粉末預熱控制
激光粉末成型技術, 需要在加工過程中對粉末進行預熱。預熱是成型過程中極其重要的階段, 其精準度是模型成型時間、精度以及強度的重要保證.
預熱過程一般涉及三種能量傳輸方式: 熱傳導、熱對流和熱輻射. 熱傳導是物質之間的能量轉換, 熱對流是流體溫差造成的能量轉換,熱輻射是電磁輻射的一種, 由熱源發出熱能, 被物體吸收后轉換成熱能. 熱輻射屬于一種非接觸式傳熱, 而且傳熱速度很快, 所以預熱控制系統一般采用熱輻射方式. 粉末預熱有兩個能量來源, 一部分是激光燒結粉末后能量散失到環境中; 另一部分是由熱輻射元件的能量預熱粉末。因此，設計一個好的預熱控制系統是能否對粉末均勻預熱的基礎. 早在1992年DTM公司申請了粉末預熱控制系統, 該系統是一種用于選擇性激光燒結的熱輻射預熱裝置, 該裝置可以為粉末表面提供均勻的溫度, 選用熱輻射板、熱輻射圓環等裝置作為輻射源, 放置在成型區域上方進行輻射加熱, 有專門的溫度測量元件對粉末表面溫度進行實時監控. 專利中的數據說明, 使用熱輻射圓環的設計, 能夠更好地傳遞熱量, 高效地為粉末表面提供均勻預熱溫度. 隨后, 德國EOS 公司也為其產品的預熱控制系統申請了專利. 文獻設計的預熱控制系統同樣采用熱輻射進行預熱, 但該裝置采用熱惰性材料石墨薄片作為熱輻射元件, 數據說明相比于其他材料, 石墨薄片的溫度傳導系數更好, 可以預熱有一定厚度的粉末層, 并且能夠保證溫度的均勻性。文獻分析了電子束增材制造過程控制, 并嘗試使用NIR (Near-infrared) 兩種鏡頭的熱感相機進行預熱過程溫度測量控制, 該熱感相機可測量的溫度范圍在600?3000 ±C, 可有效地測量過程控制中
各階段(預熱、輪廓線成型) 的不同溫度區間(低、中). 圖13和圖14說明了預熱階段溫度區間。
激光選區燒結成型過程中, 相鄰層之間如果沒有預熱控制系統將會發生上層的溫度高、下層的溫度迅速降低的情況，這樣極易產生內應力和翹曲形變。研究人員通過正交實驗和方差分析的手段,發現使用加熱設備將溫度控制為: 層間高、兩端低的情況將不會有顯著的形變樣品產生, 這樣的溫度控制能夠獲取更好的精度. 同時, 預熱控制系統對溫度穩定性的要求嚴格, 要求粉床溫度的不均勻度必須控制在一定范圍內, 所以如何控制好粉床的溫度也是十分重要. 通常情況下, 對預熱溫度的控制采用的是模糊控制, 且效果良好. 然而, 當中間燒結層的切片形狀發生超過30% 面積變化時, 采用模糊控制的預熱系統會發生快速溫度變化. 因此文獻設計了一種預熱溫度調控系統，該系統根據切片形狀不同, 將切片分為漸變型(相鄰層變化平緩)和突變型(相鄰層變化大)。當獲取切片信息后進行溫度控制時, 如果是漸變型截面, 此時預熱采用常規的模糊算法; 如果是突變型截面, 此時采用參考模型自適應(Model reference adaptive control,MRAC)方法進行控制, 實驗證明該系統提高了模型成型的自動化和智能化, 在節省生產成本的情況下, 提高了模型的各項性能。在第k步,第i條的控制規則為
式中，Ei，IEi分別是e，∫e dt的模糊集，μEi（e），μEi（∫e dt）為3e，∫e dt的隸屬度函數值，系數K1，K2可以求出。
文獻通過對四周區域加入熱源, 使用有限元模擬, 證明在四周區域增加溫度補償能夠改善預熱溫度場的分布, 從而顯著提高了燒結制件的質量。
未完待續；
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