CN104959606A - 一种用于金属材料3d打印局部温度控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属材料3D打印局部温度控制***，旨在对打印过程中的金属材料的待冷却部位进行及时的温度控制，以控制熔融金属的冷却过程，从而获得所需要的金相组织。本发明在现有3D打印技术打印头旁附加了一种局部温度控制装置，该装置将采用气体流动的方法对正在冷却的金属部分进行热量交换，通过控制气流的流量与温度，达到对局部金属组织冷却过程速度的控制，得到所需的金相组织，还可通过在打印过程中动态改变气体流量与温度，优化金属成形件的力学性能分布，改善力学性能。本发明适用于送粉式、送丝式的各种金属3D打印方法。

Description

一种用于金属材料3D打印局部温度控制***

技术领域

本发明涉及金属成形件的3D打印领域，具体涉及局部打印部位的温度控制。

背景技术

近年，3D打印在世界范围内兴起，正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。随着3D打印技术发展及推广应用的需求，利用3D直接制造金属零件成为了制造业发展的新方向。

目前用于金属零件的3D打印的方法很多，基本的原理在于逐点添加熔融的金属到基体上，加工出当前层的轮廓，然后垂直移动至下一个打印层，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。

现有的3D打印机成型的金属零件存在一个问题，即缺少对金属结晶过程的控制，因而不易获得需要的金相组织，机械性能和热学性能还不能很好满足直接使用的要求，必须经后处理方可得到改善。在3D打印中，由于其处于打印点的熔融金属的体积微小，传热效率高，说明对打印点局部的熔融金属的冷却速度的控制具有可行性。

发明内容

为了当前3D打印所存在的力学性能方面的问题，本发明提出了一种对金属材料3D打印局部冷却速度进行实时控制的方法以改善。

为实现以上技术目的，本发明采用的方案是：

一种用于金属材料3D打印局部温度控制***，其特征是，利用流动的冷却气体与金属基体接触降温，通过调节气体流量与温度控制冷却过程，所述的流动的冷却气体是惰性气体；

结构表征为：

包括局部冷却装置，该局部冷却装置又包括冷却室5、气体入口3、气体出口4，利用冷却室将冷却气体与外部隔离开来，气体入口是冷却气体进入冷却室的入口，气体出口是冷却气体流出冷却室的出口，

包括水冷装置11，使热的冷却气体冷却到需要温度供再利用，并防止过热气体对气体循环装置其他部件的损害；

包括抽气泵，使得在冷却室的气体出口处形成负压，将冷却室内冷却气体抽出冷却室，

包括气体流量调节阀10，用于控制气体流量；

以上局部冷却装置、水冷装置、抽气泵、气体流量调节阀通过管路依次串接形成气体的循环***；

包括红外温度传感器，安装于冷却室的出口侧，用于检测金属冷却后金属的温度T₃；

包括两个气体温度传感器，分别检测气体入口、出口的温度T₁、T₂，

包括上位机，设置了以下参数：熔融点的温度T₄、打印台移动过一个冷却室长度的时间t、冷却气体比热容c_气、金属的比热容c_金、气体密度ρ_气、处于冷却室中的待冷却金属的质量m、冷却室和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率η；

包括主控制器，其输入端分别与外温度传感器、气体温度传感连接，其输出端连接水冷装置中的控制器、抽气泵、气体流量调节阀，主控制器通过通信电缆与上位机相连，获取计算所需的数据；

主控制器根据采集到的温度数据以及上位机提供的数据，按照以下公式算法确定气体的流量值q_气：

其中:

c_气、c_金分别为冷却气体和金属的比热容，

ρ_气为考虑温度的气体的密度，

t为打印台移动过一个冷却室长度的时间，

m为处于冷却室中的待冷却金属的质量，

η为考虑到装置和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率，

(T₄-T₃)/t表征了所需要的冷却速度，

T₄、t恒定，

T₃是控制的对象；

以上通过求解q_气得到气体流量大小；随着q_气的变化，T₂会随之变化，在控制算法中加入了T₂的反馈；

所述主控制器根据金属需要的冷却速度控制流量大小。

所述的冷却室，是由隔离板6形成的通道，整个冷却室壳体采用耐热材料。

在冷却室的气体出口旁的挡板下端增加一段防漏圆弧，以防止冷却室内的气体泄漏到冷却室外。

有益效果

本发明在现有3D打印技术上，通过对打印点附近刚形成的金属组织的冷却速度进行控制，可以获得所需要的金相组织，以获得所需要的力学性能，并且可在整个打印过程中动态改变气体流量，使整个金属零件的力学性能分布得到优化，采用本方法获得的3D打印金属件将具有更优异的力学性能。此外，采用了本发明的3D打印机集成了热处理功能，也可提高成形件的生产效率。打印过程中在线调节气体流量，使不同部位具有不同金相组织。

附图说明

附图1是局部冷却装置结构原理图。

附图2是冷却循环***原理图。

附图3控制***硬件图。

附图4是控制***原理图。

数字标记：1为打印头，2为打印层，3为冷却气体进口，4为冷却气体出口，5为冷却室，6为冷却室隔离板，7为防漏圆弧，8为红外温度传感器，9为局部冷却装置，10为流量调节阀，11为水冷装置，12为抽气泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如附图1是局部冷却装置原理图，在打印头1旁附加一个局部冷却装置9，打印点的金属熔融后，随着打印台的移动进入到该装置的冷却室5中，利用冷却气体带走冷却室内的热量，冷却气体从3进入从4排出，通过调节气体流量来控制局部的冷却速度以获得需要的金相组织。

为了防止冷却气体四处游散，冷却室四周设有了隔离板6，尽量减少隔离板底部与打印金属层的垂直距离，同时通过在冷却气体出口4施加负压吸气的办法使气体产生流动，在出气口旁的挡板下端增加一段防漏过渡圆弧7，采用这种方法，可使冷却室的密封效果符合要求。

为了更好实现控制，局部冷却装置进出气口设置气体温度传感器分别得到温度T₁、T₂，在装置出口侧设置红外温度传感器检测金属冷却后的温度T₃，连同熔融点的温度T₄一并传入主控制器，主控制器能根据这几个温度以及金属、气体的热力学参数，依照金属需要的冷却速度控制流量大小。

利用气体与金属之间热交换的平衡，冷却气体流量简便的计算方法为：

其中c_气、c_金分别为冷却气体和金属的比热容，ρ_气为考虑温度的气体的密度，t为打印台移动过一个冷却室长度的时间，m为处于冷却室中的待冷却金属的质量，η为考虑到装置和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率，通过实验测得。(T₄-T₃)/t表征了所需要的冷却速度，由于T₄、t恒定，T₃是控制的对象。通过求解q_气得到气体流量大小。随着q_气的变化，T₂会随之变化，因此在控制算法中加入了T₂的反馈，如附图4所示。

冷却气体通过循环装置循环，采用了抽气泵以形成负压，采用气体流量调节阀以控制气体流量。从出气口抽出的热气进入到抽气泵以前经过水冷降温，以防止对泵造成危害。通过控制水冷可以控制新鲜冷却气体的温度。

通过在打印过程中根据需要动态调节气体流量，可在金属零件的不同部位实现不同的金相组织，从而使金属零件各个部位具有不同的力学性能。

附图1表述了局部冷却装置的大致结构，局部冷却装置可按照附图1所示的结构进行设计制造，需要采用耐热材料，如陶瓷等。装置的进、出气口与图2中的冷却循环***出、进气口相连接。为保证良好隔离效果，隔离板7底部与打印金属层的垂直距离应当最多不超过冷却室高度的1/20，隔离板厚度不小于冷却室宽度的1/4。

附图2表示了整个冷却循环***的组成。冷却***管道采用金属或其他耐热材料以保证不因气体的高温而破坏。抽气泵12根据需要选用，它可在在气流进口形成负压，在气流出口形成微小正压，如果需要的气体流量较小，也可采用微型抽气泵。流量阀10推荐采用性能比较高的数字型气体流量控制器，可以由主控制器向其输入数字量信号以精确控制流量。对更新后冷却气体的温度控制通过水冷装置11来完成，水冷装置中的控制器通过调整流量调节冷却气体的温度。冷却装置出进口温度T₂、T₁的采集可以采用管道温度传感器，测量温度范围至少应满足0-200℃，图1中的传感器8采用红外温度传感器，用以测量冷却后金属温度T₄，应当注意为其增加隔热装置，并且同打印金属层保持一定安全距离。

整个***的控制***如图3所示，具体的控制过程为：主控制器首先根据采集到的温度数据以及上位机提供的必要数据，按照设计方案中得到的下式粗略估计气体理想的流量值q_气：

然后，根据红外传感器的反馈T₃，按照图4所示的方法，利用T₃与T’₃的误差，采用一定的控制算法如模糊算法、PID算法等，对q_气的值进行精确修正，并将相应的控制指令传入气体流量控制阀，由其完成对气体流量的控制。随着打印过程的进行，可以根据上位机发出的信息动态调整理想冷却速度，从而调整q_气使金属不同的部位具有不同的金相组织，用以改善力学性能。

图3中，主控制器通过总线与上位机通信，获取气体、金属属性信息，获取熔融点的温度以及需要的冷却速度；通过传感器获得实时检测温度信息，经过数据处理后得到气体流量，再驱动气体流量控制阀。主控制器还有一个功能是控制水冷装置以控制冷却气体温度。

图4中T₁、T₂为冷却装置进出气口气体温度，T₃为金属冷却后的温度，T₄为打印熔融点的温度。T’₃为根据T₄和给定冷却速度所得到的金属冷却后的理想温度。算法采用了带T₃反馈的闭环控制算法。

Claims (1)

1.一种用于金属材料3D打印局部温度控制***，其特征是，利用流动的冷却气体与金属基体接触降温，通过调节气体流量与温度控制冷却过程，所述的流动的冷却气体是惰性气体；

结构表征为：

包括局部冷却装置，该局部冷却装置又包括冷却室5、气体入口3、气体出口4，利用冷却室将冷却气体与外部隔离开来，气体入口是冷却气体进入冷却室的入口，气体出口是冷却气体流出冷却室的出口，

包括水冷装置11，使热的冷却气体冷却到需要温度供再利用，并防止过热气体对气体循环装置其他部件的损害；

包括抽气泵，使得在冷却室的气体出口处形成负压，将冷却室内冷却气体抽出冷却室，

包括气体流量调节阀10，用于控制气体流量；

以上局部冷却装置、水冷装置、抽气泵、气体流量调节阀通过管路依次串接形成气体的循环***；

包括红外温度传感器，安装于冷却室的出口侧，用于检测金属冷却后金属的温度T₃；

包括两个气体温度传感器，分别检测气体入口、出口的温度T₁、T₂，

包括上位机，设置了以下参数：熔融点的温度T₄、打印台移动过一个冷却室长度的时间t、冷却气体比热容c_气、金属的比热容c_金、气体密度ρ_气、处于冷却室中的待冷却金属的质量m、冷却室和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率η；

包括主控制器，其输入端分别与外温度传感器、气体温度传感连接，其输出端连接水冷装置中的控制器、抽气泵、气体流量调节阀，主控制器通过通信电缆与上位机相连，获取计算所需的数据；

主控制器根据采集到的温度数据以及上位机提供的数据，按照以下公式算法确定气体的流量值q_气：

其中：

c_气、c_金分别为冷却气体和金属的比热容，

ρ_气为考虑温度的气体的密度，

t为打印台移动过一个冷却室长度的时间，

m为处于冷却室中的待冷却金属的质量，

η为考虑到装置和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率，

(T₄-T₃)/t表征了所需要的冷却速度，

T₄、t恒定，

T₃是控制的对象；

以上通过求解q_气得到气体流量大小；随着q_气的变化，T₂会随之变化，在控制算法中加入了T₂的反馈；

所述主控制器根据金属需要的冷却速度控制流量大小。