CN108115135B - 用于金属增材制造过程温度控制的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，包括打印基体、设于打印基体外表面的打印构件、冷却装置和温度监控器，所述温度监控器用于监控打印构件的实时温度；所述冷却装置包括水雾喷头、与水雾喷头连接的集成管道，与集成管道连接的供气单元和供水单元，所述水雾喷头设于打印基体的内部，所述水雾喷头距离打印基体内表面预设距离，所述水雾喷头用于喷出冷却水雾，所述冷却水雾作用于与打印构件相接触的打印基体上；所述打印基体内通入用于平衡打印构件整体温度的平衡水。采用本发明，结构简单、实现快速均匀冷却、精准控制打印温度，误差在±15℃以内。

Description

用于金属增材制造过程温度控制的装置
技术领域
本发明涉及一种金属增材制造设备，尤其涉及一种用于金属增材制造过程温度控制的装置。
背景技术
金属增材制造(3D打印)是以数字模型为基础，以激光、电弧等为热源，用金属丝材或粉末，通过逐层堆积的方式构造金属件的技术。以电弧为热源的金属3D打印技术，打印热循环存在如下特点：1、打印过程中，熔池体积较激光打印大，一般在30～100g。2、打印过程中，电弧能量高且集中，最高温度可达1700℃以上，熔池金属处于过热状态。3、打印过程中，热源小，且实施移动，故打印温度场是一极不平衡温度场。
从金属学知识可知，在金属材料化学成分一定的条件下，材料的结晶条件(即高温停留时间、冷却速度)决定了材料的内部组织，进而决定了材料的理化性能。故温度控制是保证打印金属性能的关键。
在打印过程中电弧持续提供高热量，如不进行冷却将使层间温度高达350℃以上，如此导致熔池金属高温停留时间长，冷却速度慢，内部组织粗大，材料性能恶化。要求一般的碳钢打印的打印温度要求不得高于300℃；不锈钢的打印温度不得高于150℃；合金钢、耐热钢的打印温度要求不得高于250℃，且预热温度一般不低于100℃。
若不控制打印温度，会有以下问题：
1、打印温度其实是打印道间温度，是打印路径前的最高温度。当层间温度过高会引起熔敷金属晶粒粗大，打印件的强度及低温冲击韧性下降，而打印温度过低将使液体熔敷金属的气体、非金属夹杂等无法充分溢出，困在金属内部，形成缺陷。
2、金属在打印过程中，对熔池金属的冷却速度也有要求，冷却速度过快，容易形成淬硬组织，导致强度高，冲击韧性差，冷却速度慢，导致高温停留时间长，晶粒粗大，甚至产生过热组织。
3、对熔池周围的环境要求高，不得有水、蒸汽以及其他化学试剂，以免影响打印金属性能。
从上可知，增材制造过程中，温度控制是保证材料性能的关键，但是控制难度极高。目前无有效的可行方法，一般采用自然空冷，其冷却速度慢，打印效率低，难以实现快速成形。或是采用背面喷水冷却。
自然空冷的冷却速度低，一道打印完成后必须停止，等待温度下降，且冷却速度无法控制，打印效率低，且多次停止会造成接头数量的增加，材料性能下降。
采用背面水冷方法时，水量变化对温度的影响巨大，水量难调，且直接采用水冷，冷却速度过快，对冷却速度调接范围极小。且冷却过程中冷却水受热蒸发，造成空气湿度加大，严重影响打印质量和工作环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，结构简单、实现快速均匀冷却、精准控制打印温度，误差在±15℃以内。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，实现在制造过程中控制不平衡的温度场，使其在宏观上趋于平衡。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，去除水汽对空气湿度的影响。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，实现冷却***的量化调节。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，包括打印基体、设于打印基体外表面的打印构件、冷却装置和温度监控器，所述温度监控器用于监控打印构件的实时温度；
所述冷却装置包括水雾喷头、与水雾喷头连接的集成管道，与集成管道连接的供气单元和供水单元，所述水雾喷头设于打印基体的内部，所述水雾喷头距离打印基体内表面预设距离，所述水雾喷头用于喷出冷却水雾，所述冷却水雾作用于与打印构件相接触的打印基体上；
所述打印基体内通入用于平衡打印构件整体温度的平衡水。
作为上述方案的改进，通过温度监控器、冷却装置、平衡水的用量和温度来联合控制打印基体和/或打印构件的温度在100～300℃内任意可调，精度为±15℃；
通过控制打印基体内部的平衡水，以使打印构件在任意位置的温度均在目标控制温度的范围内，精度为±15℃。
作为上述方案的改进，所述冷却装置包括多个水雾喷头，每个水雾喷头的水量和气量可单独调节，每两个水雾喷头的喷雾面相重叠。
作为上述方案的改进，所述供气单元包括气阀、气压计和空气通道，所述供水单元包括冷却水阀、水流量计和水通道；
所述集成管道包括至少一个空气通道和至少两个水通道，所述水通道围绕空气通道设置。
作为上述方案的改进，所述集成管道包括一个空气通道和六个水通道，所述空气通道设于中间，三个水通道为一组，不同组的水通道分别设于空气通道的两侧，每组水通道呈三角形排列。
作为上述方案的改进，所述打印基体内部设有挡雾板，所述打印基体内部充盈水蒸气；
所述打印基体为管状结构。
作为上述方案的改进，还包括水雾抽离装置，所述水雾抽离装置与打印基体相连接，用于将打印基体内部的水蒸气排出。
作为上述方案的改进，所述水雾喷头与打印基体之间的距离为200-400mm。
作为上述方案的改进，所述打印构件的上方设有打印枪头，所述冷却装置与打印枪头安装在可移动的支架底座上，所述冷却装置随着打印枪头前后左右移动，以使打印枪头处于冷却水雾中心。
作为上述方案的改进，所述打印构件为金属构件；
当打印金属的层间温度为100℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为1-10L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为30～60℃，平衡水的水位为150～400mm；
当打印金属的层间温度为150℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为1.5-8L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为40～70℃，平衡水的水位为100～300mm；
当打印金属的层间温度为200℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0.5-6L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～80℃，平衡水的水位为50～250mm；
当打印金属的层间温度为250℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0.1-5L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～90℃，平衡水的水位＜100mm；
当打印金属的层间温度为300℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0-3L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～90℃，平衡水的水位＜100mm。
实施本发明，具有如下有益效果：
一、本发明包括打印基体、打印构件、冷却装置和温度监控器,所述冷却装置包括水雾喷头、集成管道、供气单元和供水单元，所述水雾喷头设于打印基体的内部，水雾喷头用于喷出冷却水雾，冷却水雾作用于与打印构件相接触的打印基体上。同时，本发明在打印基体内部，通入用于平衡打印构件整体温度的平衡水，因此，本发明结构简单，可以实现快速均匀冷却、精准控制打印温度，以控制打印基体和/或打印构件的温度在100～300℃内任意可调，精度为±15℃。而且，本发明还可以使打印构件在任意位置的温度均在目标控制温度的范围内，精度为±15℃。
二、本发明包括温度监控器，供气单元和供水单元设有灵敏阀门和流量计，可量化调节冷却水雾大小，达到精确调控冷却速度和层间温度的目的。
三、本发明对打印环境无影响，通过水汽抽离装置将水蒸汽排出打印区域，空气湿度不会因水蒸气而升高，去除水汽对空气湿度的影响。
四、本发明应用面广。原有水冷方法只能用于奥氏体不锈钢、镍基合金等无预热温度要求、对水敏感度低的材料，而本发明的层间温度可控、并去除了蒸汽影响，可应用于各种钢材和有色金属。
本发明通过精确调控冷却速度和层间温度，制得的金属构件力学性能优异，并具有良好的组织特征。
附图说明
图1是本发明金属构件丝极电熔增材制造的专用设备的结构示意图；
图2是本发明水雾喷头的结构示意图；
图3是本发明集成管道的结构示意图；
图4是本发明打印基体一实施例的侧视图；
图5是本发明打印基体另一实施例的侧视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，包括打印基体13、设于打印基体13外表面的打印构件1、冷却装置30和温度监控器4，所述温度监控器4用于监控打印构件1的实时温度。所述打印构件1的上方设有打印枪头2。
所述冷却装置30包括水雾喷头10、与水雾喷头10连接的集成管道9，与集成管道9连接的供气单元31和供水单元32，所述水雾喷头10设于打印基体13的内部，所述水雾喷头10距离打印基体13内表面预设距离，所述水雾喷头10用于喷出冷却水雾，所述冷却水雾作用于与打印构件1相接触的打印基体13上。
打印基体13内部通入用于平衡打印构件整体温度的平衡水20。
通过控制打印基体内部的平衡水，以使打印构件在任意位置的温度均在目标控制温度的范围内，精度为±15℃。而且，通过控制平衡水的用量和温度，并结合供水单元和供气单元来进行温度的调节，以控制打印基体和/或打印构件的温度在100～300℃内任意可调，精度为±15℃。
如图2所示，所述冷却装置30包括多个水雾喷头10，每个水雾喷头10的水量和气量可单独调节，每两个水雾喷头10的喷雾面相重叠。优选的，所述冷却装置30包括四个水雾喷头10，每个水雾喷头10的水量和气量可单独调节，四个水雾喷头10均具有单独的集成管道，四个水雾喷头10大致呈方形分布。每两个水雾喷头10的喷雾面相重叠，在打印基体13下方形成连续、较大的喷雾面，增大了有效热交换面，提高冷却速度，同时提高了打印基体13温度的均匀性。
优选的，所述水雾喷头10与打印基体13之间的距离为200-400mm，可以保证打印基体13与喷雾面具有较大的接触面。更佳的，所述水雾喷头10与打印基体13之间的距离为250-280mm，以保证打印基体13与喷雾面具有最大的接触面。
所述供气单元31包括气阀5、气压计3和空气通道8A，所述供水单元32包括冷却水阀6、水流量计7和水通道8B；所述集成管道包括空气通道和水通道。
如图3所示，所述集成管道9包括至少一个空气通道18和至少两个水通道17，所述水通道17围绕空气通道18设置，用于输送压缩空气和冷却水。
优选的，所述集成管道9包括一个空气通道18和六个水通道17，所述空气通道18设于中间，三个水通道17为一组，不同组的水通道分别设于空气通道18的两侧，每组水通道17呈三角形排列。
冷却装置主要负责将水与压缩空气制成冷却水雾11，对打印件进行冷却，并可调节冷却水阀对冷却水雾的大小(即冷却能力)进行控制，流量计可量化反应冷却水雾的大小。打印时，打印枪头进行加热、冷却水雾进行冷却，两者相互作用达到温度平衡，并通过阀门调节水雾的大小实现控温目的。
所述温度监控器4优先选用远红外温度传感器，型号为C73M，温度测量范围为100～600℃，温度监控器的红外探头和打印枪头相连，跟随着打印枪头移动，时时监控打印温度，温度监控器的显示器为数显装备，直观显示层间温度。同时也可辅助其他温度监控设备，监控层间温度低于100℃的打印件。
需要说明的是，本发明温度监控器还可以选用其他类型的监控器，只要其实现温度监控的目的即可。
本发明通过温度监控器进行打印构件的实时温度监控、并通过调节供气单元的气压和供水单元的水流量，以及调节平衡水的用量和温度，可量化调节冷却水雾以及平衡水，达到精确调控冷却速度和层间温度的目的。
优选的，当打印金属的层间温度为100℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为1-10L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为30～60℃，平衡水的水位为150～400mm；
当打印金属的层间温度为150℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为1.5-8L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为40～70℃，平衡水的水位为100～300mm；
当打印金属的层间温度为200℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0.5-6L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～80℃，平衡水的水位为50～250mm；
当打印金属的层间温度为250℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0.1-5L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～90℃，平衡水的水位＜100mm；
当打印金属的层间温度为300℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0-3L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～90℃，平衡水的水位＜100mm。
更佳的，当打印金属的层间温度为100℃时，供气单元的气压为0.7-0.8MPa，供水单元的水流量为1.5-8L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为30～60℃，平衡水的水位为180～300mm；
当打印金属的层间温度为150℃时，供气单元的气压为0.7-0.8MPa，供水单元的水流量为2-7L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为40～70℃，平衡水的水位为150～250mm；
当打印金属的层间温度为200℃时，供气单元的气压为0.7-0.8MPa，供水单元的水流量为1.0-5L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～80℃，平衡水的水位为100～200mm；
当打印金属的层间温度为250℃时，供气单元的气压为0.7-0.8MPa，供水单元的水流量为0.5-3L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～90℃，平衡水的水位＜80mm；
当打印金属的层间温度为300℃时，供气单元的气压为0.7-0.8MPa，供水单元的水流量为0-2L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50～90℃，平衡水的水位＜80mm。
如图4、5所示，所述打印基体13为管状结构。打印基体13设于载重转盘上16上，用于实现打印基体的自转动。优选的，打印基体13的截面为圆形或方形，材质一般为导热良好的碳钢、低合金钢材料，必要时也可根据打印需要改变其形状和材质。
所述打印基体13内部设有挡雾板12，所述打印基体13内部充盈水蒸气14。挡雾板12阻挡水蒸气飘散到打印区域，同时减少了被蒸汽和热水烫伤的危险。
优选的，本发明还包括水雾抽离装置15，所述水雾抽离装置15与打印基体13相连接，用于将打印基体13内部的水蒸气排出，保证打印区域湿度不受水雾影响。具体的，水雾抽离装置15为负压抽气装置，主要包括风机和排气管道，但不限于此。
进一步，为了更好的保证本发明拥有最佳的冷却效果，所述冷却装置30与打印枪头2安装在可移动的支架底座上，所述冷却装置随着打印枪头前后左右移动，以使打印枪头处于冷却水雾中心。所述可移动的支架底座参照现有技术设计即可。
而且，为了保证金属构件具有最佳的力学性能，本发明打印完成后，将打印构件的第一层打印金属去除。这是因为打印枪头进行第一层预热打印，因打印枪头提供的热量巨大，层间温度瞬间升高，其无法达到最佳的温度参数，无法获得最佳的力学性能。第一层打印金属一般是连同基体一起经机械加工去除。
工作时，本发明按如下步骤进行控制：
(1)打印枪头2进行第一层预热打印；
(2)第二层打印时，打开气阀5和冷却水阀6，对照温度监控器4调节冷却水阀，将层间温度控制在参数要求的中间区域。冷却水雾被热量蒸发为水蒸气，水蒸气充斥于打印基体13内，通过水雾抽离装置15将水蒸气抽出，排出打印区域。具体的打印温控参数如下表所示：
Figure BDA0001530042730000081
Figure BDA0001530042730000091
打印时，温度监控装置4对层间温度进行实时监控。当层间温度升高时，对照水流量计调节冷却水阀6，加大冷却水流量，从而加大冷却速度，降低层间温度；当层间温度降低时，对照水流量计7调小冷却水雾，减小冷却速度，层间温度降低。通过这种反馈调节的方法控制层间温度的稳定性。
(3)在进行其他层的打印时，重复步骤(2)的温控步骤。
(4)打印完成后预热打印层需机械去除。
需要说明的是，上述的打印温控参数可以根据实际的生产条件和金属构件成品的要求而进行调整，其实施方式并不局限于本发明所举实施例。
综上，本发明装置可以精准控制打印基体和/或打印构件的温度为100～300℃，精度为±15℃，保证制得的金属构件获得非常理想的力学性能。将本发明的金属构件做力学性能测试，结果如下：
Figure BDA0001530042730000092
需要说明的是，抗拉强度(tensile strength)是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。
屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。
断后伸长率指金属材料受外力(拉力)作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比。
断面收缩率是指材料受拉力断裂时断面缩小，断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率。
由上表可知，本发明制得的金属构件的抗拉强度、屈服强度大，证明其强度高；断后伸长率和断面收缩率越大，说明材料的塑性越大，不仅便于进行各种加工，而且能保证材料在工程上的安全使用。因此，本发明极大的改善成形工件的塑性、韧性、强度和高温蠕变等力学性能。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，包括打印基体、设于打印基体外表面的打印构件、冷却装置和温度监控器，所述温度监控器用于监控打印构件的实时温度；
所述冷却装置包括水雾喷头，与水雾喷头连接的集成管道，与集成管道连接的供气单元和与集成管道连接的供水单元，所述水雾喷头设于打印基体的内部，所述水雾喷头距离打印基体内表面预设距离，所述水雾喷头用于喷出冷却水雾，所述冷却水雾作用于与打印构件相接触的打印基体上；
所述打印基体内通入用于平衡打印构件整体温度的平衡水；
通过温度监控器、冷却装置、平衡水的用量和平衡水的温度来联合控制打印基体和/或打印构件的温度在100~300℃内任意可调，精度为±15℃；
通过控制打印基体内部的平衡水，以使打印构件在任意位置的温度均在目标控制温度的范围内，精度为±15℃；
所述打印基体和打印构件为金属构件；
当打印金属的层间温度为100℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为1-10L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为30~60℃，平衡水的水位为150~400mm；
当打印金属的层间温度为150℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为1.5-8L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为40~70℃，平衡水的水位为100~300mm；
当打印金属的层间温度为200℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0.5-6L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50~80℃，平衡水的水位为50~250mm；
当打印金属的层间温度为250℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0.1-5L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50~90℃，平衡水的水位＜100mm；
当打印金属的层间温度为300℃时，供气单元的气压为0.5-1.0MPa，供水单元的水流量为0-3L/min，同时使用平衡水，平衡水的温度为50~90℃，平衡水的水位＜100mm。
2.如权利要求1所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，所述冷却装置包括多个水雾喷头，每个水雾喷头的水量和气量可单独调节，每两个水雾喷头的喷雾面相重叠。
3.如权利要求1所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，所述供气单元包括气阀、气压计和空气通道，所述供水单元包括冷却水阀、水流量计和水通道；
所述集成管道包括至少一个空气通道和至少两个水通道，所述水通道围绕空气通道设置。
4.如权利要求3所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，所述集成管道包括一个空气通道和六个水通道，所述空气通道设于中间，三个水通道为一组，不同组的水通道分别设于空气通道的两侧，每组水通道呈三角形排列。
5.如权利要求1所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，所述打印基体内部设有挡雾板，所述打印基体内部充盈水蒸气；
所述打印基体为管状结构。
6.如权利要求5所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，还包括水雾抽离装置，所述水雾抽离装置与打印基体相连接，用于将打印基体内部的水蒸气排出。
7.如权利要求1所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，所述水雾喷头与打印基体之间的距离为200-400mm。
8.如权利要求1所述的用于金属增材制造过程温度控制的装置，其特征在于，所述打印构件的上方设有打印枪头，所述冷却装置与打印枪头安装在可移动的支架底座上，所述冷却装置随着打印枪头前后左右移动，以使打印枪头处于冷却水雾中心。
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