一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统

摘要

本发明属于3D打印配套设备技术领域，并公开了一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其整体布置于激光选区烧结设备的成形腔体上部，并且沿着高度方向由下至上划分为依次层叠成三明治构造的第一防护层、第二防护层和第三防护层。本发明还进一步对这三层防护层的具体结构及工作机理进行了优化设计。通过本发明，不仅可实现对成形腔体的有效隔热，实现对整个光学系统形成有效的热力防护与降温，使激光器及其他光学部件处于工作温度范围内，而且即便在400℃的高温激光选区烧结工况下也能确保成型过程安全稳定地进行。

权利要求

1.一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，该光学热力防护及冷却系统整体布置于激光选区烧结设备的成形腔体上部，并且沿着高度方向由下至上划分为依次层叠的第一防护层(1)、第二防护层(2)和第三防护层(3)，其中：该第一防护层(1)呈现风冷结构层的形式且铺设在所述成形腔体的上部，并包括位于左右两侧的冷气进口(11)和冷气出口(16)、位于上下两侧的上透视窗(13)和下透视窗(14)，以及在中部区域封闭包围形成的空腔(15)；其中冷气经由所述冷气进口(11)进入后由进气栅格(12)的多层扰流板分隔成为多层层流冷气，然后通入所述空腔(15)以执行多层换热与隔热；换热后的层流气体继续通过排气栅格(17)由所述冷气出口(16)排出；此外，所述上透视窗和下透视窗共同构成一个激光透视路径，并用于激光光束贯穿到达位于所述成形腔体下部的成形台面(41)；

该第二防护层(2)呈现水冷结构层的形式且继续铺设在所述第一防护层的上部，并包括水冷基板(21)和水冷温度传感器(22)；其中所述水冷基板(21)具有内置随形冷却流道(211)，并且它从冷水进口(21)曲线折叠延伸至冷水出口(213)，由此借助于流经于其的冷却介质来起到降温功能；所述水冷温度传感器(22)则用于对所述水冷基板的上方环境温度进行监测，并提供监测反馈数据以实时调节循环冷却介质的流入温度值；

该第三防护层(3)呈现风冷结构层的形式且继续铺设在所述第二防护层的上部，并包括从内到外设置的双风道也即内风道(351)和外风道(352)；其中所述内风道(351)将安装在水平面板上的激光光学模块的所有部件均置于其中，并且借助于通过进气口进入的冷气来执行风冷冷却；所述外风道则用于将所述内风道置于其中，由此与外部其他热源进行隔热。

2.如权利要求1所述的一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，对于所述第一防护层而言，它的所述空腔(15)下部还设置有一个石墨板(18)，并通过该石墨板沿着板平面方向执行传热、而在垂直于板平面的方向上几乎不传热的传热各向异性来进一步提高热力防护效果。

3.如权利要求1或2所述的一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，对于所述第二防护层而言，它的所述水冷基板(21)下部还设置有一个碳纤维支撑垫(23)，由此在起到支撑和密封作用的同时，还起到进一步隔热的效果。

4.如权利要求3所述的一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，所述水冷基板的材质为高导热钢，并且由金属增材制造方法制得。

5.如权利要求1或2所述的一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，对于所述第三防护层而言，它还包括风冷温度传感器(33)，该风冷温度传感器靠近所述激光光学模块的激光器而放置，并用于对此激光器的温度执行实时监测。

6.如权利要求1或2所述的一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，上述光学热力防护及冷却系统运用于F-theta透镜聚焦方式的二维振镜激光扫描系统，或者动态聚焦方式的三维振镜激光扫描系统。

7.如权利要求1或2所述的一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，该光学热力防护及冷却系统还配备有绝热组合板一起工作；所述绝热组合板布置于振镜式激光扫描系统、送粉腔体和成形腔体之间，并用于对三者之间实现彼此的有效隔热；该绝热组合板由用于对Y-Z轴平面方向进行隔热的第一组合板和用于对X-Y轴平面方向进行隔热的第二组合板组合而成，其中Y轴方向被定义为水平纵向方向，Z轴被定义为竖直方向；此外，第一、第二组合板沿着厚度方向均包含多层彼此间隔的石墨板和绝热材料层以形成多夹层结构，并且当组合板沿着X-Y轴平面布置时，这些石墨板与所述送粉腔台面保持平行，而当组合板沿着Y-Z轴平面布置时，这些石墨板与所述送粉腔台面保持垂直。

说明书

一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印配套设备技术领域，更具体地，涉及一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统。

背景技术

[0002] 所谓激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)，是增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)的重要分支，其采用分层制造并叠加的原理，可以直接从CAD模型制造出三维实体零部件，是先进制造领域研究的前沿。SLS技术最大的优势是可成形任意复杂结构零件，并可实现大型零件的免装配一次整体成形，因此已在航空航天、生物医疗、汽车工业领域的复杂结构零部件制造方面得到广泛应用。

[0003] 然而，对于某些对温度参数控制要求很高的材料成型应用场合，SLS面临着较多待解决的技术问题。例如，高性能聚芳醚酮(PAEKs)、聚芳酰胺(Aromafic Polyamides)等特种聚合物材料以其较高的比强度和断裂韧性在汽车零部件制造上已成功替代铝合金。这类特种聚合物材料一般具有较高的熔点(例如聚醚醚酮PEEK材料，其熔点约为340℃)，为防止成形过程中零件翘曲变形，要求SLS成形过程中预热温度设置在330-337℃(激光烧结窗口)范围内；而对于老化的PEEK粉末其熔点更高，烧结窗口更窄，预热温度设置接近400℃。另外，成形腔体内温度还必须保持均一，以减小激光烧结熔体与周围粉末的温度梯度，保证熔体均匀散热，减小零件精度偏差。

[0004] 在此情况下，这么高的预热温度对SLS增材制造装备提出了非常高的要求。由于成形腔体内温度均在400℃左右，腔体内器件极易老化受损甚至失效，且装备存在传热、密封等多种问题，整个装备的众多器件均需要较好的热力防护。另一方面，SLS装备最重要的当属光学系统，其价格昂贵，占整个装备价格的70％以上。而目前的光学系统安装在成形腔体上方，与成形腔体距离十分接近，因此如何做好整个光学系统的热力防护同样构成一个亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其中通过结合现有激光选区烧结设备的结构及工艺特征分析，针对性增设了包含多个功能模块的层叠式也即三明治构造的热力防护及冷却系统，并且进一步对其具体构造组成及工作机理等多个方面做出了优化设计，相应不仅能够很好地综合运用多种方式对来对成形腔体上方的整个光学模块进行热力防护及有效冷却，而且即便在苛刻温度控制条件的工况下也能确保激光选区熔化过程的高精度和稳定进行，因而尤其适用于譬如特种聚合物材料SLS成型之类的应用场合。

[0006] 相应地，按照本发明，提供了一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统，其特征在于，该光学热力防护及冷却系统整体布置于激光选区烧结设备的成形腔体上部，并且沿着高度方向由下至上划分为依次层叠的第一防护层、第二防护层和第三防护层，其中：

[0007] 该第一防护层呈现风冷结构层的形式且铺设在所述成形腔体上部，并包括位于左右两侧的冷气进口和冷气出口、位于上下两侧的上透视窗和下透视窗，以及在中部区域封闭包围形成的空腔；其中冷气经由所述冷气进口进入后由进气栅格的多层扰流板分隔成为多层层流冷气，然后通入所述空腔以执行多层换热与隔热；换热后的层流气体继续通过排气栅格由所述冷气出口排出；此外，所述上透视窗和下透视窗共同构成一个激光透视路径，并用于激光光束贯穿到达位于所述成形腔体下部的成形台面；

[0008] 该第二防护层呈现水冷结构层的形式且继续铺设在所述第一防护层的上部，并包括水冷基板和水冷温度传感器；其中所述水冷基板具有内置随形冷却流道，并且它从冷水进口曲线折叠延伸至冷水出口，由此借助于流经于其的冷却介质来起到降温功能；所述水冷温度传感器则用于对所述水冷基板的上方环境温度进行监测，并提供监测反馈数据以实时调节循环冷却介质的流入温度值；

[0009] 该第三防护层呈现风冷结构层的形式且继续铺设在所述第二防护层的上部，并包括从内到外设置的双风道也即内风道和外风道；其中所述内风道将安装在水平面板上的激光光学模块的所有部件均置于其中，并且借助于通过进气口进入的冷气来执行风冷冷却；所述外风道则用于将所述内风道置于其中，由此与外部其他热源进行隔热。

[0010] 作为进一步优选地，对于所述第一防护层而言，它的所述空腔下部优选还设置有一个石墨板，并利用其沿着板平面方向执行传热、而在垂直于板平面的方向上几乎不传热的传热各向异性来进一步提高热力防护效果。

[0011] 作为进一步优选地，对于所述第二防护层而言，它的所述水冷基板下部优选还设置有一个碳纤维支撑垫，由此在起到支撑和密封作用的同时，还起到进一步隔热的效果。

[0012] 作为进一步优选地，所述水冷基板的材质优选为高导热钢，并且优选由金属增材制造方法制得。

[0013] 作为进一步优选地，对于所述第三防护层而言，它优选还包括风冷温度传感器，该风冷温度传感器靠近所述激光光学模块的激光器而放置，并用于对此激光器的温度执行实时监测。

[0014] 作为进一步优选地，所述外风道、内风道优选均与所述第一防护层共用一个冷气来源。

[0015] 作为进一步优选地，上述光学热力防护及冷却系统优选运用于F-theta透镜聚焦方式的二维振镜激光扫描系统，或者动态聚焦方式的三维振镜激光扫描系统。

[0016] 作为进一步优选地，上述光学热力防护及冷却系统优选还可以配备有绝热组合板一共工作；该绝热组合板布置于振镜式激光扫描系统、送粉腔体和成形腔体之间，并用于对三者之间实现彼此的有效隔热；该绝热组合板由用于对Y-Z轴平面方向进行隔热的第一组合板和用于对X-Y轴平面方向进行隔热的第二组合板组合而成，其中Y轴方向被定义为水平纵向方向，Z轴被定义为竖直方向；此外，第一、第二组合板沿着厚度方向均包含多层彼此间隔的石墨板和绝热材料层以形成多夹层结构，并且当组合板沿着X-Y轴平面布置时，这些石墨板与所述送粉腔台面保持平行，而当组合板沿着Y-Z轴平面布置时，这些石墨板与所述送粉腔台面保持垂直。

[0017] 总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0018] 1、本发明通过对现有激光选区烧结设备的结构及工艺特征进行深入分析，针对性构建了整套的光学热力防护与冷却系统，相应不仅能够对位于激光选取烧结设备的整个光学模块形成有效的降温和热力防护效果，而且即便对于譬如400℃的高温激光选区烧结过程同样能够确保安全稳定地进行；

[0019] 2、本发明还进一步对该系统的组成构造、空间布局及工作机理进行了优化设计，较多的实际测试结果表明，这种三明治或层叠式的布置方式以及多种工作方式的综合运用，能够适应于各种类型的振镜激光扫描系统，大小工作台面均能匹配，而且在激光选取烧结过程中实现高温成形腔体的有效隔热，使得激光器及其他光学布局均处于合适的工作温度范围内，同时具备结构紧凑、便于操控等特点；

[0020] 3、按照本发明的系统还在第二防护层及第三防护层均设置有温度传感器，实时监测激光器工作情况，当激光器超过临界工作温度时，整个激光选区烧结装备报警并停止工作，对激光器起到良好的保护作用。

附图说明

[0021] 图1是按照本发明所构建的用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统的整体结构示意图；

[0022] 图2是按照本发明一个优选实施方式所设计的光学热力防护与冷却系统第一防护层的结构示意图；

[0023] 图3是按照本发明另一优选实施方式所设计的光学热力防护与冷却系统第二防护层及其与第一防护层的连接结构示意图；

[0024] 图4是按照本发明另一优选实施方式所设计的光学热力防护与冷却系统第三防护层的结构示意图；

[0025] 图5是按照本发明又一优选实施方式所设计的第三防护层沿着Y-Z剖面所得到的截面示意图；

[0026] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0027] 1-第一防护层，2-第二防护层，3-第三防护层，4-成型腔，41-成形台面，11-冷气进口，12-进气栅格、13-上透视窗、14-下透视窗，15-空腔，16-冷气出口，17-排气栅格，18-石墨板，19-金属架，21-水冷基板，211-内置随形冷却流道，212-冷水进口，213-冷水出口，22-水冷温度传感器，23-碳纤维支撑垫，24-金属架，31-玻璃纤维垫，32-水平面板，33-风冷温度传感器、34-激光光学模块，341-激光器、342-扩束镜，343-石英管，344-平面反射镜，345-动态聚焦系统，346-物镜组，347-扫描振镜，41-成形台面，35-双风道，351-内风道，352-外风道，5-绝热组合板，6-送粉腔，7-激光扫描系统

具体实施方式

[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0029] 图1是按照本发明所构建的用于高温激光选区烧结的光学热力防护及冷却系统的整体结构示意图。如图1所示，该系统整体布置于激光选区烧结设备的成形腔体上部，并且沿着高度方向由下至上划分为依次层叠或者三明治结构的第一防护层1、第二防护层2和第三防护层3，并运用这些防护层的共同配合和工作机理来有效起到热力防护和降温功能。下面将对这些主要功能组件逐一进行解释说明，为便于理解起见，将水平横向方向定义为X轴方向，水平纵向方向定义为Y轴方向，而高度方向定义为Z轴方向。

[0030] 对于第一防护层1而言，它呈现风冷结构层的形式且铺设在所述成形腔体4上部，并包括位于左右两侧的冷气进口11和冷气出口16、位于上下两侧的上透视窗13和下透视窗14，以及在中部区域封闭包围形成的空腔15；其中冷气经由所述冷气进口11进入后由进气栅格12的多层扰流板分隔成为多层层流冷气，然后通入所述空腔15以执行多层换热与隔热；换热后的层流气体继续通过排气栅格17由所述冷气出口16排出；此外，所述上透视窗和下透视窗共同构成一个激光透视路径，并用于激光光束贯穿到达位于所述成形腔体下部的成形台面41。

[0031] 更具体地，如图2和图3所示，第一防护层1为风冷结构层，其包含冷气进口11、进气栅格12、上透视窗13、下透视窗14、空腔15、冷气出口16、排气栅格17等。当激光光学模块34选用动态聚焦方式的三维振镜激光扫描系统时，空腔15内可不放置任何器件。上透视窗13与下透视窗14为激光透视窗口，材质譬如为石英微晶玻璃，耐热可达1500℃以上。冷气通过冷气进口11进入，由进气栅格12的多层扰流板划分冷气为多层层流冷气，层流冷气通入空腔15后实现多层空冷、换热与隔热，换热后的层流气体进入排气栅格17由冷气出口16排出。第一防护层1距离成形腔体4最近，其本身具有隔绝成形腔4与上方的激光光学模块34热量传递的作用，除此之外，其与成形腔体4的隔热优选采用石墨板18。石墨板18置于空腔15下部，其具有典型的传热各向异性，即沿板平面XY传热，而垂直于板平面Z向几乎不传热。石墨板18下层为金属架19，对石墨板18及上方防护层起到支撑作用。

[0032] 参见图3，第二防护层2为水冷结构层，为主要隔热层，其置于在第一防护层1与第三防护层3中间，其主要部件为水冷基板21和水冷温度传感器22；所述水冷基板21具有内置随形冷却流道211、冷水进口212、冷水出口213；水冷基板材质可优选为高导热钢，冷却介质譬如为水。水冷基板21内置的随形冷却流道211优选在本发明中设计为S型蜿蜒流道，流向如图3箭头所示，由冷水进口212曲线折叠延伸至冷水出口213，水冷基板21可由金属增材制造方法制得，内置的随形冷却流道211可经过三维模型自由设计并制造出来，以达到最大散热效率。冷水通过冷水进口212进入水冷基板21内部的随形冷却流道211对基板整体进行冷却，换热后由冷水出口213流出，流出的水经管道进入外置的循环冷却泵降温，换热降温后的水重新进入冷水进口212对水冷基板21进行降温。水冷温度传感器22置于水冷基板21上部监测基板上部温度，以此调节循环冷却水的温度。水冷基板21下方置有碳纤维支撑垫23，一方面起到支撑与密封的作用，另一方面起到隔热效果。碳纤维支撑垫23下方具有金属架24，对第二防护层2起到支撑作用。

[0033] 如图4和图5所更具体所示，第三防护层3为风冷结构层，其用于对处于其上的激光光学模块34起到风冷降温作用。所述激光光学模块34主要包括激光器341、扩束镜342、石英管343、平面反射镜344、动态聚焦系统345、物镜组346、扫描振镜347等。所述动态聚焦系统345由Z轴执行电机、可移动聚焦镜和静止物镜组成。所述石英管343用于光路保护，隔绝与外部的气体交换。为提高动态聚焦系统345的响应速度，动态聚焦系统聚焦镜的移动距离较短，在±5mm以内，辅助的物镜可将聚焦镜的调节作用进行放大，从而实现在整个工作面内将扫描点的聚焦光斑控制在一定范围之内。所述扫描振镜347包括X轴扫描振镜及转动电机、Y轴扫描振镜及转动电机。

[0034] 对于本发明的第三防护层而言，其优选被设计为从内到外设置的双风道构造也即包含有内风道和外风道；其中所述内风道将安装在水平面板上的激光光学模块的所有部件均置于其中，并且借助于通过进气口进入的冷气来执行风冷冷却；所述外风道则用于将所述内风道置于其中，由此与外部其他热源进行隔热。

[0035] 更具体而言，如图5所示，双风道35包括内风道351和外风道352，其与激光光学模块34所有部件均置于水平面板32上，水平面板32下方放置玻璃纤维垫31。双风道35与第一防护层1优选可共用同一冷气来源。所述激光光学模块34置于内风道351内，冷气通过进气口进入内风道351对激光光学模块34所有部件进行风冷冷却，外风道352用于与风道35外其它热量来源进行隔热。风冷温度传感器33靠近激光器341放置，用于监测激光器341的温度，当激光器341超过临界工作温度时，整个激光选区烧结装备报警并停止工作。

[0036] 此外，目前用于激光选区烧结系统的振镜式激光扫描系统主要包括采用F-theta透镜聚焦方式的二维振镜激光扫描系统和采用动态聚焦方式的三维振镜激光扫描系统两种类型，主要根据扫描视场大小、工作面聚焦光斑的大小以及工作距离等来决定。本发明的光学热力防护与冷却系统术语一种独立控温的高温激光选区烧结框架结构，它同时适用于F-theta透镜聚焦方式的二维振镜激光扫描系统，以及动态聚焦方式的三维振镜激光扫描系统，因此不受工作台面大小的影响，即大小工作台面均适用。

[0037] 按照本发明的一个优选实施方式，上述光学热力防护及冷却系统优选还可以配置有一个绝热组合板一同工作。

[0038] 如图所示，激光选取烧结设备在本实施方式中可以包括振镜式激光扫描系统、送粉腔体、成形腔体和绝热组合板。其中该振镜式激光扫描系统包括提供工作光源的激光器及其配套的透镜模块，它整体布置在所述成形腔体的上部，并通过激光透视窗口来将工作光源照射至成形腔台面上的粉末以进行选择性激光烧结。该送粉腔体布置在所述成形腔体的左侧，并包括刮板、送粉缸、送粉腔台面和落粉槽等，其中刮板在工作时沿着水平横向方向也即X轴方向运动，使得处于该送粉腔台面上的适量粉末送至与所述成形腔体可控相连通的该落粉槽处，然后下落至所述成形腔体内的接送粉装置；此外，该送粉腔体内部还设置有第一红外辐射加热装置，该第一红外辐射加热装置作为辅助加热单元与起到主要加热功能的所述送粉缸一同配合工作，并对处于所述送粉腔台面上的粉末执行独立控温的预热操作。该成形腔体除了包括所述成形腔台面和接送粉装置之外，还包括成形缸、第二红外辐射加热装置和漏粉缸，其中该接送粉装置用于将来自所述送粉腔体的粉末平铺至该成型腔台面，然后借助于所述工作光源对其进行选择性激光扫描；该第二红外辐射加热装置作为辅助加热单元与起到主要加热功能的所述成形一同配合工作，并对处于所述成型腔台面上的粉末执行独立控温的加热操作；此外，该漏粉缸用于接收铺粉时多余的粉末，进行回收再利用；

[0039] 特别是，对于绝热组合板5而言，如图1所示，其布置于振镜式激光扫描系统7、送粉腔体6和成形腔体4之间，并用于对三者之间实现彼此的有效隔热；该绝热组合板5由用于对Y-Z轴平面方向进行隔热的第一组合板和用于对X-Y轴平面方向进行隔热的第二组合板组合而成，其中Y轴方向被定义为水平纵向方向，Z轴被定义为竖直方向；此外，第一、第二组合板沿着厚度方向均包含多层彼此间隔的石墨板和绝热材料层以形成多夹层结构，并且当组合板沿着X-Y轴平面布置时，这些石墨板与所述送粉腔台面保持平行，而当组合板沿着Y-Z轴平面布置时，这些石墨板与所述送粉腔台面保持垂直。以此方式，这种独立控温的框架结构能够同时保证送粉台面粉末预热温度场的均匀性以及成形台面加工温度场的均匀性，在送粉前送粉腔体台面的粉末就可达到可烧结温度，不存在凉粉送至烧结熔体上的情况，降低的零件翘曲的可能性，同时可降低实际烧结延迟时间，提高实际烧结效率。本发明的独立控温的框架结构尤其适用于对高性能聚合物例如聚芳醚酮、聚芳酰胺进行400℃的高温激光烧结。

[0040] 综上，本发明所提出的光学热力防护与冷却系统由层叠的第一防护层(风冷层)、第二防护层(水冷层)和第三防护层(风冷层)共同形象，其不仅可实现对整个光学系统形成有效的热力防护与降温，使激光器及其他光学部件处于工作温度范围内，而且还能够保证即便400℃的高温激光选区烧结工况下也能安全稳定地进行，因而尤其适用于譬如特种聚合物材料SLS成型之类的应用场合。

[0041] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。