[发明专利]一种用于激光增材制造的高温粉床系统

说明书

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种实现高温粉床的基板传导分区加热与保温，温度冷却，循环气流温度场均匀分布的系统。 

技术背景

增材制造(Additive Manufacture，AM)是一种应用广泛的快速成形技术，先由CAD三维造型软件设计出所需零件的计算机三维实体模型，然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息，然后逐层扫描，逐层叠加，最终形成了所需要的原型或零件。 

在增材制造技术成形金属及陶瓷零件的过程中，由于粉末经历热源的熔化或者是部分熔化，产生较大的温度梯度，工作台面温度分布不均匀，会使零件内部产生热应力，导致零件产生裂纹或发生翘曲变形，严重影响了零件的质量；并且对于熔点较高的金属及陶瓷材料，加热系统工作台面温度较低，材料成形困难甚至不能成形。降低成形区域的温度梯度，保证工作台面温度均匀分布以及增加工作台面加热温度是提高零件质量的几个关键因素。查相关资料，湖南美纳科技有限公司发明一种增材制造设备的加热装置，采用多区加热方法(公开号为：CN102335741A)。将工作台面划分为多个区域，在每个区域安装一组石英加热管和反光板，该种加热方式可提高工作台面温度分布均匀性，工作区域加热温度相对较低(几百摄氏度)，适用非金属，不适用于成形需要高温金属及陶瓷材料。西北工业大学发明了一种激光快速成形表面气氛加热炉(公开号为CN102322738A)。加热板位于炉体内，并置于试样垫板和硅碳棒发热体之间。热电偶插入加热板内。炉子可以达到很高温度(1600度)，熔化高熔点陶瓷材料。 但是，整体工作空间在炉体内，加热完毕后没有冷却装置，设备构件处于高温下从而降低了其寿命。以上两个发明中用于增材制造领域粉床预热方式使用的是传统电阻丝加热，电阻丝加热的原理是利用电流通过电阻丝产生热量，该热量以热传递的方式传递到需要加热的物体上，在此热传递的过程中已损失一部分的热能量，同时又有另外一部分的热能量散发到空气中，这种方式热能量的利用率非常低。电磁加热可以一定程度的提高能量利用效率，普通家用的电磁炉由于选材及电源控制系统的原因导致铁芯发热功率相对较小(2200瓦以内)，加热温度最高只能达到300度左右，不满足增材制造领域高温度预热的要求。如何增加预热温度从而降低成形区域的温度梯度并且提高能量利用效率，以及解决预热温度分布不均及加热装置冷却的问题，是增材制造技术长期面临的重要难题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于激光增材制造的高温粉床系统，该系统可以将工作台面快速高效地加热到高温，并进行保温，同时还兼温度均匀化及加工完毕后的冷却功能。 

本发明提供的一种用于激光增材制造的高温粉床系统，其特征在于，该系统包括工作腔、工作台、电磁加热层、隔热组件和层流匀温组件； 

工作台安装在工作腔内；电磁加热层主要由一块电磁感应板和围绕在电磁感应板外的电磁线圈组成；所述电磁线圈连接有带控温功能的电磁加热电源，电磁加热电源能够改变输出电压频率以调节电磁加热温度； 

电磁感应板放置在工作台下表面与其贴合在一起，使热量能够直接传导到工作台上；该工作台内还设置有冷却流道； 

所述隔热组件包围在电磁加热层底面和侧面，以实现电磁加热板的隔热与保温； 

所述层流匀温组件布置在工作腔外部，用于实现工作腔内气流循环，使工作台实现温度分布均匀。 

相对于增材制造领域粉床预热使用的传统电阻丝加热，电阻丝加热的热能量利用率太低，不仅浪费能源，而且还减少单位时间内的产量，同时还存在易损坏甚至漏电等缺点。本发明采用电磁加热，电磁加热将50HZ的交流电经整流，滤波，逆变为不同频率的磁场作用于加热金属上，从而使加热金属上产生涡流，加热体自身快速发热。因电磁线圈本身不发热，所以没有额外损耗。电磁线圈的磁力线均匀分布在加热金属上，磁场作用于需要加热的物体表面使得内部产生涡流电场，使得要加热物体自身产生热量。为了保证加热过程中热量的保存，采用隔热结构去防止热量的过快散失，隔热组件在电磁感应板的下面和侧面可以分别安装隔热结构。热量聚集于加热体内部，电磁线圈表面温度略高于室温，可以安全触摸，安全可靠。整个隔热结构加工简单、便于安装拆卸、成本低、清洁。热量几乎不会散发到空气中，能量利用率非常高，在同等条件下，比电阻丝加热节电30-70％；平均预热时间比电阻丝加热方式缩短60％以上。