具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种用于激光选区烧结的预热装置，设置激光选区烧结区域所在水平端面为烧结平面8，包括第一激光发生器1、第二激光发生器2、聚焦透镜5、扩束透镜6和二向色镜7。

其中，第一激光发生器1发射有第一光束3，第二激光发生器2发射有第二光束4。优选的，第一光束3和第二光束4的波长不相同，以便经由二向色镜7引导不相干的第一光束3和第二光束4重合。需要说明的是，针对于不同的材料，第一光束3的激光光斑半径会随增材制造工艺参数要求设定而改变。

第一光束3和第二光束4分别通过光路设计最终垂直射向烧结平面8，第一光束3的激光光斑面积小于第二光束4的激光光斑面积。其中，优选的，第二光束4的激光光斑半径为第一光束3的激光光斑半径二至十倍。

同时，第一光束3的激光光斑始终位于第二光束4的激光光斑内，第一光束3用于对位于第一光束3的激光光斑内的区域进行烧结作业，第二光束4用于对位于第二光束4的激光光斑内且位于第一光束3的激光光斑外的区域进行预热。

二向色镜7设置于烧结平面8正上方，第一光束3射向二向色镜7的下表面并通过反射作用垂直射向烧结平面8，第二光束4射向二向色镜7的上表面并通过透射作用垂直射向烧结平面8。

聚焦透镜5设置于烧结平面8正上方且靠近二向色镜7下表面，聚焦透镜5的轴线与第一光束3射向二向色镜7下表面时的轴线重合，第一光束3穿过聚焦透镜5实现聚焦。

扩束透镜6设置于烧结平面8正上方且靠近二向色镜7上表面，扩束透镜6的轴线与第二光束4射向二向色镜7上表面时的轴线重合，第二光束4穿过扩束透镜6实现扩束。

具体的，本发明通过如下技术方案进行实现。

优选的，二向色镜7能够在平行于烧结平面8的水平面上自由平移。

其中，第一光束3能够通过光路设计始终射向二向色镜7下表面，并经过反射后垂直射向烧结平面8的激光光斑随二向色镜7的平移在烧结平面8上自由平移，且第二光束4能够通过光路设计始终射向二向色镜7上表面，并经过透射后垂直射向烧结平面8的激光光斑随二向色镜7的平移在烧结平面8上自由平移，从而实现光斑和二向色镜7的同时随形移动。

作为具体的实施例，优选的，二向色镜7的轴线和烧结平面8的夹角为45度，第一光束3射向二向色镜7下表面时平行于烧结平面8，第二光束4射向二向色镜7上表面时垂直于烧结平面8。

工作原理：

第一激光发生器1发射第一光束3，第二激光发生器2发射第二光束4。

第一光束3经过聚焦透镜5聚焦后，通过光路设计水平的射向二向色镜7的下表面，并经过二向色镜7的反射最终垂直照射烧结平面8形成光斑。由于第一光束3的光束集中且光斑半径极小，因此用于烧结材料。

第二光束4经过扩束透镜6扩束后，通过光路设计沿铅垂线方向射向二向色镜7的上表面，并经过二向色镜7的透射最终垂直照射烧结平面8形成光斑。由于第一光束3的光束经过扩束，光斑半径较大，因此第二光束4形成的光斑将第一光束3形成的光斑包围于其中；第二光束4由于经过扩束，降低了第二光束4在单位面积内对材料的辐射加热效率，因此在单位时间内，第二光束4的光斑照射范围内的材料升温温度小于第一光束3的光斑照射范围内的材料升温温度，当仍然高于环境温度，因此实现了对围绕第一光束3光斑周围一定范围内的材料进行预热的目的。

当第一光束3和第二光束4在光路设计的作用下，在烧结平面8进行平移时，随着第一光束3对材料进行烧结，第二光束4则对烧结点位周围区域的材料进行预热，从而实现了随形局部预热的目的。

需要说明的是，在实际作业中，首先会将用于激光选区烧结的粉末在料桶中整体进行初级预热，使其温度升高到某一中间温度，然后在烧结过程中用第二光束4对烧结点邻域进行二次局部预热，使烧结点领域的温度达到合适的预热温度，通过此种方式既能够避免设备整体温度过高，同时又能降低烧结过程的热应力。

关于如何根据成形材料选择第一激光发生器1和第二激光发生器2的功率，从而实现发射不同波长的第一光束3和第二光束4，技术人员通过研究发现，热传递方式包括热传导、热对流、热辐射三种传递方式。就传热速度来看，热对流和热辐射相对较快，但是热对流需要强烈的对流条件，否则传热效果也不太理想。

而在成型室密闭状态下没有打开换气风扇时，烧结粉末根本没有空气对流，因此不存在对流传热，所以成型室内主要为辐射换热的方式。

在系统中，两个物体之间的热辐射，由斯蒂芬玻尔兹曼定律可得到，

E_(i,j)＝ε_(i,j)σ(T_i^4-T_j^4)X_(i,j)

式中E_(i,j)为物体i与物体j之间的黑度，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，Ti、Tj分别为物体i与物体j的温度，X_(i,j)为物体i到物体j的角系数。

激光选区瞬态温度场的热物性参量随着温度的变化而变化，所以激光选区瞬态烧结温度T(t,x,y,z)涉及到三维非线性热传导问题，其热传导方程可表示为，

式中ρ为粉床的平均密度，c为材料的定压比热容，K为粉床的局部有效导热系数。

在激光选区烧结过程中，在激光的照射下，粉床上表面吸收激光能量并转换成热能，然后进行由表及里、由高温向低温的扩散；同时，粉床上表面与周围环境之间还存在对流和辐射换热。因此，在粉床上表面同时存在激光加热、辐射和对流散热热流，其换热边界条件可综合表示为，

式中α"r"为表面辐射换热系数，h_c为表面对流换热系数，T_α为环境温度，q为热流密度。

其中，激光光束的辐射能为加热主要来源。假设激光成高斯分布，其热流密度q与激光功率关系为，

q＝αP/(πr^2)

式中α为吸收率，P为激光功率，r为光束半径。

利用本领域普遍使用的程序有限元分析软件ANSYS，对温度场进行分析后能够选择出合适的第一激光发生器1和第二激光发生器2的功率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。