图1.2 激光辐照预热铺粉装置

如图1.3为德国Fraunhofer研究所设计的感应加热装置及其加热示意图，其加热功率为7KW，加热器最高温度可达1400℃，陶瓷粉末表面温度可达1200℃，加热基板为钴铬合金，加热后基板表面会形成致密氧化膜保护基板内部，但这种氧化会妨碍温度继续提高。

图1.3 感应加热装置及示意图

如图1.4为美国宾夕法尼亚州立大学微波加热铺粉装置原理图[38]，微波加热可以通过微波的分布调整材料各部分的温度分布，且对低介电陶瓷有很高的加热效率。该装置的最高加热温度在1100℃，当超过该温度时，微波加热效率会下降。

图1.4 微波加热铺粉装置

国内研究的SLM设备主要集中于金属材料的成形，用于成形陶瓷材料的SLM设备尚无，且国外也仅限于实验平台。为推进加工陶瓷材料的SLM设备在国内运用的进程， 陶瓷材料成形的SLM实验平台亟待开发。

人机工程学（Ergonomics）最早起源于欧洲，在美国得到飞速发展，尤其是九十年代以后的现代化的工业生产中， “人”的因素越来越被重视，也越来越突出，要求人、机器、环境三个因素之间相互协调，人机工程学也慢慢成长为新兴的学科[4],[5]。通过对人体数据的测量分析，同时也包括心理生理学，医学和工程技术等多个领域交叉学科，对机器、工作方式和环境等进行设计或改造[2]。实现在作业过程中的安全，效率，健康，舒适等几个要求。尽管人机工程学科在我国国内起步较晚，但是发展迅速。在设计阶段以人机工程学为基础对实验平台进行分析，可以使最终SLM设备更加宜人化，操作更便捷，操作员在更加舒适的环境中工作，提高生产效能，减少生产安全事故，符合人们对现代化设备的基本要求。

1.2  实验平台设计需求

由于国外进口的整体成型设备价格昂贵，并且没有自主知识产权，因此国内许多高校和公司都在开发自己的成型设备。南京理工大学机械工程学院高端装备与先进制造实验室已经开发完成陶瓷激光熔融实验一期平台，但是一期平台没有气氛保护装置，无法进行气氛保护环境变化下气氛参数实验。因此，为更好地适应实验室要求，推动陶瓷及新型材料的SLM技术的研究和发展，研究、开发既具有自主知识产权、满足实验和研发需求，加工精度高的选择性激光熔化设备。二期平台设计增加了气氛保护及分析，使用手套箱，可以在气氛保护下可以完成新型材料的试件加工。并且二期平台配有升降成形缸，高精度的滚轴丝杆，使成形缸上下升降完成更复杂构件的生产。实验所使用的激光器的品种和功率都有所更新升级，相对于一期平台更精密和高效，可以实现高精密产品的制造。在设备中还计划还配有热像仪及测温仪等记录和分析装备，对实验过程的现象及数据进行准确的记录。目前，在国内的高校中，华中科技大学模具国家重点实验室快速制造中心对SLM技术装备的研究走在前列，但依旧有着成本太高等缺点[21]。

图1.5  高端实验室从国外进口的激光熔融设备

图1.6  华中科技大学开发的HRPM I 系统                图1.7  实验室一期平台

实验过程中，激光器的激光会使金属粉末快速融化，然后冷却并且配合成形缸的向下移动形成结构复杂的零件，实验平台简单的原理示意图如下。

图1.8   实验平台原理简单示意图

1.3成型设备的结构组成

新设计的成型设备主要是由三个部分组成：

一．实验平台

这是实验室自主设计完成，是加工过程中主要的工作台面。因此，面向是实验平台的人机工程学设计是重点，通过对实验平台的高度，探测设备放置的位置等关键因素进行分析，确定适合操作员工作的的舒适的高度和位置。