CN109986206A - 增材制造装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明技术方案公开了一种增材制造装置及其工作方法，包括用于以熔覆或熔积的方式而形成增材的增材加工头；位于所述增材加工头且用于控制由所述增材加工头生成的增材的温度的温控装置。本发明技术方案通过在增材加工头和修复装置之间增加温控装置，通过温控装置对增材进行温度控制，使得受控制区域的增材的温度达到修复装置工作所需的指定温度，实现了实时控制增材后续工艺前的温度以达到目标温度。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种增材制造装置及其工作方法。
背景技术
增材制造是一种通过逐层累加材料，自下而上的进行零件直接成型的制造方法。“增材”是相对于传统的车、铣、刨、磨等“减材”制造方法而给出的新的定义，相对适合结构和形状复杂的零件，并且可以减少加工工序，大幅度缩短加工周期。
在金属增材制造工艺中，主要包括电弧、电子束、和激光等三大类。在加工过程中所产生的热量在零件中分布并不均匀，且梯度较大，容易导致金相组织不均匀、偏析等影响材料性能的组织结构出现；还可能产生热应力导致裂纹产生；或者产生气孔。为了解决此类问题，或者对材料组织形成过程进行主动干预，就需要在成型过程中对温度场、或者温度梯度进行干预，或者复合实时的其他工艺方法来改变金相组织、消除热应力、减少气孔等。
通用电气(CN 107287588 A)在激光熔覆中采用了振动锻造的方法，锻造头随激光熔覆头移动，应用锤击对材料进行变形，以达到改善材料组织性能的目的。华中科技大学(CN 101817121 B)则在零件与模具的无模生长制造中采用了随熔积轨迹进行挤压，对熔积区域做压缩成型与加工。英国Cranfield university(GB 2491472 B)采用不同的辊压工艺，其策略是在完成某一层后，再对该层进行辊压。其方法在辊压时的材料温度相比较华中科技大学的要低。而使用辊压来消除热应力在焊接领域应用广泛(SW Wen,Rolling tocontrol residual stress and distortion in friction stir welds)。
在上述的方法中，后续工艺并没有考虑到适合工艺的窗口温度，以及相应的温度控制方法。实际在增材制造中，对熔积前和熔积后的温度进行控制，以达到主动干预材料组织形成的目的，或者进行温度控制，使得材料处于后续工艺适合的窗口温度范围内对材料组织和工艺目的非常重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的增材制造工艺中增材无法实现温度实时控制以达到后续工艺所需的窗口温度。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种增材制造装置，其中，包括:
用于以熔覆或熔积的方式而形成增材的增材加工头；
位于所述增材加工头且用于控制由所述增材加工头生成的增材的温度的温控装置。
可选地，还包括位于所述温控装置相对于所述增材加工头的另一侧的，且用于对通过所述增材加工头形成的增材区域进行辊压或挤压的修复装置。
可选地，还包括与所述增材加工头、所述修复装置和所述温控装置通讯连接的工控机，所述温控装置中具有与所述工控机通讯连接的温度检测反馈装置。
可选地，所述温控装置包括IR相机和与所述IR相机连接的控制器，所述控制器通过数据线连接至所述工控机；所述增材加工头包括激光头以及与所述激光头连接的激光器，所述激光器通过数据链路连接至所述工控机。
可选地，所述修复装置为辊轴，所述增材的原料为丝材或粉末。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案还提供一种根据上述任一所述的增材制造装置的工作方法，其中，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：所述工控机控制所述增材加工头形成包括有基板以及由所述基板上生成的零件的增材；
步骤2：所述工控机控制所述温控装置对增材进行升温或降温，直至温度满足后续加工的预定温度区间；
步骤3：所述工控机控制所述修复装置对经过所述温控装置升温或降温的增材进行辊压或挤压。
可选地，当增材需要升温时，所述温控装置为激光设备、焊枪或火枪。
可选地，当增材需要降温时，所述温控装置为高压风机或喷淋头。
可选地，所述修复装置与所述增材加工头同时运动。
可选地，所述修复装置在所述增材加工头完成一道工序后独立运动。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过在增材加工头和修复装置之间增加温控装置，通过温控装置对增材进行温度控制，使得受控制区域的增材的温度达到修复装置工作所需的指定温度，实现了实时控制增材后续工艺前的温度以达到目标温度。
附图说明
图1为本发明实施例中增材制造装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中增材制造装置的工作状态示意图；
图3为本发明实施例中温控装置和增材加工头的具体连接结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
请参见图1和图2所示，示出了一种实施例的增材制造装置，图1中未示出温控装置5，图2中未示出修复装置4，图1、图2中编号6为受温控装置影响的区域，编号7为增材加工头3工作过程中的熔覆或熔积区，其中，包括:
用于以熔覆或熔积的方式而形成增材的增材加工头3；位于增材加工头3一侧且用于对通过增材加工头3形成的增材区域进行辊压或挤压的修复装置4；位于增材加工头3和修复装置4之间且用于控制由增材加工头3生成的增材的温度的温控装置5。
本实施例中，还包括与增材加工头3、修复装置4和温控装置5通讯连接的工控机(未示出)，温控装置5中具有与工控机通讯连接的温度检测反馈装置(未示出)。
本实施例中，修复装置4为辊轴，增材的原料为丝材或粉末。
通过以下说明进一步的认识本发明的特性及功能。
请参见图2所示，一种增材制造装置的工作方法，其中，工作方法包括以下步骤：
步骤1：工控机控制增材加工头3形成包括有基板1以及由基板1上生成的零件2的增材；
步骤2：工控机控制温控装置5对增材进行升温或降温，直至温度满足后续加工的预定温度区间；
步骤3：工控机控制修复装置4对经过温控装置5升温或降温的增材进行辊压或挤压。
本实施例中，当增材需要升温时，温控装置5为激光设备、焊枪或火枪，但不仅限于激光设备、焊枪或火枪，还可以是其他的可以实现温度升高的设备；当增材需要降温时，温控装置5为高压风机或喷淋头，但不仅限于高压风机或喷淋头，还可以是其他的可以实现温度降低的设备。
本实施例中，修复装置4可以与增材加工头3同时运动；当然在其他实施例中修复装置4也可以在增材加工头3完成一道工序后独立运动。
以下对本发明做进一步解释。
本发明涉及一种增材制造过程中，对指定区域(即如图1或图2中编号6所示)材料进行温度控制，使其达到预定的温度区间或者适合后续工艺(即例如修复装置4的工艺)的温度区间的方法和装置。
本发明包括在增材制造过程中，在增材熔积成型区域前、或者后、或者两者同时进行温度控制，使得受影响区域的材料温度达到指定温度。基于目标温度和初始温度的不同，温度控制指通过升温或者降温的方法，使得受影响区域材料温度达到目标温度。
在增材制造过程中，温控装置5可以按照工艺要求，随熔覆、熔积头沿增材轨迹同步移动；或者在增材过程中不随熔覆头移动，以独立的轨迹进行移动；或者在完成一层增材加工后按照轨迹独立使用。
在图中所示的编号1、2、3、7为一般增材制造过程。零件2从基板1开始自下而上进行构建(生长)，最终完成零件制造。零件2由模型按照工艺方案，生成切片模型(层)和每层内的工艺轨迹。增材加工头3按照既定工艺轨迹，逐道、逐层进行材料熔覆或者熔积，直至完成所有工艺步骤。
如图3所示，图3示出了本发明实施例的温控装置5和增材加工头3的具体连接结构，主要包括工控机23、与工控机23连接的激光器24和控制器28。控制器28连接增材加工头3的激光头21，控制器28通过数据线25与工控机23连接，控制器28连接IR相机22。激光头21通过光纤26连接至用于产生激光的激光器24，激光器24通过数据链路27连接至工控机23。
温度控制主要由温度测量IR相机22及控制器28以及加热用的激光头21组成。在使用中，IR相机22实时采集零件2的红外图像，采集后的红外图像由控制器28经过数据线25送到工控机23。工控机23根据图像进行温度计算，然后将控制信息通过数据链路27送至激光器24，来对激光功率进行调节。激光器24在调节后射出的激光由光纤26传输至激光头21最终作用于受温控装置影响的区域6(即待升温的工件区域)，将其温度提升至预设的温度。
为了消除制造过程中可能的缺陷，或者改善材料组织性能，可能会在增材制造过程中对新熔积区部分或者全部进行辊压或者挤压处理(即通过修复装置4辊轴进行处理)。该过程可能在保持一段距离的情况下随加工头3同时进行移动和挤压。也可能在完成每道、每层后单独控制修复装置4按照增材轨迹或者其他轨迹进行后续工艺加工。本发明的温控装置5在修复装置4进行挤压前对待挤压区域材料温度进行检测，并按照工艺要求对材料进行升温或者降温，使得其处于后续工艺适合的窗口温度范围内。
综上所述，本发明通过在增材加工头和修复装置之间增加温控装置，通过温控装置对增材进行温度控制，使得受控制区域的增材的温度达到修复装置工作所需的指定温度，实现了实时控制增材后续工艺前的温度以达到目标温度。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种增材制造装置，其特征在于，包括:
用于以熔覆或熔积的方式而形成增材的增材加工头；
位于所述增材加工头且用于控制由所述增材加工头生成的增材的温度的温控装置。
2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括位于所述温控装置相对于所述增材加工头的另一侧的，且用于对通过所述增材加工头形成的增材区域进行辊压或挤压的修复装置。
3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，还包括与所述增材加工头、所述修复装置和所述温控装置通讯连接的工控机，所述温控装置中具有与所述工控机通讯连接的温度检测反馈装置。
4.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述温控装置包括IR相机和与所述IR相机连接的控制器，所述控制器通过数据线连接至所述工控机；所述增材加工头包括激光头以及与所述激光头连接的激光器，所述激光器通过数据链路连接至所述工控机。
5.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述修复装置为辊轴，所述增材的原料为丝材或粉末。
6.一种根据权利要求1-5中任一所述的增材制造装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：所述工控机控制所述增材加工头形成包括有基板以及由所述基板上生成的零件的增材；
步骤2：所述工控机控制所述温控装置对增材进行升温或降温，直至温度满足后续加工的预定温度区间；
步骤3：所述工控机控制所述修复装置对经过所述温控装置升温或降温的增材进行辊压或挤压。
7.根据权利要求6所述的增材制造装置的工作方法，其特征在于，当增材需要升温时，所述温控装置为激光设备、焊枪或火枪。
8.根据权利要求6所述的增材制造装置的工作方法，其特征在于，当增材需要降温时，所述温控装置为高压风机或喷淋头。
9.根据权利要求6所述的增材制造装置的工作方法，其特征在于，所述修复装置与所述增材加工头同时运动。
10.根据权利要求6所述的增材制造装置的工作方法，其特征在于，所述修复装置在所述增材加工头完成一道工序后独立运动。
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