CN111673084A - 温度控制方法、电子装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种温度控制方法、电子装置，以及计算机可读存储介质。其中，该温度控制方法包括：检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；从温度分布中提取层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布，并根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率；从温度分布中提取层叠造型部表面的熔融结合区域的第二温度分布，并根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。通过本申请，解决了三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制失稳的问题，提高了三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制稳定性。

Description

温度控制方法、电子装置及计算机可读存储介质

技术领域

本申请涉及三维打印领域，特别是涉及温度控制系统、三维层叠造型装置、温度控制方法、电子装置，以及计算机可读存储介质。

背景技术

近年来，以逐层累积方式为核心的增材制造/3D打印技术，逐步受到制造领域的关注。由于成型自由度高、无需模具、数模一次直接成形等优势，3D打印技术不仅被视作传统制造技术的必要补充，也承载了制造业对未来技术的期待。在众多3D打印设备中，基于选择性激光熔融成型(Selective Laser Melting，简称为SLM)和选择性激光烧结成型((Selective Laser Sintering，简称为SLS)三维层叠造型装置，通过激光束选择性照射粉末床上粉末薄层特定区域，并使之熔融结合为高精度片状整体。由于SLM/SLS的打印过程无需复杂支撑结构，且成形精度高、表面质量好，已被广泛用于复杂结构金属部件、高分子零件的快速制造。根据熔融结合成形原理，为得到细节清晰、尺寸精准的三维实体零件，精确控制粉末层的熔融结合区域显得尤为关键。

现有基于SLM/SLS的三维层叠造型装置普遍采用激光束，作为向层叠造型部(例如粉末床)选定区域的粉末层定向施加能量的手段。为了提高立体成形效率，激光束需以较高线速度快速扫描覆盖每一层粉末层的熔融结合区域，这极大限制了激光束向粉末层施加的能量总量与作用时间，并且大功率激光器还会大幅增加基于SLM/SLS的三维层叠造型装置的设备成本。降低粉末层熔融结合对激光束的能量需求已成为提升三维层叠造型装置的设备性能的主要方向之一。通过将粉末床上粉末层整体预热到略低于熔融结合的临界温度，使得激光束仅需向选定区域的粉末施加少量能量，即可实现被照射区域的粉末熔融结合，从而达到在相同扫描速度下降低激光器功率需求，或在相同激光器功率下实现更高扫描速度的目的。

为了避免粉末层预热过度、发生变质结块问题，基于SLM/SLS的三维层叠造型装置必须对粉末层预热温度实施测量与闭环控制，即通过动态调节电加热功率维持预热温度稳定。为了避免连续激光扫描的能量持续累积，导致熔融结合区域发生过热，基于SLM/SLS的三维层叠造型装置还需要粉末熔融结合温度实施测量与闭环控制，即通过动态调节激光束功率维持熔融结合温度稳定。然而在三维层叠造型装置的过程中，预热作用与激光束照射加热是同时作用于粉末层的，直接将两种热源共同作用所产生的粉末层温度，反馈至上述两个闭环控制回路，则激光束扫描引发的粉末层温度波动会向预热控制回路注入高频扰动，而预热控制回路对激光束高频扰动做出的动态响应，亦会在激光功率控制回路产生低频振荡，进而诱发预热温度与熔融结合温度控制的失稳，直接影响打印质量，甚至造成打印失败的严重后果。

发明内容

本申请实施例提供了一种温度控制方法、电子装置，以及计算机可读存储介质，以至少解决相关技术中的三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制失稳的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种温度控制方法，包括：

检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；

从所述温度分布中提取第一预设范围内的第一温度分布，并根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率，其中，所述第一预设范围基于预热温度确定；

从所述温度分布中提取第二预设范围内的第二温度分布，并根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度，其中，所述第二预设范围基于造型材料的熔融结合温度确定。

在其中一些实施例中，根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率包括：

计算所述第一温度分布的加权平均值；

将所述第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

在其中一些实施例中，根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度包括：

计算所述第二温度分布的加权平均值；

将所述第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

第二方面，本申请实施例提供了一种温度控制方法，包括：

检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；

从所述温度分布中提取所述层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布，并根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率；

从所述温度分布中提取所述层叠造型部表面的熔融结合区域的第二温度分布，并根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在其中一些实施例中，根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率包括：

计算所述第一温度分布的加权平均值；

将所述第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

在其中一些实施例中，根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度包括：

计算所述第二温度分布的加权平均值；

将所述第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在其中一些实施例中，从所述温度分布中提取所述层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布包括：

获取当前的三维层叠造型任务的熔融结合区域数据；

根据所述熔融结合区域数据确定所述熔融结合区域，并将所述三维层叠造型部表面除所述熔融结合区域的其他区域作为所述非熔融结合区域；

从所述温度分布中提取所述非熔融结合区域的所述第一温度分布。

第三方面，本申请实施例提供了一种温度控制装置，所述装置包括：

温度检测模块，用于检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；

第一温度提取模块，用于从所述温度分布中提取第一预设范围内的第一温度分布；

第一控制模块，用于根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率，其中，所述第一预设范围基于预热温度确定；

第二温度提取模块，用于从所述温度分布中提取第二预设范围内的第二温度分布；

第二控制模块，用于根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度，其中，所述第二预设范围基于造型材料的熔融结合温度确定。

第四方面，本申请实施例提供了一种电子装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，在其中一些实施例中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的温度控制方法，和/或第二方面所述的温度控制方法。

第五方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，在其中一些实施例中，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的温度控制方法，和/或第二方面所述的温度控制方法。

相比于相关技术，本申请实施例提供的温度控制方法、电子装置，以及计算机可读存储介质，解决了相关技术中的三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制失稳的问题，提高了三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制稳定性。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种温度控制方法的流程图；

图2是根据本申请实施例的温度控制系统的电路拓扑图；

图3是根据本申请实施例的另一种温度控制方法的流程图；

图4是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的立体结构示意图；

图5是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的剖面结构示意图；

图6是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的电气结构示意图；

图7是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的工作状态变化示意图；

图8是根据本申请优选实施例的步骤S705中提取温度分布的流程示意图；

图9是根据本申请优选实施例的步骤S705中成形控制器100的控制原理图；

图10是根据本申请实施例的温度控制装置的结构框图；

图11是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。

针对相关技术中的三维层叠造型装置在进行预热温度和熔融结合温度的闭环控制时，使用三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布直接进行闭环控制而导致激光束扫描引发的粉末层温度波动会向预热控制回路注入高频扰动，而预热控制回路对激光束高频扰动做出的动态响应，亦会在激光功率控制回路产生低频振荡，进而诱发预热温度与熔融结合温度控制的失稳，直接影响打印质量，甚至造成打印失败的严重后果的问题，在本实施例中提出了一种温度控制方法。

图1是根据本申请实施例的一种温度控制方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S101，检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布。

三维层叠造型装置以基于SLM/SLS的3D打印机为主，其成形原理通常是在可以升降的层叠造型部(例如粉末床等造型平台)上铺设粉末(金属粉末或者金属粉末与粘结剂的混合粉末)薄层，然后通过激光扫描照射粉末层，使一定区域的粉末熔融固化成形；完成一次层叠造型后，层叠造型部下降一层，然后在其表面继续铺粉，重复上述过程直至完成全部打印。为了加快3D打印速度、降低对激光器功率的要求，通常需要对层叠造型部表面进行预热。

在本实施例中，为了能够检测到三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布，优选采用非接触式温度传感器。其中，单个非接触式温度传感器检测层叠造型部表面温度的效率较低，因此可以使用线状排列的非接触式温度传感器扫描层叠造型部表面而得到层叠造型部表面的温度分布。进一步地，为了简化结构并提高测温效率，优选采用非接触式温度传感器阵列同时检测整个层叠造型部表面的温度分布。

步骤S102，从温度分布中提取第一预设范围内的第一温度分布，并根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率，其中，第一预设范围基于预热温度确定。

步骤S103，从温度分布中提取第二预设范围内的第二温度分布，并根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度，其中，第二预设范围基于造型材料的熔融结合温度确定。

在本实施例中，层叠造型部的表面在一次层叠造型中，正在或已经被激光扫描单元扫描照射而加热熔融的区域被称为熔融结合区域，不会被激光扫描单元扫描到的区域被称为非熔融结合区域。为了避免非熔融结合区域的粉末层熔融或结板，非熔融结合区域将会被预热到低于熔融结合临界温度的温度值；而熔融结合区域中，尤其是正在被激光扫描单元加热的区域的温度值将会高于熔融结合临界温度。

因此，在层叠造型部表面，主要被预热单元影响的区域的温度值将会位于第一预设范围内，该第一预设范围是基于预热温度确定的。例如，第一预设范围为不高于预热温度的温度范围。那么，如果从步骤S101获得的温度分布中提取第一预设范围内的第一温度分布，则该第一温度分布主要受到预热单元的加热功率的影响，因此，根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率，可以避免激光束扫描引发的粉末层温度波动会向预热控制回路注入高频扰动，从而解决了相关技术中的三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制失稳的问题。

在层叠造型部表面，被预热单元和激光扫描单元同时影响的区域的温度值将会位于第二预设范围内，该第二预设范围是基于造型材料的熔融结合温度确定的。由于造型材料的熔融结合温度高于预热温度，因此，第一预设范围和第二预设范围是两个相互不重叠的温度范围。在从步骤S101获得的温度稳步中提取第二预设范围内的第二温度分布，并根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激发射功率或激光扫描速度，从而实现对热熔结合温度的控制。

在本实施例中，通过从温度分布中提取不同区域的温度分布，并根据不同区域的温度分布分别进行预热温度控制和热熔结合温度控制，实现了大热惯量、低速辐射预热，与小热惯量高速激光热熔的热能解耦控制，进一步提高了三维层叠造型装置的预热温度和熔融结合温度的控制稳定性。

在本实施例中的温度控制优选采用负反馈闭环控制，通过负反馈闭环控制，在温度高于设定值时降低温度，在温度低于设定值时升高温度，从而将温度控制在设定值附近。

为了提高控制精度，避免测量误差，采用温度分布的均值作为负反馈控制量进行温度控制能够取得较好的效果。同时，考虑到在得到的第一温度分布和第二温度分布中，处于两个温度分布边界处的区域的温度值难以避免地会受到激光扫描单元的影响而相对非熔融结合区域的其他区域更高；在熔融结合区域中已经被激光扫描单元照射过且经过一定时间后的区域的温度可能高于预热温度但低于熔融结合温度临界值而固化；由于这些因素，对温度分布直接取算术平均值得到的平均温度值可能会相对于真实的预热温度或熔融结合温度更高或更低。为了降低两个温度分布边界处的区域的温度值的影响，可以采取取加权平均值的方式，将两个温度分布边界处的区域、已经熔融结合并固化成形的区域的温度值的权重降低甚至置为零，从而提高温度控制精度。

例如，根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率时，计算第一温度分布的加权平均值；将第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。或者，根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度时，计算第二温度分布的加权平均值；将第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

上述的温度控制方法可以通过将检测到的温度分布数字化，再通过计算机程序来实现；也可以通过模拟电路或者数字-模拟混和电路来实现。下面将介绍一种基于模拟电路或者数字-模拟混合电路来实现上述温度控制方法的温度控制系统。

图2是根据本申请实施例的温度控制系统的电路拓扑图，该温度控制系统应用于具有层叠造型部、预热单元和激光扫描单元的三维层叠造型装置。如图2所示，该温度控制系统包括：温度检测装置20、高通滤波器21、低通滤波器22、第一负反馈闭环控制器23、第二负反馈闭环控制器24。

温度检测装置20，例如可以是非接触式温度传感器阵列。温度检测装置20与高通滤波器21和低通滤波器22电性连接，温度检测装置20能够检测层叠造型部表面的温度分布。温度检测装置20检测并输出的量可以是数字量也可以是模拟量，并视其后端连接的器件的电路的数字类型或模拟类型，可以在温度检测装置20和后端连接的器件之间加入D/A转换器或A/D转换器。

高通滤波器21可以为模拟高通滤波器或者数字高通滤波器，其作用是允许高于设定值的温度值被送入到第一负反馈闭环控制器23中，而低于该设定值的温度值被阻止。其中，高于设定值的温度值相当于上述的第二预设范围内的温度值。

低通滤波器22可以为模拟低通滤波器或者数字低通滤波器，其作用是允许低于设定值的温度被送入到第二负反馈闭环控制器24中，而高于该设定值的温度值被阻止。其中，低于设定值的温度值相当于上述的第一预设范围内的温度值。

第一负反馈闭环控制器23和第二负反馈闭环控制器24可以采用相关技术中已知的负反馈闭环控制器，例如可以为具有负反馈的比例控制器、比例积分(PI)控制器、比例积分微分(PID)控制器或者模糊控制器。

PI控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PI控制器包括比例调节和积分调节。其中，比例调节是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节是使系统消除稳态误差，提高无误差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。PI控制器能够改善温度控制系统的稳态性能。

第一负反馈闭环控制器23输出的控制量用于控制预热单元的加热功率；第二负反馈闭环控制器24输出的控制量用于控制激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在其中一些实施例中，温度控制系统还可以包括：第一功率控制器和第二功率控制器，其中，第一功率控制器与第一负反馈闭环控制器23电性连接，用于控制预热单元的加热功率；第二功率控制器与第二负反馈闭环控制器24电性连接，用于控制激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。PI控制器输出的控制量通常不能够直接驱动被控设备，因此，可以在PI控制器和被控设备之间增加驱动装置。在本实施例中，使用第一功率控制器作为驱动装置驱动并控制预热单元的加热功率，使用第二功率控制器作为驱动装置驱动并控制激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在其中一些实施例中，温度控制系统还包括A/D转换器、第一D/A转换器和第二D/A转换器。其中，高通滤波器21为数字高通滤波器，低通滤波器22为数字低通滤波器；A/D转换器串联于温度检测装置20的输出端，用于将温度检测装置20输出的模拟量转换为数字量；第一D/A转换器串联于高通滤波器21和第一负反馈闭环控制器23之间，用于将高通滤波器21输出的数字量转换为模拟量；第二D/A转换器串联于低通滤波器22和第二负反馈闭环控制器24之间，用于将低通滤波器22输出的数字量转换为模拟量。通过A/D转换和D/A准换，使得高通滤波器21和低通滤波器22都可以采用数字滤波器，从而可以使用诸如基于FPGA芯片等数字芯片来实现温度分布数据的处理，可以提高温度控制系统的集成化。

图3是根据本申请实施例的另一种温度控制方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：

步骤S301，检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布。

步骤S302，从温度分布中提取层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布，并根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

步骤S303，从温度分布中提取层叠造型部表面的熔融结合区域的第二温度分布，并根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

与图2示出的温度控制方法的流程图不同之处在于，在本实施例中，提取温度分布依据的是熔融结合区域和非熔融结合区域的区域划分。其中，熔融结合区域可以通过图像识别方法来获取，也可以从当前粉末层的打印任务中获取。

例如，

在其中一些实施例中，从温度分布中提取层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布包括：获取当前的三维层叠造型任务的熔融结合区域数据；根据熔融结合区域数据确定熔融结合区域，并将三维层叠造型部表面除熔融结合区域的其他区域作为非熔融结合区域；从温度分布中提取非熔融结合区域的第一温度分布。由于在每一个粉末层的打印任务中，都会确定哪些区域是需要被激光扫描单元扫描照射的区域，这些区域就是熔融结合区域；除了这些区域之外的其他区域则包括非熔融结合区域。

与图2所示实施例相似地，在本实施例中，也可以采用算数平均或加权平均的方式来确定熔融结合区域和非熔融结合区域对应的温度值，以减小测量误差，提高控制精度。例如，根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率时，计算第一温度分布的加权平均值；将第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度时，计算第二温度分布的加权平均值；将第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在本申请实施例中还提供了一种三维层叠造型装置，该三维层叠造型装置包括层叠造型部、预热单元、激光扫描单元和图2所示的温度控制系统。

在其中一些实施例中，三维层叠造型装置还包括：箱体；箱体内部开设有腔体，层叠造型部容纳于腔体。箱体用于保持层叠造型部表面温度的相对稳定。较优地，该箱体为保温箱体。

在其中一些实施例中，箱体开设有开口；激光扫描单元设于箱体的外部，并能够透过开口扫描和加热层叠造型部的表面。为了避免激光扫描单元过热，利于其散热，在箱体开设开口并将激光扫描单元设于箱体的外部。

在其中一些实施例中，采用非接触式温度检测装置检测层叠造型部表面的温度分布，非接触式温度检测装置设于箱体的外部，并能够透过开口检测层叠造型部表面的温度分布。

在其中一些实施例中，箱体还包括透明玻片，透明玻片覆盖开口。

通过上述设置，是的三维层叠造型装置内的层叠造型部温度能够维持而不受外界温度影响，同时，将激光扫描单元和温度检测装置设于箱体外部，避免了激光扫描单元和温度检测装置的电子器件因高温而寿命降低。

下面通过优选实施例对本申请实施例进行描述和说明。

本申请优选实施例针对现有技术的不足，提供了一种能有效解开两种热源控制回路的耦合关系，实现高稳定度预热温度控制、高精度熔融结合温度控制，且对激光束能量要求低的三维层叠造型装置的热能解耦控制方法，该方法应用于三维层叠造型装置。

图4是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的立体结构示意图，图5是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的剖面结构示意图，如图4和图5所示，该三维层叠造型装置包括：刚性框架41上有成形仓42，刚性框架41内有成形缸43，成形缸43的顶部与成形仓42的底板连接；成形缸43内成形平台44，成形平台44可在成形缸43内上下移动并定位，成品平台44向上移动到最高点时，与成形仓42底板以及成形仓43上边沿构成完整平面；成形仓42内底部有铺粉单元45，铺粉单元45可在成形仓42底板上往复运动，并在成形平台44上铺设平整粉末层；成形仓42内顶部有预热单元46，预热单元46可对成形平台44上的粉末层进行均匀的辐射加热；成形仓42顶部外侧有激光扫描单元47，激光扫描单元47可通过光学窗口421对成形平台44区域进行扫描照射；成形仓42顶部外侧有温度传感阵列48，温度传感阵列48可透过光学窗口421检测成形平台44区域的粉末层温度分布；

图6是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的电气结构示意图，如图6所示，成形控制器100与成形平台44连接，成形控制器100与铺粉单元45连接，成形控制器100与预热单元46连接，成形控制器100与激光扫描单元47连接，成形控制器100与温度传感阵列48连接；成形控制器100发出电信号至成形平台44，以控制成形平台44在成形缸43内上下移动并定位；成形控制器100发出电信号至铺粉单元45，以控制铺粉单元在成形仓42底板上往复移动、在成形平台44上进行铺粉；成形控制器100发出电信号至预热单元46，以控制预热单元46对成形平台44上的粉末层进行辐射加热；成形控制器100发出电信号至激光扫描单元47，以控制激光扫描单元47对成形平台44上的粉末层进行激光束扫描加热；成形控制器100发出电信号至温度传感阵列48，以控制温度传感阵列48检测成形平台44上粉末层的温度分度，并进行区域拆分、滤波、加权计算，进而得到预热温度测量值、热熔结合温度测量值。

应用本优选实施例的三维层叠造型装置的热能解耦控制方法，三维层叠造型装置的工作流程包括如下步骤：

开始首层粉末热熔成形前，先向铺粉单元注入足量粉末材料；成型控制器发出移动指令至成形平台，控制成形平台上移至距成形缸顶端单层固化厚度所对应高度；成形控制器发出铺粉指令至铺粉单元，控制铺粉单元匀速通过成形平台上方，以在成形平台上铺设粉末薄层，且粉末薄层刚好填充满成形缸上开口与成形平台所构成的空间；成形控制器发出预热指令至预热单元，控制预热单元辐射加热粉末薄层；成形控制器通过温度传感阵列测量粉末薄层的预热温度，并根据预热温度测量值与设定值的偏差，调节预热单元加热功率，直至预热温度上升并稳定在设定值附近。

进行首层粉末热熔成形时，成形控制器发出扫描指令至激光扫描单元，控制激光扫描单元对粉末层热熔成形区域进行激光束扫描照射；成形控制器发出热熔成形区域数据至温度传感阵列，控制温度传感阵列同时采集粉末层热熔区域与非热熔区域的温度分布，并计算得出非热熔区域温度测量值、热熔区域温度测量值；成形控制器根据非热熔区域温度测量值动态调整预热单元加热功率，以维持粉末层预热温度稳定；成形控制器根据热熔区域温度测量值，动态调节激光扫描单元的激光束功率，以维持热熔成形温度稳定；上述预热温度与热熔成形温度调节过程持续进行，直至激光扫描单元完成首层成形区域的扫描照射，热熔结合所生成固化成形物附着在成形平台上。

进行后续层粉末热熔成形时，成型控制器先控制成形平台下降单层固化厚度所对应高度，而后控制铺粉单元在成形平台上铺设粉末薄层，使得粉末薄层刚好填充满成形缸上开口与上一层粉末及固化成形物所构成空间；成形控制器控制预热单元加热粉末薄层，直至预热温度上升并稳定在设定值附近；成形控制器发出扫描指令至激光扫描单元，控制激光扫描单元对粉末层热熔成形区域进行激光束扫描照射；成形控制器发出热熔成形区域数据至温度传感阵列，控制温度传感阵列同时采集粉末层热熔区域与非热熔区域的温度分布，并计算得出非热熔区域温度测量值、热熔区域温度测量值；成形控制器根据非热熔区域温度测量值动态调整预热单元加热功率，以维持粉末层预热温度稳定；成形控制器根据热熔区域温度测量值，动态调节激光扫描单元的激光束功率，以维持热熔成形温度稳定，直至激光扫描单元完成当前层扫描照射，热熔结合所生成固化成形物，附着在上一层激光照射所得固化物表面；上述铺粉、预热、激光扫描照射步骤重复进行，热熔结合所生成固化成形物逐层累积，直至构成完整的热熔结合三维成形体。

本申请实施例的三维层叠造型装置的热能解耦控制方法，其温度传感阵列采用非接触方式，检测成形平台上完整粉末层的温度分布；并且根据激光扫描区域数据，将完整粉末层温度分布数据，拆分为热熔结合区域与非热熔结合区域，从而得到了主要受预热功率影响的预热温度测量值，以及主要受瞬时激光照射功率影响的热熔结合温度测量值；本申请实施例的分区域温度测量方法，使得预热控制回路、激光束功率控制回路可以互不干扰的独立运行，从而实现了预热热能与激光束照射热能的解耦控制，进而达成了预热温度稳定控制与热熔结合问题快速精准控制的双重目标。

本申请实施例的预热温度设定值可逼近粉末材料热熔结合临界值，而无需考虑预热温度波动大所导致的粉末变质结块问题；本申请实施例的热熔结合温度设定值可逼近粉末材料热熔结合理想温度值，而无需单行连续扫描过程中，激光照射热量累积所导致的热熔结合温度分布不均匀问题。本申请实施例可降低热熔结合对激光束能量的要求，提升粉末二次回收利用率，从而显著改善粉末立体成形装置的经济性，在各种基于热熔结合原理的粉末立体成形应用中具有良好推广前景。

下面结合附图对三维层叠造型装置的工作过程进行描述和说明。

图7是根据本申请优选实施例的三维层叠造型装置的工作状态变化示意图，如图7所示，三维层叠造型装置的工作过程依次包括如下步骤：

步骤S701：粉末立体成形过程执行到第n层，成形缸43内、成形平台44上有第1至第n-1层粉末立体成形过程所累积的粉体201，以及热熔结合物202；

步骤S702：成形平台44下降单层固化固化厚度所对应高度，铺粉单元45在成形仓42底板上往复运动一次，所铺设第n层粉末层203刚好填充慢成形平台44下降所产生的成形缸开口缺口；

步骤S703：预热单元46对第n层粉末层203进行辐射加热，并通过温度传感阵列48控制预热温度，直至第n层粉末层203温度上升并稳定在设定值附近；

步骤S704：激光扫描单元47对第n层粉末层203的热熔结合区域2031进行扫描照射，生成的第n层热熔结合物2032，并附着在热熔结合物202上表面；激光扫描单元47完成热熔结合区域2031扫描照射后，第n层热熔结合物2032扩展至整个2031区域；

步骤S705：在步骤S704执行期间，温度传感阵列48持续检测粉末层203的温度分布，并根据热熔结合区域2031范围，分别得出预热温度测量值与热熔结合温度测量值，成形控制器100根据预热温度测量值与热熔结合温度测量值，持续调节预热单元46的加热功率与激光扫描单元47的激光束功率，以维持预热温度与热熔结合温度稳定；

图8是根据本申请优选实施例的步骤S705中提取温度分布的流程示意图，如图8所示，温度传感阵列48检测粉末层203的热辐射信号，并将热辐射信号转换得到原始测量值数组301；原始测量值数组301通过传感器特性校正、目标反射率校正，得到温度分布测量数组302；温度分布测量数组302根据热熔结合区域2031，拆分为非热熔温度分布数组3021、热熔结合温度分布数组3022；非热熔温度分布数组3021经过滤波、加权计算得出预热温度测量值3031，热熔温度分布数组3022经过滤波、加权计算得出热熔结合温度测量值3032；

图9是根据本申请优选实施例的步骤S705中成形控制器100的控制原理图，如图9所示，成形控制器100内有预热控制回路101、激光束功率控制回路102；预热控制回路101内有预热温度设定值1011、偏差计算模块1012、控制算法模块1013、信号输出模块1014；激光束功率控制回路102内有热熔结合温度设定值1021、偏差计算模块1022、控制算法模块1023、信号输出模块1024；预热温度测量值3031、预热温度设定值1011输入至偏差计算模块1012，偏差计算模块1012输出预热温度偏差值至控制算法模块1013，控制算法模块1013输出控制信号至信号输出模块1014，信号输出模块1014输出功率调节信号至预热单元46；热熔结合温度测量值3032、热熔结合温度设定值1021输入至偏差计算模块1022，偏差计算模块1022输出热熔结合温度偏差值至控制算法模块1023，控制算法模块1023输出控制信号至信号输出模块1024，信号输出模块1024输出功率调节信号至激光扫描单元47。

本申请实施例的温度传感阵列，可检测成形平台上粉末层全部区域的温度分布，并将粉末层温度分布转换为平面点阵排列的温度测量值二维数组；本申请实施例的温度传感阵列可接收成形控制器发出的热熔成形区域数据，并根据热熔成形区域数据将完整的温度测量值二维数组拆分为非热熔区域温度测量值数组与热熔区域温度测量值数组；本申请实施例的温度传感阵列可根据拆分后的非热熔区域温度测量值数组与热熔区域温度测量值数组；本申请实施例的温度传感阵列，对非热熔区域温度测量值数组进行滤波、加权计算，得到预热温度测量值，对热熔区域温度测量值数组进行滤波、加权计算，得到热熔结合温度测量值；本申请实施例的预热温度测量值不受激光照射区域粉末层温度变化影响，预热区域粉末层温度变化亦不影响热熔结合温度测量值。

本申请实施例的预热控制回路根据温度传感阵列输出的预热温度测量值，进行预热温度负反馈闭环控制；本申请实施例的激光束功率控制回路根据温度传感阵列输出的热熔结合温度测量值，进行热熔结合温度负反馈闭环控制；本申请实施例粉末层的预热与热熔结合，采用两个独立的控制回路、独立的功率器件，以及独立的温度检测区域，实现了大热惯量、低速辐射预热，与小热惯量高速激光热熔的热能解耦控制，使得粉末层整体预热充分的同时，非热熔区域粉末不发生过热、变质结块问题；亦实现了热熔结合区域的激光照射、快速升温与热熔结合温度控制，避免温度大幅波动导致焦化变质或热熔不充分问题。

本申请实施例的三维层叠造型装置的热能解耦控制方法，温度传感阵列对粉末层不同区域的温度测量针对性强，温度测量值所反映的预热过程与热熔结合过程更精准；本申请实施例激光照射加热导致的热熔区域温度快速波动，不会向预热控制回路注入剧烈的高频扰动，粉末层预热温度的缓慢浮动，对高速激光扫描照射、瞬时加热而言等同于固定偏置，亦不会影响热熔结合温度的动态控制精度；本申请实施例的三维层叠造型装置的热能解耦控制方法，方案合理、结构简单、激光束能量要求低，易于在低成本、高性能粉末立体成形装置中推广应用。

在本实施例还提供了一种温度控制装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图10是根据本申请实施例的温度控制装置的结构框图，如图10所示，该温度控制装置包括：

温度检测模块1001，用于检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布。

第一温度提取模块1002，耦合至温度检测模块1001，用于从温度分布中提取层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布。

第一控制模块1003，耦合至第一温度提取模块1002，用于根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

第二温度提取模块1004，耦合至温度检测模块1001，用于从温度分布中提取层叠造型部表面的熔融结合区域的第二温度分布。

第二控制模块1005，耦合至第二温度提取模块1004，用于根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在其中一些实施例中，第一控制模块1003包括：第一计算单元，耦合至第一温度提取模块1002，用于计算第一温度分布的加权平均值；第一控制单元，耦合至第一计算单元，用于将第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

在其中一些实施例中，第二控制模块1005包括：第二计算单元，耦合至第二温度提取模块1004，用于计算第二温度分布的加权平均值；第二控制单元，耦合至第二计算单元，用于将第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

在其中一些实施例中，第一温度提取模块1002包括：获取单元，用于获取当前的三维层叠造型任务的熔融结合区域数据；确定单元，耦合至获取单元，用于根据熔融结合区域数据确定熔融结合区域，并将三维层叠造型部表面除熔融结合区域的其他区域作为非熔融结合区域；提取单元，耦合至确定单元，用于从温度分布中提取非熔融结合区域的第一温度分布。

在本实施例中还提供了一种电子装置，图11是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图，如图11所示，该电子装置包括存储器1101和处理器1102，该存储器1101中存储有计算机程序1103，该处理器1102被设置为运行计算机程序1103以执行上述任一项温度控制方法实施例中的步骤。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备1104以及输入输出设备1105，其中，该传输设备1104和上述处理器1102连接，该输入输出设备1105和上述处理器1102连接。

可选地，在本实施例中，上述处理器1102可以被设置为通过计算机程序1103执行以下步骤：

步骤S1，检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布。

步骤S2，从温度分布中提取层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布，并根据第一温度分布控制三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

步骤S3，从温度分布中提取层叠造型部表面的熔融结合区域的第二温度分布，并根据第二温度分布控制三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

在本实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述实施例的温度控制方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种温度控制方法，其特征在于包括：

检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；

从所述温度分布中提取第一预设范围内的第一温度分布，并根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率，其中，所述第一预设范围基于预热温度确定；

从所述温度分布中提取第二预设范围内的第二温度分布，并根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度，其中，所述第二预设范围基于造型材料的熔融结合温度确定。

2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率包括：

计算所述第一温度分布的加权平均值；

将所述第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

3.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度包括：

计算所述第二温度分布的加权平均值；

将所述第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

4.一种温度控制方法，其特征在于包括：

检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；

从所述温度分布中提取所述层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布，并根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率；

从所述温度分布中提取所述层叠造型部表面的熔融结合区域的第二温度分布，并根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

5.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率包括：

计算所述第一温度分布的加权平均值；

将所述第一温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率。

6.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度包括：

计算所述第二温度分布的加权平均值；

将所述第二温度分布的加权平均值作为负反馈，控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度。

7.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，从所述温度分布中提取所述层叠造型部表面的非熔融结合区域的第一温度分布包括：

获取当前的三维层叠造型任务的熔融结合区域数据；

根据所述熔融结合区域数据确定所述熔融结合区域，并将所述三维层叠造型部表面除所述熔融结合区域的其他区域作为所述非熔融结合区域；

从所述温度分布中提取所述非熔融结合区域的所述第一温度分布。

8.一种温度控制装置，其特征在于，所述装置包括：

温度检测模块，用于检测三维层叠造型装置的层叠造型部表面的温度分布；

第一温度提取模块，用于从所述温度分布中提取第一预设范围内的第一温度分布；

第一控制模块，用于根据所述第一温度分布控制所述三维层叠造型装置的预热单元的加热功率，其中，所述第一预设范围基于预热温度确定；

第二温度提取模块，用于从所述温度分布中提取第二预设范围内的第二温度分布；

第二控制模块，用于根据所述第二温度分布控制所述三维层叠造型装置的激光扫描单元的激光发射功率或激光扫描速度，其中，所述第二预设范围基于造型材料的熔融结合温度确定。

9.一种电子装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3中任一项所述的温度控制方法，和/或权利要求4至7中任一项所述的温度控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述的温度控制方法，和/或权利要求4至7中任一项所述的温度控制方法。

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