增强的过程监测和控制高温选择性激光烧结机的设计和子系统的开发.doc

增强的过程监测和控制高温选择性激光烧结机的设计和子系统的开发 摘要 作为添加剂制造（AM）应用的增长，提高质量的输出产品的需求增加这是明显的愿望，既增加了重复性和选择性激光烧结（SLS的高强度和韧性?）聚合物部件背景 选择性激光烧结温度的测量和控制是利用热电偶高温计商业上完成的，这已在一些使用光电二极管[ 12 ]研究扩展，热敏电阻[ 13 ]，可见光和红外摄像机和数字14–[?17?]。 添加剂制造（AM）的快速增长，在过去五年中为材料的大量放在增加审查这些过程产生的能力吃了可重复的部分可认证的工程使用的机械性能预测。选区激光烧结粉末床方法扩展到包括金属这种日益增长的客户需求，和一个较小的程度的高温聚合物，与药物[ 18 ]和在正常操作温度保持低于500 K.最常见的高温材料，聚醚醚酮（PEEK）和应用的聚芳醚酮（PAEK），提供超过两次由此产生的强度和温度比较常用的聚酰胺/尼龙材料[ 19 ]。聚醚醚酮类半结晶聚合物保持显著增长潜力是部分可预见如果造成重复建设，同时保持它们的体积性质。 建立一个SLS零件时，一个想把粉末接近，但低于再结晶温度，使传播无结块和容易加热熔体温度和再结晶而不引起大温度梯度和相关的残余应力[ 6 ]。高温聚合物这一理想的环境温度对激光扫描之前的粉末在600 K 650 K–vs.425尼龙的订单，并在这个温度较高，工艺室密封和运动部件的轴承是一个重大的挑战。一些市售的SLS?机器能够处理在这么高的温度，与EOS P800作为一个罕见的例子[ 20,21 ]。这台机器是一个较低的温度和较高的P700系列机的自适应构建表面加热元件和一些绝缘增加。不清楚的是，从文学的多少P800构建室是在高温下，由于其加热元件与集中精力主要在建立表面。从温度较低的尼龙的经验，基于辐射的加热主要是构建表面可以产生显著的热不稳定性，在构建室与自然对流驱动导致的不均匀性在流建立的表面积，以较低的导热系数提高粉末[ 22 ]。虽然加热灯小心校准扫描减少空间扭曲，灯具的定位是COM承诺保留在完成激光清除访问建立表面。由此产生的逆热特性构建室，虽然不是主要的辐射换热，提供了在处理条件的整个表面的额外的不确定性。 这里所描述的机器的开发是为了解决的热缺陷目前可用的商业机和监控精度显著提高SLS?需要。本文介绍的设计方法和系统验证测试一台新的机器设计相关。聚醚醚酮，聚芳基醚酮，和其他新材料开发为高性能产品注册使用，需要增加的可重复的操作，来检测和减轻小缺陷或部分条件而变化在整个构建过程能力控制的精度。此外，获得的数据与本机可以广泛使用的SLS?过程现象和改进现有的设备或新一代机器的理解来满足可重复的要求建立质量要求较高的应力中的应用。 机器被称为激光直接制造系统试点，或灯。在照射灯设计工作始于2013，建筑/组件开始在秋天2014春。小说灯的设计属性，关联的预建的分析，和试验进行了描述，在。计划重复部分协助SLS?处理细化政府和行业进行了讨论。另外对下一代的SLS机的影响，该系统也将提高烧结性能的新材料将高应力出现的探索，高温度的应用，目前的需求之前描述。 设计目标 对于灯具发展的总体目标是提高聚合物粉末烧结过程的理解提供一个实验室的能力与这些粉末提高整体过程控制方法。有了这个想法，四设计约束照射灯如下： （）开展SLS?在大气温度为630 K下的聚合物粉末氧化。 （）使ASTM d638-10 II型抗拉试样力学性能评价的建立。构建盒22厘米×22厘米×22厘米。（c）使粉层厚度小至75微米。 （）提供了一个～400μm激光光斑尺寸（类似于商业机器） （）开发一个具有开放式的体系结构，提供机器操作参数的整体系统控制软件。 随着上述的限制，更集中的设计特点进行了合并和高水平的意图的项目如下： （）提供了一个热稳定的建设环境抑制自然对流在构建室和诱导温度梯度部分建立表面。 （b）用辊扩频系统的最大部分卷曲弹性，从而避免了尖锐的边缘与构建表面接触（）减少料粉暴露于高室温度直到。此选项可能会减少在这种情况下，进料废料建造过程缩短（在研究环境更可能）。 （d）使构建过程中通过直接成像的多端口建立表面重要的仪器，和广泛的热电偶传感腔的建造机器箱形截面。 图1。灯机的总体布局。 （）使构建盒为建立和冷却部分创作阶段热条件控制。 这些目标的设计便偏离常规的机器配置。一个关键因素是建立一个室的建立旨在在高温度在操作，而不是仅仅在表面的构建。由此产生的显着的绝缘和轴承和密封件的运动需要的热点区的挑战导致一些独特的传动与密封结构灯具的系统整体的外部配置如图1所示，与传统的25 W的CO2激光和相关的积分是X-Stream BDS扫描仪和光学模块化在箱顶上的系统框架。激光束进入建室通过双层低损耗的硒化锌窗口直接在上面建立的表面。另外两个不相关的外部可见光和