[发明专利]一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法

说明书

本发明提供一种分层制造三维物体的温度场调节方法，概述为：测试工件第1～5层烧结发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，测试工件烧结完成后发生翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调0.1％～0.5％，每次调试完温度场后均需重复验证直至不出现翘曲。本发明还提供一种分层制造三维物体的设备，包括监测模块、控制模块和加热器，监测模块与控制模块连接，用于监测烧结工件形貌并与控制模块建立数据连接，加热器均匀布置在整个加热区域的外围，用于形成工件烧结温度场,加热器还与控制模块连接，用于调节加热器输出功率。本发明调节方法简单准确，材料应用广，设备结构简单、应用领域广。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法。

背景技术

“3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势，未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

按照3D打印的成型机理，通常将3D打印分为两大类：沉积原材料制造与黏合原材料制造，涵盖十多种具体的三维快速制造技术，较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种：SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

下面以选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)为例，来阐述分层制造三维物体温度场调节的技术现状，SLS是目前一种被广泛应用的快速成型技术，其成型工艺原理是：首先建立目标零件的计算机三维模型，然后用分层软件将三维模型进行切片处理，得到每一个加工层面的数据信息，在计算机控制下，根据切片层面信息，利用激光束对可热熔的粉末材料逐层扫描烧结，最终完成目标零件的加工制造。通过激光选择性地熔合粉末层来制造三维物体，粉末材料通常要经过预热升温至某一固定温度，再进行激光扫描熔融选择区域。预热温度的设定值会影响整个烧结过程，一般会低于粉末材料的熔融温度。过高的预热温度，会使受热的粉末在未受激光加热前就已经融化，无法继续成型；过低的预热温度，会使激光加热熔融的区域和周围未加热的粉末产生较大的温差，导致烧结熔融的区域受冷收缩变形，影响成型的精度，收缩严重时会发生翘曲，滚筒推走已经成型的区域，导致成型无法完成。

对于现有的选择性激光烧结设备，大多采用加热器分区加热。多个加热器分布在成型区域的上方，加热器加热垂直方向相对应的区域，使得粉末表面温度维持在所设定温度上下。但由于加热器之间的差异，加热器长时间使用的损耗，致使粉末表面的不同区域的温度存在几度差异。所以当温度分布不均匀时，往往出现部分扫描区域收缩，而其他区域正常，会使得最终成型在收缩区域存在缺陷，影响产品质量。

同时，由于选择性激光烧结适用的材料有很多种，对于不同的材料，其预热温度会有较大的差别，而即使对于相同的材料，由于原材料批次之间的差异，其预热温度也会有差异，导致找到合适的预热温度时间较慢，间接地增加了研发的时间。

发明内容

本发明提供了一种分层制造三维物体的设备及温度场调节方法，设备结构简单，成本低，温度场调节方法易于实现，操作性很强，材料适用性广，可适用于以分层形式制造三维物体的所有技术领域，易应用于工业生产。

本发明提供了一种分层制造三维物体温度场的调节方法，包括如下步骤：

步骤一、设计具有固定形状的若干测试工件，将所述测试工件均匀布置在整个加热区域，对所述测试工件第1～5层进行烧结，观察测试工件烧结翘曲情况，如果测试工件第1～5层中烧结出现翘曲，则通过控制模块将出现翘曲区域所对应的加热器输出功率上调1％～5％，并执行步骤二，如果所述测试工件第1～5层中烧结不出现翘曲，则执行步骤三；