫度隨時間的變化。
權(quán)利要求1.一種激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征在于包括基板預熱器(1)及其溫度控制裝置，其中基板預熱器(1)為一箱體結(jié)構(gòu)，具有底板(15)、設(shè)于底板(15)周邊的內(nèi)壁(12)及外壁(11)，內(nèi)壁(12)與外壁(11)之間設(shè)有保溫材料(17)，在底板(15)上通過隔熱材料(18)安裝有電加熱管(20)，在箱體內(nèi)、電加熱管(20)的上方安裝有銅板(16)，電加熱管(20)的接線端與溫度控制裝置相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征在 于所述溫度控制裝置包括溫度控制器(3)及監(jiān)控計算機(5)，其中溫度 控制器(3)的輸入端與設(shè)于箱體內(nèi)的溫度傳感器(2)相連，輸出端接至 電加熱管(20)的接線端；所述溫度傳感器(2)的輸出端還通過溫度數(shù)據(jù) 釆集模塊(7)和串行通信接口轉(zhuǎn)換模塊(6)接至監(jiān)控計算機(5),該監(jiān) 控計算機(5)的輸出端通過溫度控制模塊(4)與電加熱管(20)的接線 端相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征在 于所述電加熱管(20)在箱體內(nèi)呈"弓"字形迂回排布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征在 于所述銅板(16)由支撐塊(19)支撐安裝于底板(15)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征在 于所述底板(15)底部設(shè)有底座(14)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征在 于所述保溫材料(17)為石棉。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，其特征 在于所述隔熱材料(18)為耐火瓷板。
專利摘要本實用新型涉及一種激光金屬沉積成形的基板預熱系統(tǒng)，包括基板預熱器及其溫度控制裝置，其中基板預熱器為一箱體結(jié)構(gòu)，具有底板、設(shè)于底板周邊的內(nèi)壁及外壁，內(nèi)壁與外壁之間設(shè)有保溫材料，在底板上通過隔熱材料安裝有電加熱管，在箱體內(nèi)、電加熱管的上方安裝有銅板，電加熱管的接線端與溫度控制裝置相連。本實用新型為激光金屬沉積成形技術(shù)提供了穩(wěn)定的溫度場，有效地降低了成形過程中試樣和基板的溫度梯度，自動化程度高，基板預熱均勻性好，控制精度高，為激光金屬沉積成形技術(shù)中存在的裂縫甚至發(fā)生斷裂的問題提供了一個有效的解決途徑。
文檔編號C23C24/10GK201074249SQ20072001464
公開日2008年6月18日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者劉偉軍, 卞宏友, 田鳳杰, 飛 邢, 龍日升 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所