激光金属沉积成形的基板预热系统

摘要

本发明涉及一种激光金属沉积成形的基板预热系统，包括基板预热器及其温度控制装置，其中基板预热器为一箱体结构，具有底板、设于底板周边的内壁及外壁，内壁与外壁之间设有保温材料，在底板上通过隔热材料安装有电加热管，在箱体内、电加热管的上方安装有铜板，电加热管的接线端与温度控制装置相连。本发明为激光金属沉积成形技术提供了稳定的温度场，有效地降低了成形过程中试样和基板的温度梯度，自动化程度高，基板预热均匀性好，控制精度高，为激光金属沉积成形技术中存在的裂缝甚至发生断裂的问题提供了一个有效的解决途径。

说明书

技术领域

本发明涉及激光金属沉积成形的基板预热系统，具体地说是在激光金属沉积成形过程中，通过基板预热器、相应的硬件集成控制单元和软件操作界面，实现在不同基板预热温度下的金属零件的激光沉积成形的激光金属沉积成形的基板预热系统。

背景技术

快速原型制造(Rapid Prototyping，以下简称RP)技术是九十年代发展起来的一项高新技术。它是在计算机辅助设计(CAD，Computer AidedDesign)、计算机辅助制造(CAM，Computer Aided Manufacturing)技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体模型或样件。自一九八八年第一台商品成型机问世以来，RP技术得到了迅速的推广应用，它大大缩短了新产品的研发周期，确保了新产品的上市时间和新产品开发的一次成功，显著提高了产品在市场上的竞争力和企业对市场的快速反应能力。

同时，激光金属沉积成形过程是一个非线性的、伴随着复杂相变的加工过程。成形过程中所具有的能量集中输入、快速加热冷却等特点，从而成形试样内部以及试样与基板间存在着巨大的温度梯度，使得试样的微观组织呈现很强的方向选择性，影响试样的各种性能。同时，剧烈的温度梯度也使得试样在成形过程中产生很大的热应力，当热应力达到材料极限时，试样将产生裂缝甚至发生断裂。因此，如何降低成形过程的温度梯度和热应力、抑制沉积过程试样裂缝的产生成为激光金属沉积成形技术迫切需要解决的重要问题。目前基板预热系统在激光金属沉积成形加工过程中的应用尚未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光金属沉积成形的基板预热系统，能够在稳定的温度场下保证成形件的质量及尺寸精度要求。

为实现上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明包括基板预热器及其温度控制装置，其中基板预热器为一箱体结构，具有底板、设于底板周边的内壁及外壁，内壁与外壁之间设有保温材料，在底板上通过隔热材料安装有电加热管，在箱体内、电加热管的上方安装有铜板，电加热管的接线端与温度控制装置相连。

所述温度控制装置包括温度控制器及监控计算机，其中温度控制器的输入端与设于箱体内的温度传感器相连，输出端接至电加热管的接线端；所述温度传感器的输出端还通过温度数据采集模块和串行通信接口转换模块接至监控计算机，该监控计算机的输出端通过温度控制模块与电加热管的接线端相连；所述电加热管在箱体内呈“弓”字形迂回排布；所述铜板由支撑块支撑安装于底板上；所述底板底部设有底座；所述保温材料为石棉；所述隔热材料为耐火瓷板。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.为激光金属沉积成形技术提供了稳定的温度场。实践证明，温度场分布是反映加工过程条件的一个重要参数，稳定的温度场能够保证成形件的质量及尺寸精度要求。利用本发明系统使基板预热，有效地降低了成形过程中试样和基板的温度梯度，还可以让成形过程的温度场更加稳定。

2.自动化程度高。本发明系统以热传导理论和激光金属沉积成形技术为理论依据研制的激光金属沉积成形过程基板预热系统，包括相应的硬件集成控制单元和软件操作界面，温度控制采用双路冗余设计，即智能PID控制和计算机控制，实现基板预热温度在常温～560℃范围内连续调节，控制过程全自动进行，不需人为干预，实现对基板预热温度的实时检测和记录。

3.基板预热均匀性好，控制精度高。PID温度控制反映速度快、精度高，可达到±0.1℃；同时，利用紫铜板通过电加热管形成的温度场均匀、稳定，为激光金属沉积成形技术中存在的裂缝甚至发生断裂的问题提供了一个有效的解决途径。

附图说明

图1为本发明系统电气结构图；

图2A为本发明的基板预热器外观示意图；

图2B为图2A的仰视图；

图3为本发明的基板预热器内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图2A、2B及图3所示，基板预热器1的工作环境既高温又多尘，同时还要求加热升温迅速并能保持恒定温度，因此本发明系统采用以下结构：包括基板预热器7及其温度控制装置，其中基板预热器7为一箱体结构，具有底板15、设于底板15周边的内壁12及外壁11，内壁12与外壁11之间设有保温材料17，在底板15上通过隔热材料18安装有电加热管20，在箱体内、电加热管20的上方安装有铜板16，电加热管20的接线端与温度控制装置相连。其中电加热管20在箱体内呈“弓”字形迂回排布，采用大功率不锈钢电加热管，既能保证快速升温的需要，还耐灰尘，不会产生短路；在箱体上设于底板15周边的部分采用内壁11及外壁12两层结构，两层结构中间填充保温材料(本实施例采用石棉毡)，既可以隔热又可以保温，能够减少电加热管20启动的频率，增加电加热管20的寿命；隔热材料18(本实施例采用耐火瓷板)用来在箱体上固定加热管，同时还可以将电加热管20与底板15隔开，避免本基板预热器1底部由于与电加热管20接触而温度太高；底板15的下部还设有多个底座14；铜板16(本实施例具体采用紫铜板)由箱体支撑(也可通过支撑块19支撑安装于底板15上)并被放置在不锈钢电加热管20的上方，由于纯铜的导热性能优异，可以满足快速升温的需要。同时，一定厚度纯铜板的热容量很大，这样既可以让基板受热更均匀，还可以降低预热温度变化的速率，减少电加热管20的启动频率，增加电加热管20的使用寿命。

本发明系统的温度控制采用双路控制方式，如图1所示，其中温度控制器3回路是其中之一，也是最常用的控制方式。本实施例采用以单片机为控制核心的智能PID控制器，温度传感器2采用安装在基板预热器箱体中、紫铜板一侧的铠装PT100铂热电阻(测温范围：10～600℃)，其向温度控制器3输入温度检测信号，通过固态继电器控制基板预热器1的大功率不锈钢电加热管20的加热电源，在该闭环回路中实现基板预热温度在室温～500℃之间连续可调，精度可以达到±0.1℃。智能PID温度控制器通过直流电源供电。

基板预热温度串口实时采集和反馈控制是基板预热系统双路温度控制中除智能PID温度控制的另外一种。其以监控计算机5为主控制部件，即是温度控制器3的上位监控机对基板预热器的预热温度进行实时监测和记录，又能取代智能PID温度控制器直接对基板预热器1预热温度实施控制。其温度采集部分主要包括串行通信接口转换模块6和温度数据采集模块7，信号传输协议采用ASCII命令/响应协议。监控计算机5通过串行通信技术，控制和管理以单片机为控制核心的底层硬件系统模块。监控计算机5通过RS-232-C口与ADAM-4520接口标准转换模块相连接，实现RS232和RS485接口标准的转换。前端设备采用RS485接口标准的ADAM-4018热电偶温度采集模块和PT100铂热电阻相连，将检测的预热温度的模拟信号转换为数字信号。监控计算机5的输出端通过温度控制模块4对基板预热器1的电加热管20实施控制，温度控制模块4主要包括Advantech的PCI-1750型I/O控制卡、固态继电器等。

本发明系统工作过程如下：在没有引入基板预热系统之前，激光金属沉积成形实验时基板通常被放置在一个隔热的平台上，激光以及送粉头就直接在基板上表面堆积成形。在引入基板预热系统后，基板首先被放置在基板预热器1的紫铜板16上进行加热。如果不需要记录基板预热温度的变化曲线，则直接采用智能PID温度控制器来设定基板预热温度并进行控制：当智能PID温度控制器通过温度传感器2检测到基板的预热温度低于设定温度时，智能PID温度控制器向固态继电器输出控制信号，由固态继电器的输出信号接通不锈钢电加热管20的电源，从而对紫铜板16进行加热；当紫铜板16的温度达到设定温度时，智能PID温度控制器断开固态继电器，固态继电器又断开不锈钢电加热管20的电源，从而停止对紫铜板16加热，这样就形成了对基板预热器1温度的闭环控制。

如果需要观察和记录基板预热温度随时间的变化，则关闭智能PID控制器，而将温度传感器2检测到的温度信号直接通过温度数据采集模块7及串行通信接口转换模块6采集到监控计算机5中，然后通过监控计算机5中的人机交互界面设定基板预热温度并进行控制：当监控计算机5经温度传感器2检测到基板的预热温度低于设定温度时，再通过I/O控制卡向固态继电器输出控制信号，由固态继电器的输出信号接通不锈钢电加热管20的电源，从而对紫铜板16进行加热；当紫铜板16的温度达到设定温度时，监控计算机5通过I/O控制卡输出信号断开固态继电器，固态继电器又断开不锈钢电加热管20的电源，从而停止对紫铜板加热，这样就形成了对基板预热器1温度的闭环控制。此时监控计算机5上可以通过界面实时显示基板预热温度曲线。当然，这两种独立的双路控制方式也可以同时使用，这时可以由智能PID温度控制器来控制基板预热温度，由监控计算机5通过串口来实时显示和记录基板预热温度随时间的变化。