CN108714694A - 超声振动-增材制造细化微观组织装置 - Google Patents

超声振动-增材制造细化微观组织装置 Download PDF

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Abstract

超声振动‑增材制造细化微观组织装置，涉及一种增材制造技术，为了解决增材制造构件微观组织结构比较粗大的问题。本发明所述的超声振动装置通过与增材制造设备运动机构连接控制其在三维空间内运动；所述激光发生器发出的激光经过光纤传导后穿过超声振动装置后作用于打印构件上的粉体层形成熔池；所述超声振动装置产生的超声振动经过装置末端的曲面型腔聚焦直接并非接触的作用于熔池。有益效果为将超声振动施加到增材制造过程中，利用超声振动对熔化及冷却过程中的粉体进行作用，促进形核，细化增材制造构件的微观组织结构，并且消除凝固过程中的偏析，进一步优化微观组织结构。

Description

超声振动-增材制造细化微观组织装置
技术领域
本发明涉及一种增材制造技术。
背景技术
增材制造是一种三维快速自由成形制造技术，它综合了计算机图形处理、数字化信息和控制、声光学技术、机电技术和材料技术等多学科技术优势，对制造业的转型升级和结构性调整起到积极作用，代表了制造业发展的新趋势。目前，增材制造主要以激光、粒子束和等离子束作为加热源，以金属粉末为原材料进行逐层成形和制造，以高能三束为主的增材快速成形和制造技术存在一定的局限性。比如，增材制造的构件微观组织结构比较粗大，综合力学性能不高，制约了构件的应用范围。目前，增材制造的构件需要进行复杂的后续处理，以提高综合机械性能，但成本高、周期长，不适合工业化生产。并且，增材制造的大型构件受尺寸的制约，后续处理非常困难。
发明内容
本发明的目的是为了解决增材制造构件微观组织结构比较粗大的问题，提出了一种超声振动-增材制造细化微观组织装置。
本发明所述的超声振动-增材制造细化微观组织装置包括超声振动装置和激光发生器；
所述超声振动装置通过与增材制造设备运动机构连接控制其在三维空间内运动；
所述激光发生器发出的激光经过光纤传导后穿过超声振动装置后作用于打印构件上的粉体层形成熔池；
所述超声振动装置产生的超声振动经过装置末端的曲面型腔聚焦直接并非接触的作用于熔池。
本发明的工作原理为：通过激光发生器发出激光，经过光纤传导后穿过超声振动装置，到达熔池位置，激光对粉体层进行加热并使其熔化，在打印构件表面形成一定厚度的材料，实现增材制造；在实现增材制造的过程中，超声振动装置产生的超声振动通过装置末端的曲面聚焦直接并非接触的作用于熔池，对熔化的粉体施加超声振动作用，而实现在熔化粉体或凝固粉体过程中，超声振动装置具有促进形核、打碎枝晶，达到细化微观组织结构的目的。
本发明的有益效果是超声振动装置发出的超声振动作为一种物理能量形式，对粉体凝固过程有着重要的影响；超声振动的空化效应能够增加形核率，细化微观组织；同时还存在声流效应和机械效应，增加对流，降低熔池内微区的温度梯度，有利于消除偏析，优化微观组织；将超声振动施加到增材制造过程中，利用超声振动的上述物理作用，对熔化及冷却过程中的粉体进行作用，促进形核，细化增材制造构件的微观组织结构，并且消除凝固过程中的偏析，进一步优化微观组织结构。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的超声振动-增材制造细化微观组织装置结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的超声振动-增材制造细化微观组织装置包括超声振动装置和激光发生器3；
所述超声振动装置通过与增材制造设备运动机构连接控制其在三维空间内运动；
所述激光发生器3发出的激光11经过光纤4传导后穿过超声振动装置后作用于打印构件1上的粉体层2形成熔池10；
所述超声振动装置产生的超声振动经过装置末端的曲面型腔聚焦直接并非接触的作用于熔池10。
在本实施方式中，超声振动装置的超声振动频率为：10kHz-40kHz，超声振动装置的超声振动功率为：100W-5000W，超声振动装置的超声振动的振幅为：0.5μm-20μm；
激光11的功率为：100W-10000W，激光11的光斑直径为：0.1mm-2mm，激光11的扫描速度为：0.1m/min-5m/min。
在本实施方式中，所述超声振动装置包括固定螺母5、固定后盖6、压电陶瓷7、固定法兰8和变幅杆9；
所述固定后盖6为底端开口的腔体结构；
所述压电陶瓷7设置在固定后盖6内部；
所述固定螺母5从固定后盖6顶部穿入，并将压电陶瓷7与固定后盖6固定在一起；
所述变幅杆9的一端与固定后盖6开口端通过螺纹进行连接，变幅杆9的另一端设有球冠结构9-1；
所述固定法兰8固定在固定后盖6下端的外壁上，并且通过固定法兰8实现超声振动装置与增材制造设备运动机构连接；
所述固定螺母5、固定后盖6顶部、压电陶瓷7和变幅杆9分别设有中心通孔，并且激光11依次穿过固定螺母5的中心通孔、固定后盖6顶部的中心通孔、压电陶瓷7的中心通孔以及变幅杆9的中心通孔。
在本实施方式中，所述超声振动装置还包括超声电源10；
所述超声电源10的电源输出端与压电陶瓷7的电源输入端相连，超声电源10为压电陶瓷7供电；通过激光发生器3发出激光11，经过光纤4传导后穿过超声振动装置，到达熔池10位置，激光11对粉体层2进行加热并使其熔化，在打印构件1表面形成一定厚度的材料，实现增材制造；在实现增材制造的过程中，启动超声振动装置，并通过球冠结构9-1聚焦到熔池10位置；超声振动装置对熔化的粉体施加超声振动作用，而实现在熔化粉体或凝固粉体过程中，超声振动装置具有促进形核、打碎枝晶，达到细化微观组织结构的目的.
在本实施方式中，打印构件1上的粉体层2是通过设置在其上方的送粉装置喷出的粉体形成的；送粉装置根据需要进行送粉和铺粉；送粉装置送粉速度为2g/min-20g/min，粉体层2的单层扫描高度0.01mm-0.5mm。
粉体层2的粉体为：Ti6Al4V，粉体粒度-150～+325目。

Claims (4)

1.超声振动-增材制造细化微观组织装置，其特征在于，该微观组织装置包括超声振动装置和激光发生器(3)；
所述超声振动装置通过与增材制造设备运动机构连接控制其在三维空间内运动；
所述激光发生器(3)发出的激光(11)经过光纤(4)传导后穿过超声振动装置后作用于打印构件(1)上的粉体层(2)形成熔池(10)；
所述超声振动装置产生的超声振动经过装置末端的曲面型腔聚焦直接并非接触的作用于熔池(10)。
2.根据权利要求1所述的超声振动-增材制造细化微观组织装置，其特征在于，所述超声振动装置包括固定螺母(5)、固定后盖(6)、压电陶瓷(7)、固定法兰(8)和变幅杆(9)；
所述固定后盖(6)为底端开口的腔体结构；
所述压电陶瓷(7)设置在固定后盖(6)内部；
所述固定螺母(5)从固定后盖(6)顶部穿入，将压电陶瓷(7)与固定后盖(6)固定在一起；
所述变幅杆(9)的一端与固定后盖(6)开口端通过螺纹进行连接，变幅杆(9)的另一端设有球冠结构(9-1)；
所述固定法兰(8)固定在固定后盖(6)下端的外壁上，并且通过固定法兰(8)实现超声振动装置与增材制造设备运动机构连接；
所述固定螺母(5)、固定后盖(6)顶部、压电陶瓷(7)和变幅杆(9)分别设有中心通孔，并且激光(11)依次穿过固定螺母(5)的中心通孔、固定后盖(6)顶部的中心通孔、压电陶瓷(7)的中心通孔以及变幅杆(9)的中心通孔。
3.根据权利要求2所述的超声振动-增材制造细化微观组织装置，其特征在于，所述超声振动装置还包括超声电源(10)；
所述超声电源(10)的电源输出端与压电陶瓷(7)的电源输入端相连。
4.根据权利要求1所述的超声振动-增材制造细化微观组织装置，其特征在于，打印构件(1)上的粉体层(2)是通过设置在其上方的送粉装置喷出的粉体形成的。
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