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粉末預(yù)熱控制

 激光粉末成型技術(shù), 需要在加工過程中對粉末進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱是成型過程中極其重要的階段, 其精準(zhǔn)度是模型成型時間、精度以及強(qiáng)度的重要保證.

 預(yù)熱過程一般涉及三種能量傳輸方式: 熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射. 熱傳導(dǎo)是物質(zhì)之間的能量轉(zhuǎn)換, 熱對流是流體溫差造成的能量轉(zhuǎn)換,熱輻射是電磁輻射的一種, 由熱源發(fā)出熱能, 被物體吸收后轉(zhuǎn)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(yù)熱控制系統(tǒng)一般采用熱輻射方式. 粉末預(yù)熱有兩個能量來源, 一部分是激光燒結(jié)粉末后能量散失到環(huán)境中; 另一部分是由熱輻射元件的能量預(yù)熱粉末。因此，設(shè)計一個好的預(yù)熱控制系統(tǒng)是能否對粉末均勻預(yù)熱的基礎(chǔ). 早在1992年DTM公司申請了粉末預(yù)熱控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)是一種用于選擇性激光燒結(jié)的熱輻射預(yù)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(huán)等裝置作為輻射源, 放置在成型區(qū)域上方進(jìn)行輻射加熱, 有專門的溫度測量元件對粉末表面溫度進(jìn)行實時監(jiān)控. 專利中的數(shù)據(jù)說明, 使用熱輻射圓環(huán)的設(shè)計, 能夠更好地傳遞熱量, 高效地為粉末表面提供均勻預(yù)熱溫度. 隨后, 德國EOS 公司也為其產(chǎn)品的預(yù)熱控制系統(tǒng)申請了專利. 文獻(xiàn)設(shè)計的預(yù)熱控制系統(tǒng)同樣采用熱輻射進(jìn)行預(yù)熱, 但該裝置采用熱惰性材料石墨薄片作為熱輻射元件, 數(shù)據(jù)說明相比于其他材料, 石墨薄片的溫度傳導(dǎo)系數(shù)更好, 可以預(yù)熱有一定厚度的粉末層, 并且能夠保證溫度的均勻性。文獻(xiàn)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(jī)進(jìn)行預(yù)熱過程溫度測量控制, 該熱感相機(jī)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(yù)熱、輪廓線成型) 的不同溫度區(qū)間(低、中). 圖13和圖14說明了預(yù)熱階段溫度區(qū)間。

 激光選區(qū)燒結(jié)成型過程中, 相鄰層之間如果沒有預(yù)熱控制系統(tǒng)將會發(fā)生上層的溫度高、下層的溫度迅速降低的情況，這樣極易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)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(fā)現(xiàn)使用加熱設(shè)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(chǎn)生, 這樣的溫度控制能夠獲取更好的精度. 同時, 預(yù)熱控制系統(tǒng)對溫度穩(wěn)定性的要求嚴(yán)格, 要求粉床溫度的不均勻度必須控制在一定范圍內(nèi), 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(yù)熱溫度的控制采用的是模糊控制, 且效果良好. 然而, 當(dāng)中間燒結(jié)層的切片形狀發(fā)生超過30% 面積變化時, 采用模糊控制的預(yù)熱系統(tǒng)會發(fā)生快速溫度變化. 因此文獻(xiàn)設(shè)計了一種預(yù)熱溫度調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)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(dāng)獲取切片信息后進(jìn)行溫度控制時, 如果是漸變型截面, 此時預(yù)熱采用常規(guī)的模糊算法; 如果是突變型截面, 此時采用參考模型自適應(yīng)(Model reference adaptive control,MRAC)方法進(jìn)行控制, 實驗證明該系統(tǒng)提高了模型成型的自動化和智能化, 在節(jié)省生產(chǎn)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(guī)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(shù)值，系數(shù)K1，K2可以求出。

 文獻(xiàn)通過對四周區(qū)域加入熱源, 使用有限元模擬, 證明在四周區(qū)域增加溫度補(bǔ)償能夠改善預(yù)熱溫度場的分布, 從而顯著提高了燒結(jié)制件的質(zhì)量。

未完待續(xù)；