CN104959606B - 一种用于金属材料3d打印局部温度控制系统 - Google Patents

一种用于金属材料3d打印局部温度控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于金属材料3D打印局部温度控制系统,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

_种用于金属材料3D打印局部温度彳fd制系统
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 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。
[0006] 为实现以上技术目的,本发明采用的方案是:
[0007] -种用于金属材料3D打印局部温度控制系统,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;
[0008] 结构表征为:
[0009] 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,
[0010] 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;
[0011] 包括抽气栗,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,
[0012] 包括气体流量调节阀10,用于控制气体流量;
[0013] 以上局部冷却装置、水冷装置、抽气栗、气体流量调节阀通过管路依次串接形成气 体的循环系统;
[0014] 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;
[0015] 包括两个气体温度传感器,分别检测气体入口、出口的温度Ί\、Τ2,
[0016] 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ri;
[0017] 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、抽气栗、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;
[0018] 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:
Figure CN104959606BD00041
[0020]其中:
[0021 ] c气、c金分别为冷却气体和金属的比热容,
[0022] 汽为考虑温度的气体的密度,
[0023] t为打印台移动过一个冷却室长度的时间,
[0024] m为处于冷却室中的待冷却金属的质量,
[0025] II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,
[0026] (T4_T3)/t表征了所需要的冷却速度,
[0027] T4、t 恒定,
[0028] T3是控制的对象;
[0029] 以上通过求解q气得到气体流量大小;随着q气的变化,Τ2会随之变化,在控制算法中 加入了 Τ2的反馈;
[0030] 所述主控制器根据金属需要的冷却速度控制流量大小。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 有益效果
[0034]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
[0035]附图1是局部冷却装置结构原理图。
[0036]附图2是冷却循环系统原理图。
[0037]附图3控制系统硬件图。
[0038]附图4是控制系统原理图。
[0039]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为抽气栗。
具体实施方式
[0040]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0041 ]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。
[0042] 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。
[0043] 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 T^Ts,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。
[0044] 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:
Figure CN104959606BD00051
[0046] 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,τι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。(T 4_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,T 2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。
[0047] 冷却气体通过循环装置循环,采用了抽气栗以形成负压,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栗以前经过水冷降温,以防止对栗造成危 害。通过控制水冷可以控制新鲜冷却气体的温度。
[0048] 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。
[0049] 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中的冷却循环系统出、 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。
[0050] 附图2表示了整个冷却循环系统的组成。冷却系统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。抽气栗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,也可采用微型抽气栗。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Ts、!^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°C,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。
[0051]整个系统的控制系统如图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:
Figure CN104959606BD00061
[0053]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。
[0054]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。
[0055]图斗中!^、!^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。Τ'3为根据Τ4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Τ3 反馈的闭环控制算法。

Claims (1)

1.一种用于金属材料3D打印局部温度控制系统,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 体循环系统其他部件的损害; 包括抽气栗,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、抽气栗、气体流量调节阀通过管路依次串接形成气体的 循环系统; 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Ti、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、气体密度汽、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n; 包括主控制器,其输入端分别与红外温度传感器、气体温度传感器连接,其输出端连 接水冷装置中的控制器、抽气栗、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:
Figure CN104959606BC00021
其中: c气、c金分别为冷却气体和金属的比热容, 汽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, n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) /1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。
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