一种LPBF用粉末床的多区域温度控制装置的制作方法
一种LPBF用粉末床的多区域温度控制装置的制作方法
激光粉末床熔融（LPBF）技术作为增材制造领域的关键技术之一，在现代工业生产中发挥着日益重要的作用。然而，在其应用过程中，粉末床的温度均匀性和精确控制是确保打印零件质量的关键因素之一。本文介绍了一种创新的多区域温度控制装置，通过非接触式红外加热和接触式电加热的结合，实现了对LPBF过程中温度的精准控制。
背景技术
激光粉末床熔融（LPBF）技术作为增材制造领域的关键技术之一，在现代工业生产中发挥着日益重要的作用。然而，在其应用过程中，粉末床的温度均匀性和精确控制是确保打印零件质量的关键因素之一。合适的温度可以使粉末材料充分熔化，实现良好的层间结合，从而提高零件的致密度和机械性能。如果温度不均匀，可能会导致零件内部产生孔隙、裂纹等缺陷，严重影响零件的强度和可靠性。由于激光加热和冷却过程迅速，不同区域的温度差异会引发热应力，使零件发生变形甚至开裂。尤其是对于形状复杂、薄壁或具有精细结构的零件，热应力的影响更为显著。
现有LPBF温度控制技术存在诸多问题，难以满足日益提高的制造需求。首先，在温度均匀性方面，传统设备多采用单一加热方式，如仅依赖底部加热板或激光热量，无法实现粉末床各区域的均匀受热。这在打印复杂形状零件时尤为明显，不同部位因热量分布不均，导致性能差异大，且缺乏有效的分区控制手段，不能根据零件实际形状和结构对不同区域独立调温，难以满足复杂零件的多样化温度需求。
其次，LPBF过程中激光扫描使温度快速变化，传统温度控制系统响应迟缓，难以实时跟踪并及时调整加热功率，致使温度易偏离设定值，影响成型质量。控制精度上，简单的反馈控制算法如比例控制或比例-积分控制，难以将温度精确控制在小误差范围内，无法满足对温度精度要求高的材料和零件的工艺要求。
再者，传统系统通常需人工凭经验设固定温度参数，无法根据实际打印情况自动调整。面对材料特性变化、环境温度波动或设备状态改变等情况，难以自适应优化温度控制策略，导致打印质量不稳定。
技术实现思路
本发明的主要目的在于提供一种LPBF用粉末床的多区域温度控制装置，可以有效解决背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种LPBF用粉末床的多区域温度控制装置，包括基座和安装在基座表面的打印机构外壳，所述基座的表面在位于打印机构外壳的内部分别设有储粉仓、打印成型仓以及溢粉仓，所述打印机构外壳的顶部则安装有一个激光发生器与刮刀，所述刮刀往复运动将储粉仓中的金属粉末刮送至打印成型仓，并且将多余的金属分别刮送至溢粉仓内回收，所述打印成型仓的内壁上方设有四个非接触式加热的红外加热器，所述打印成型仓的内部安装有一个升降箱，所述升降箱的内部活动安装了一个可升降的打印平台，所述打印平台主要包括平台板与加热板，所述加热板由多个电加热块拼装而成，设置在平台板的底部提供接触式加热。
优选的，所述打印机构外壳的内壁上开设了一组移动轨道槽，所述刮刀通过移动轨道槽连接到安装在打印机构外壳外壁的驱动机构上实现往复运动。
优选的，所述打印机构外壳的内壁上在位于打印成型仓的位置分别安装有一个送风口，所述送风口通过管道外接气瓶，并向打印成型仓的打印区送入保护气体。
优选的，所述红外加热器对称安装在升降箱顶端的四条边上，并且加热面均朝向打印平台，所述红外加热器的表面两侧分别安装有一个红外温度传感器。
优选的，所述平台板的底面开设有一个圆形的安装槽，所述安装槽的顶面中心位置固定安装了一个连接柱，所述加热板就安装在安装槽内，并且与连接柱电性连接。
优选的，所述连接柱内部固定安装有一个控制模块，所述连接柱的表面在靠上位置均匀开设有若干道安装滑槽，所述安装滑槽的顶部均设有一个通电插孔，所述通电插孔通过电线与控制模块电性连接，所述红外加热器通过无线通信也与控制模块实现电性控制。
优选的，所述加热板呈中间开孔的圆盘状结构，是由若干个扇形的电加热块组合而成，所述电加热块的表面嵌装有一个热电偶传感器，所述电加热块的内环面上分别设有一个与通电插孔匹配的通电插头，所述电加热块的两侧面上均设有陶瓷隔热层。
优选的，所述安装槽的底面边缘处还设有一圈一体式结构的卡装环。
该装置的多区域温度控制方法包括以下步骤：
S1、温度监测
S1.1传感器数据采集
利用安装在红外加热器表面两侧的红外温度传感器实时监测平台板上方区域的温度，并将其传输给控制模块；每个电加热块表面嵌装的热电偶传感器同时工作，测量各自所在区域的温度，热电偶传感器将温度数据转换为电信号后，通过通电插头与通电插孔连接的线路，传输至控制模块。
S1.2数据整合与预处理
控制模块接收来自红外温度传感器和热电偶传感器的温度数据后，对其进行整合。首先，对数据进行时间同步，确保不同传感器采集的数据在时间轴上对应。然后，对数据进行初步的滤波处理，去除由于噪声等干扰因素产生的异常数据点。例如，采用均值滤波或中值滤波算法，对连续采集的多个数据点进行处理，得到相对稳定和准确的温度值。
S2、温度控制目标设定
S2.1分区目标温度确定
根据打印任务的要求和粉末材料的特性，将平台板划分为不同的区域。例如，对于结构复杂或对温度敏感的区域，可以单独划分出来进行更精细的温度控制。为每个区域设定相应的目标温度。一般来说，对于需要较高成型质量和精度的区域，目标温度可以设置得相对较高，但要在粉末材料的熔点和可承受温度范围内。对于容易出现热变形的区域，目标温度则需要适当降低。这些目标温度值可以通过前期的实验和工艺分析来确定，并存储在控制模块的存储器中。
S2.2温度控制精度要求
针对不同的区域和打印阶段，设定不同的温度控制精度要求。例如，在打印零件的关键部位时，温度控制精度可以要求在±3℃范围内；而在一些相对不太重要的区域或打印初始阶段，温度控制精度要求可以适当放宽到±8℃。
S3、加热控制策略
S3.1红外加热器控制
在打印开始前，根据预设的初始温度值，控制模块启动红外加热器进行非接触式预热。通过调节红外加热器的功率，使平台板上方区域的温度快速上升至接近初始目标温度。
在打印过程中，当红外温度传感器检测到某区域温度低于目标温度一定范围时，控制模块增加相应红外加热器的功率，以提高该区域的温度。反之，如果温度过高，则降低功率。
红外加热器的功率调节可以采用比例-积分-微分（PID）控制算法，根据温度偏差和变化率实时调整功率输出，确保温度稳定在目标范围内。
S3.2电加热块控制
每个电加热块由控制模块独立控制。根据热电偶传感器反馈的温度数据和所在区域的目标温度，控制模块计算出每个电加热块所需的加热功率。
对于温度低于目标温度的电加热块，增加其功率输出；对于温度接近或高于目标温度的电加热块，降低或停止其加热。同样，电加热块的功率控制也可以采用PID算法，以实现精确的温度调节。
在打印过程中，根据零件的打印进度和温度分布情况，动态调整不同区域电加热块的功率。例如，在激光扫描到某一区域时，该区域对应的电加热块可以适当增加功率，以补偿激光吸收热量导致的温度下降。
S3.3加热协同控制
红外加热器和电加热块之间进行协同控制。在预热阶段，以红外加热器为主，快速提升整体温度；在打印过程中，红外加热器和电加热块相互配合，共同维持平台板各区域的温度稳定。
当温度出现较大波动或异常变化时，控制模块可以同时调整红外加热器和电加热块的功率，以快速恢复到目标温度。例如，如果某个区域突然受到外界因素影响导致温度急剧下降，控制模块可以立即增加该区域红外加热器和电加热块的功率，实现快速升温。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明针对这些现有技术问题进行了创新设计。通过在打印成型仓内壁上方设置四个非接触式加热的红外加热器，以及在打印平台底部采用由多个电加热块拼装而成的加热板进行接触式加热，实现了多区域的灵活加热。这种设计能够根据零件的不同区域需求进行独立的温度控制，有效解决了传统技术中温度均匀性差和分区控制不足的问题。
此外，装置中配备了红外温度传感器和热电偶传感器，能够实时精确地监测温度变化。结合先进的PID控制算法，可实现对加热功率的快速、精准调节，大大提高了温度控制的响应速度和精度。同时，控制模块的智能化设计使其能够根据实时数据自动调整温度控制策略，适应各种工况变化，提高了系统的智能化和自适应能力，从而更好地满足了现代制造对LPBF工艺高精度、复杂零件制造、智能化和高效生产的要求。
本文原文来自xjishu.com