粉末预热控制

 激光粉末成型技术, 需要在加工过程中对粉末进行预热。预热是成型过程中极其重要的阶段, 其精准度是模型成型时间、精度以及强度的重要保证.

 预热过程一般涉及三种能量传输方式: 热传导、热对流和热辐射. 热传导是物质之间的能量转换, 热对流是流体温差造成的能量转换,热辐射是电磁辐射的一种, 由热源发出热能, 被物体吸收后转换成热能. 热辐射属于一种非接触式传热, 而且传热速度很快, 所以预热控制系统一般采用热辐射方式. 粉末预热有两个能量来源, 一部分是激光烧结粉末后能量散失到环境中; 另一部分是由热辐射元件的能量预热粉末。因此，设计一个好的预热控制系统是能否对粉末均匀预热的基础. 早在1992年DTM公司申请了粉末预热控制系统, 该系统是一种用于选择性激光烧结的热辐射预热装置, 该装置可以为粉末表面提供均匀的温度, 选用热辐射板、热辐射圆环等装置作为辐射源, 放置在成型区域上方进行辐射加热, 有专门的温度测量元件对粉末表面温度进行实时监控. 专利中的数据说明, 使用热辐射圆环的设计, 能够更好地传递热量, 高效地为粉末表面提供均匀预热温度. 随后, 德国EOS 公司也为其产品的预热控制系统申请了专利. 文献设计的预热控制系统同样采用热辐射进行预热, 但该装置采用热惰性材料石墨薄片作为热辐射元件, 数据说明相比于其他材料, 石墨薄片的温度传导系数更好, 可以预热有一定厚度的粉末层, 并且能够保证温度的均匀性。文献分析了电子束增材制造过程控制, 并尝试使用NIR (Near-infrared) 两种镜头的热感相机进行预热过程温度测量控制, 该热感相机可测量的温度范围在600»3000 ±C, 可有效地测量过程控制中

各阶段(预热、轮廓线成型) 的不同温度区间(低、中). 图13和图14说明了预热阶段温度区间。

 激光选区烧结成型过程中, 相邻层之间如果没有预热控制系统将会发生上层的温度高、下层的温度迅速降低的情况，这样极易产生内应力和翘曲形变。研究人员通过正交实验和方差分析的手段,发现使用加热设备将温度控制为: 层间高、两端低的情况将不会有显著的形变样品产生, 这样的温度控制能够获取更好的精度. 同时, 预热控制系统对温度稳定性的要求严格, 要求粉床温度的不均匀度必须控制在一定范围内, 所以如何控制好粉床的温度也是十分重要. 通常情况下, 对预热温度的控制采用的是模糊控制, 且效果良好. 然而, 当中间烧结层的切片形状发生超过30% 面积变化时, 采用模糊控制的预热系统会发生快速温度变化. 因此文献设计了一种预热温度调控系统，该系统根据切片形状不同, 将切片分为渐变型(相邻层变化平缓)和突变型(相邻层变化大)。当获取切片信息后进行温度控制时, 如果是渐变型截面, 此时预热采用常规的模糊算法; 如果是突变型截面, 此时采用参考模型自适应(Model reference adaptive control,MRAC)方法进行控制, 实验证明该系统提高了模型成型的自动化和智能化, 在节省生产成本的情况下, 提高了模型的各项性能。在第k步,第i条的控制规则为

式中，Ei，IEi分别是e，∫e dt的模糊集，μEi（e），μEi（∫e dt）为3e，∫e dt的隶属度函数值，系数K1，K2可以求出。

 文献通过对四周区域加入热源, 使用有限元模拟, 证明在四周区域增加温度补偿能够改善预热温度场的分布, 从而显著提高了烧结制件的质量。

未完待续；