CN108907188B - 一种用于增材制造的温度控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的温度控制装置及其控制方法。该装置在打印头的前端设置前置预热部件，后端设置后置冷却部件；使得成型件在进入打印位置之前，缩小了成型件的表面温度和打印部位的温差，减少了成型件因温差大造成的组织不均匀等现象；打印头的后方设置后置冷却部件，使得成型件在打印结束后能够被冷却气体快速冷却，避免因温度偏高被周围空气氧化的情况，提高成型件表面质量；该温度控制系统及控制方法从控制增材制造沉积过程中熔池的温度和凝固过程中冷却速度的角度出发，通过增加前置预热和后置冷却装置实现了成型件温度场的分区控制，避免了成形缺陷，改善了增材制造过程中温度场的分布，使得成型件内部性质得到改善。

Description

一种用于增材制造的温度控制装置及其控制方法

【技术领域】

本发明属于增材制造(AM)技术领域，涉及采用电弧、等离子、激光等方式进行金属构件焊接增材制造的应用场合，尤其涉及一种用于增材制造的温度控制装置及其控制方法。

【背景技术】

增材制造是一种基于计算机辅助设计(CAD)模型数据，通过材料的逐层累加实现的制造技术；相对于传统的减材制造，如车、铣、刨、磨、钻等，增材制造是一种“自下而上”的制造，可有效缩短产品开发周期，应用潜力巨大，正得到迅速的发展。

金属构件的增材制造是本领域的重要应用方向，其主流工艺包括电弧、电子束和激光三大类。通常，在金属构件的增材制造过程中，热量会不断产生、扩散，不同造型的构件在成形的过程中会具有不同的热积累效应，导致构件内部性质不一致，出现组织不均匀、组织粗大和严重的成分偏析等现象，增加了构件的组织性能调控和局部性能定制化制造的难度。

具体地，成型件在进入增材制造打印位置之前，如果成型件的表面温度与增材制造打印部位的温差较大，极易造成成型件成形的缺陷，影响加工指标；在增材制造打印位置之后，成型件的表面仍维持较高的温度，在不加防护的情况下，极易受到周围环境中活性成份的污染或氧化。

现有的技术，根据专家系统或加工经验数据制定静态或者分级的成型方案，其对成型件温度的控制效果非常有限。因此需要一种针对成型件的温度控制装置，使得成型件在被加工前打印部位的温度能够满足需求，增材制造打印之后，成型件的表面温度能够迅速降低，防止被污染或氧化。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于增材制造的温度控制装置及其控制方法。该系统在打印头的前端设置前置预热部件，后端设置后置冷却部件，使得打印头在沿轨迹增材制造时，前端有预热部件加热成型件，后端有冷却部件冷却成型件。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于增材制造的温度控制装置，包括控制系统和多自由度机构；多自由度机构的操作端依次固定设置有前置预热部件、打印头和后置冷却部件；沿增材制造的方向，前置预热部件在打印头的前方，后置冷却部件在打印头的后方；增材制造成型件时，前置预热部件、打印头和后置冷却部件均在成型件的上方；前置预热部件的输出热量和后置冷却部件的冷却气体输出量均受控于控制系统。

本发明的进一步改进在于：

优选的，控制系统包括轨迹模块、预热部件控制模块、温度控制模块和冷却控制模块；轨迹模块，用于控制多自由度机构操作端的移动轨迹；预热部件控制模块，用于控制前置预热部件沿着增材制造轨迹加热成型件；温度控制模块，用于采集成型件的表面温度并设定前置预热部件的输出热量；冷却控制模块用于根据成型件的材质类型和打印参数设定后置冷却部件的冷却气体输出量；打印参数包括增材制造成型件时的打印模式、电压、电流和送丝速度。

优选的，前置预热部件通过转动机构和多自由度机构的操作端固定连接；转动机构包括电机、齿轮和连接杆；电机的输出端和齿轮固定连接，齿轮和连接杆固定连接，连接杆和前置预热部件固定连接；预热部件控制模块控制转动机构的电机工作，进而通过齿轮和连接杆使得前置预热部件沿着增材制造轨迹加热成型件。

优选的，转动机构的连接杆上固定连接有测温部件；测温部件和打印头沿制造轨迹的距离为30-100mm；测温部件将测量的温度反馈至温度控制模块，温度控制模块中设定有阈值，当测量温度小于阈值时，前置预热部件释放温度差对应的热量。

优选的，后置冷却部件包括连通的气体输出装置和供气装置；气体输出装置下端距离成型件表面之间的距离为10-50mm，气体输出装置和打印头之间的水平直线距离为10-30mm。

优选的，气体输出装置和供气装置之间的管路上靠近气体输出装置的一侧设置有流量监测元件，靠近供气装置的一侧设置有流量调节阀。

优选的，气体输出装置内部被分流结构分隔成若干气流通道，每一个气流通道的气体输出端设置有若干个气体输出口；气体输出口在成型件的上方。

优选的，其特征在于，前置预热部件选用感应加热器、电阻加热器、激光加热器、电弧加热器或热风枪。

一种基于温度控制装置的增材制造温度控制方法，所述成型件分为依次连接的前置部分、打印点和后置部分，多自由度机构的操作端带动前置预热部件、打印头和后置冷却部件同时依据轨迹模块设定的增材制造轨迹移动；预热部件控制模块控制转动机构的连接杆转动，进而带动电动前置预热部件沿着增材制造轨迹加热前置部分，前置预热部件的输出热量受控于温度控制模块；同时，打印头作用于打印点，后置冷却部件依据冷却控制模块设定的冷却气体输出量输出冷却气体冷却后置部分；打印头作用于打印点的方式包括电弧或激光打印。

优选的，前置预热部件加热成型件前，通过测温元件测量前置部分的温度，并将测量温度反馈至温度控制模块；温度控制模块中设定有阈值，当测量温度小于阈值时，前置预热部件加热前置部分。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种用于增材制造的温度控制装置，该系统在打印头的前端设置前置预热部件，后端设置后置冷却部件；使得成型件在进入打印位置之前，缩小了成型件的表面温度和打印部位的温差，减少了成型件因温差大造成的组织不均匀、组织粗大和成分偏析等现象；打印头的后端设置后置冷却部件，使得被打印的部件在打印结束后能够被冷却气体快速冷却，减少因温度偏高被周围空气氧化的情况发生，提高成型件表面质量；该温度控制系统从控制增材制造沉积过程中熔池的温度和凝固过程中冷却速度的角度出发，通过增加前置预热和后置冷却的方式实现了工件温度场的分区控制，从而避免了成形缺陷，改善了增材制造过程中温度场的分布，使得工件内部性质的一致性得到改善。

进一步的，本发明的控制系统包括轨迹模块、预热部件控制模块、温度控制模块和冷却控制模块，轨迹模块用于控制多自由度机构操作端的移动轨迹，使得多自由度机构操作端上的打印头能够按照设定轨迹进行增材制造；预热部件控制模块，用于控制前置预热部件沿着移动轨迹加热成型件，当制造轨迹为曲线时，打印头在后面加热，预热部件需要在前面更改方向，此时需要预热控制部件依据制造轨迹将前置预热部件转动方向，保证前置预热部件的下方是成型件，而不是基板；温度控制模块，用于采集成型件表面的温度并计算前置预热部件的输出热量；冷却控制模块用于根据成型件的材质类型从后台数据库中提取该材质及打印模式下的冷却方案，进而设定后置冷却部件的冷却气体输出量。

进一步的，前置预热部件通过转动机构和多自由度机构的操作端固定连接，使得当制造轨迹为曲线，打印头在后面加热，预热部件需要在前面更改方向时，转动机构受控于预热部件控制模块进行自传，进而改变前置预热部件的方向，保证前置预热部件的下方是成型件。

进一步的，转动机构上还固定设置有测温部件，测温部件和打印头之间沿轨道方向有一定的距离，使得测温部件始终在打印头前方，进而反馈至温度控制模块，温度控制模块将前置预热部件需要输出的热量输入至前置预热部件。

进一步的，后置冷却装置由供气装置为气体输出装置提供冷却气体。

进一步的，流量监测元件靠近气体保护装置，若由供气装置输出的气体到达气体保护装置过程中有气体损失等情况发生，该流量监测元件能够精确的反应流入气体保护装置的气体流量；流量调节阀靠近供气装置，使得流量调节阀能够快速调节供气装置输出的气量。

进一步的，气体输出装置内部被分流结构分隔成若干个气流通道，每一个气流通道的气体输出端设置有若干个气体输出口，保证冷却气体能够较大范围的冷却成型件表面。

进一步的，前置预热部件能够选择多种加热方式，根据被加工件以及该系统的服役条件决定。

本发明还公开了一种增材制造的温度控制方法。该方法在打印头打印成型件的同时，前方对即将被打印的部位进行加热，后方对已经打印的部位进行冷却；预热部件的输出热量与冷却部件输出的冷却气体量均由控制系统控制；一方面无论是温度控制系统还是冷却控制模块中都存储有大量的基础工艺试验和生产数据，使得输出的数值符合实际需求，另一方面温度控制系统还考虑测温装置反馈的表面温度，更加精确的控制即将被打印部位的温度。随着工艺的进步，通过调整温度控制策略，该控制系统的数据库还可进行更新，优化，实现工件内部性质的定制化加工、调理。

【附图说明】

图1为本发明的温度控制系统整体结构示意图；

图2为本发明的温度控制装置结构示意图；

其中：1-控制系统；2-多自由度机构；3-打印头；4-测温部件；5-前置预热部件；6-后置冷却部件；7-成型件；8-转动机构；101-轨迹模块；102-预热部件控制模块；103-温度控制模块；104-冷却控制模块；601-流量调节阀；602-供气装置；603-气体输出装置；604-流量监测元件；701-前置部分；702-打印点；703-后置部分。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。本发明公开的增材制造的温度控制装置，包括控制系统1和多自由度机构2；多自由度机构2的操作端能够按照增材制造的设计轨迹移动的装置，多自由度机构2包括机器人和机床等；执行增材制造设定的轨迹，同时多自由度机构2的操作端上依次固定设置有前置预热部件5、打印头3和后置冷却部件6；其中打印头3用于提供能量源；前置预热部件5通过旋转机构8和多自由度机构2的操作端固定连接；旋转机构8包括电机座、电机、齿轮和连接杆；电机座固定安装在多自由度机构2的操作端上，电机的输出端和齿轮固定连接，齿轮和连接杆固定连接，连接杆上固定连接有测温部件4和前置预热部件5，测温部件4为非接触式测温部件；因此电机带动连接杆转动时，测温部件4和前置预热部件5也会转动，即多自由度机构2的操作端使得测温部件4和前置预热部件5沿轨迹方向的移动，而连接杆使得测温部件4和前置预热部件5角向转动；沿增材制造的移动方向，测温部件4在前置预热部件5的前方，前置预热部件5在打印头3的前方，打印头3在后置冷却部件6的前方；

成型件7分为依次连接的前置部分701、打印点702和后置部分703；考虑到增材制造是通过分层的扫描完成的，此处，前置部分701是指增材制造即将打印到的位置，后置部分703是指增材制造刚刚打印完成的位置。增材制造成型件7时，前置预热部件5在前置部分701的上方，打印头3在打印点702的上方，后置冷却部件6在后置部分703的上方；前置预热部件5和后置冷却部件6均未直接接触成型件7。三个部件的排列顺序并同时在成型件7的上方，使得三个部件同时被多自由度机构2的操作端带动沿轨迹方向移动；测温部件4和打印头3沿制造轨迹的距离为30-100mm；该距离随着制造轨迹的不同而调整，当制造轨迹为直线时，该距离可设定的略短，当制造轨迹为曲线时，曲线的曲率半径越大，即弯曲程度越小，该距离越短；曲线的曲率半径越小，即弯曲程度越大，该距离约长。为保证加热质量，同时也不能加热温度过高，前置预热部件5的最下端与前置部分701表面之间的距离为10-50mm。前置预热部件5包括但不限于感应加热器、电阻加热器、激光加热器、电弧加热器和热风枪。

后置冷却部件6包括连通的气体输出装置603和供气装置602，气体输出装置603和打印头3之间的水平直线距离为10-30mm；气体输出装置603和供气装置602之间的管路上靠近气体输出装置603的一侧设置有流量监测元件604，靠近供气装置602的一侧设置有流量调节阀601；气体输出装置603内部从气体输入端至气体输出端被分流结构分隔若干气流通道，每一个气流通道的气体输出端设置有若干个气体输出口；气体输出口在后置部分703的上方；冷却气体选用压缩空气或惰性气体。

当多自由度机构2为机器人，前置预热部件5为感应加热器时，机器人的操作机械臂上固定有打印头3，机械臂在打印头3前方固定有转动机构8，转动机构8的连接杆固定连接有测温部件4和感应加热器；打印头3的后面固定连接有气体输出装置603；感应加热器在前置部分701上方，打印头3在打印点3上方，气体输出装置603在后置部分703上方。

控制系统1包括轨迹模块101、预热部件控制模块102、温度控制模块103和冷却控制模块104；这四个模块相互独立运行，轨迹模块101，用于控制多自由度机构2操作端的移动轨迹，使得多自由度机构2操作端上的打印头3能够按照设定轨迹进行增材制造；预热部件控制模块102控制转动机构(8)中的电机工作，电机带动齿轮和旋转杆转动，旋转杆带动前置预热部件5转动，进而使前置预热部件5沿着增材制造轨迹加热前置部分701，当制造轨迹为曲线时，打印头3在后面加热，前置预热部件5需要在前面更改方向，此时需要预热控制模块102依据制造轨迹将前置预热部件5转动方向，保证前置预热部件5的下方是成型件7，而不是基板；温度控制模块103，通过测温部件4采集前置部分701表面的温度，将测量温度与系统数据库中的目标阈值作对比，计算出输出前置预热部件5需要升高的温度，进而转换为前置预热部件5需要输出的热量，将该热量值传入至前置预热部件5，由前置预热部件5输出热量加热成型件7；冷却控制模块104用于根据成型件7的材质类型和打印参数设定后置冷却部件6的冷却气体输出量；打印参数包括增材制造成型件7时的打印模式、电压、电流和送丝速度；在使用时，模块会通过流量监测元件604实时监测通入气体输出装置603的气量，同时和模块中的针对该成型件7材质设定的冷却气量阈值做比对，高或低均通过调节流量调节阀601的开度调节供气装置602输出的气量。两个阈值，对于冷却控制模块104，此处的阈值是指具体的增材制造过程中，对应成形材料的设定冷却气体流量；对于温度控制模块103，其阈值是指需要升温到的最低温度。

该系统控制成型件7表面温度的方法如下：多自由度机构2的操作端带动前置预热部件5、打印头3和后置冷却部件6同时依据轨迹模块101设定的轨迹移动；预热部件控制模块102控制前置预热部件5沿着移动轨迹加热前置部分701，前置预热部件5的输出热量受控于温度控制模块103，同时，打印头3打印作用于打印点702，后置冷却部件6依据冷却控制模块104设定的冷却气体输出量喷出冷却空气冷却后置部分703；打印头3作用于打印点702的方式包括电弧或激光打印。

前置预热部件5加热前置部分701前，需测量被前置部分701的温度，并将测量温度反馈至温度控制模块103；温度控制模块103中设定有阈值，当测量温度小于阈值时，前置预热部件5加热前置部分701。

该控制系统1采用前置预热执行部件及后置冷却部件6实现温度的分区调节；根据增材制造专家系统的历史数据及工件温度控制部件的指令，调节各自的工艺参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。

Claims (6)

1.一种用于增材制造的温度控制装置，其特征在于，包括控制系统（1）和多自由度机构（2）；多自由度机构（2）的操作端依次固定设置有前置预热部件（5）、打印头（3）和后置冷却部件（6）；沿增材制造的方向，前置预热部件（5）在打印头（3）的前方，后置冷却部件（6）在打印头（3）的后方；增材制造成型件（7）时，前置预热部件（5）、打印头（3）和后置冷却部件（6）均在成型件（7）的上方；前置预热部件（5）的输出热量和后置冷却部件（6）的冷却气体输出量均受控于控制系统（1）；

控制系统（1）包括轨迹模块（101）、预热部件控制模块（102）、温度控制模块（103）和冷却控制模块（104）；轨迹模块（101），用于控制多自由度机构（2）操作端的移动轨迹；预热部件控制模块（102），用于控制前置预热部件（5）沿着增材制造轨迹加热成型件（7）；温度控制模块（103），用于采集成型件（7）的表面温度并设定前置预热部件（5）的输出热量；冷却控制模块（104）用于根据成型件（7）的材质类型和打印参数设定后置冷却部件（6）的冷却气体输出量；打印参数包括增材制造成型件（7）时的打印模式、电压、电流和送丝速度；

前置预热部件（5）通过转动机构（8）和多自由度机构（2）的操作端固定连接；转动机构（8）包括电机、齿轮和连接杆；电机的输出端和齿轮固定连接，齿轮和连接杆固定连接，连接杆和前置预热部件（5）固定连接；预热部件控制模块（102）控制转动机构（8）的电机工作，进而通过齿轮和连接杆使得前置预热部件（5）沿着增材制造轨迹加热成型件（7）；

转动机构（8）的连接杆上固定连接有测温部件（4）；测温部件（4）和打印头（3）沿制造轨迹的距离为30-100mm；测温部件（4）将测量的温度反馈至温度控制模块（103），温度控制模块（103）中设定有阈值，当测量温度小于阈值时，前置预热部件（5）释放温度差对应的热量；

后置冷却部件（6）包括连通的气体输出装置（603）和供气装置（602）；气体输出装置（603）下端距离成型件（7）表面之间的距离为10-50mm，气体输出装置（603）和打印头（3）之间的水平直线距离为10-30mm。

2.根据权利要求1所述用于增材制造的温度控制装置，其特征在于，气体输出装置（603）和供气装置（602）之间的管路上靠近气体输出装置（603）的一侧设置有流量监测元件（604），靠近供气装置（602）的一侧设置有流量调节阀（601）。

3.根据权利要求1所述用于增材制造的温度控制装置，其特征在于，气体输出装置（603）内部被分流结构分隔成若干气流通道，每一个气流通道的气体输出端设置有若干个气体输出口；气体输出口在成型件（7）的上方。

4.根据权利要求1-3任意一项所述用于增材制造的温度控制装置，其特征在于，前置预热部件（5）选用感应加热器、电阻加热器、激光加热器、电弧加热器或热风枪。

5.一种基于权利要求1-3任意一项所述温度控制装置的增材制造温度控制方法，所述成型件（7）分为依次连接的前置部分（701）、打印点（702）和后置部分（703），其特征在于，多自由度机构（2）的操作端带动前置预热部件（5）、打印头（3）和后置冷却部件（6）同时依据轨迹模块（101）设定的增材制造轨迹移动；预热部件控制模块（102）控制转动机构（8）的连接杆转动，进而带动前置预热部件（5）沿着增材制造轨迹加热前置部分（701），前置预热部件（5）的输出热量受控于温度控制模块（103）；同时，打印头（3）作用于打印点（702），后置冷却部件（6）依据冷却控制模块（104）设定的冷却气体输出量输出冷却气体冷却后置部分（703）；打印头（3）作用于打印点（702）的方式包括电弧或激光打印。

6.根据权利要求5所述的一种增材制造温度控制方法，其特征在于，前置预热部件（5）加热成型件（7）前，通过测温元件测量前置部分（701）的温度，并将测量温度反馈至温度控制模块（103）；温度控制模块（103）中设定有阈值，当测量温度小于阈值时，前置预热部件（5）加热前置部分（701）。