CN110539386A - 热池增材制造设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热池增材制造设备和方法，热池增材制造设备包括：成形室；成形缸，所述成形缸被构造成适于盛装热液；升降台，所述升降台设于所述成形缸内；熔覆装置，所述熔覆装置被构造成在所述升降台上对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件，所述三维零件的已成形部分由所述升降台带动逐渐浸入所述热液且通过所述热液进行温度控制。根据本发明实施例的热池增材制造设备利用液体介质控制制件的温度，从而降低或消除成形热应力。

Description

热池增材制造设备和方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种热池增材制造设备和一种热池增材制造方法。

背景技术

基于高能束(如激光、电子束等)激光/电子束的熔覆沉积制造的(claddingdeposition manufacturing，CDM)是一种典型的增材制造工艺，亦称为直接能量沉积(direct energy deposition，DED)、激光金属沉积(laser metal deposition，LMD)工艺。具有成形效率较高、成形尺寸大等优势，但也存在制件在成形过程中热应力较大等问题。

CDM成形过程的特点是用激光、电子束或电弧熔化送进的金属或陶瓷粉末或丝材形成熔池，随着熔池的移动，材料逐行地沉积，进而逐层堆积制造三维金属或陶瓷零件。而在逐层堆积的过程中，零件已成形的部分暴露在成形室环境中，并逐渐远离激光、电子束或电弧热源，其温度会越来越低，从而形成较大的温度梯度，并导致较大的热应力或变形。当热应力增大到一定程度，则需要进行消除应力退火。等热应力消除后，才能继续进行熔覆沉积成形，否则有可能导致零件开裂，造成成形失败。

可见热应力积累已经成为CDM工艺一个关键的技术难点。相关技术中虽然提出了对CDM过程中的热应力进行预测和实时测量，并优化工艺和熔池移动轨迹来降低热应力，但都无法避免热应力的产生和积累。此外，由于较大热应力的存在，也使得塑性较低或热膨胀系数较大的材料无法用CDM工艺成形，限制了该工艺的材料适用范围。

中国专利CN105499569B和CN205414406U公开了一种利用底面和侧向加热的方法对整个成形区域进行温度调控的装置及技术。但由于成形区域上部为开放状态而与外界联通，内外一致的传热介质使得成形区域内外存在较大对流，无法形成稳定的温度场；而且非液体的流体介质(如气体)导热能力低，不同位置温差大，且热容小，对固体材料的传热效率低。这些都限制了对工件温度及其温度场调整的有效性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种热池增材制造设备，该热池增材制造设备利用液体介质控制制件的温度，从而降低或消除成形热应力。

本发明还提出一种热池增材制造方法。

根据本发明的第一方面的实施例提出一种热池增材制造设备，所述热池增材制造设备包括：成形室；成形缸，所述成形缸被构造成适于盛装热液；升降台，所述升降台设于所述成形缸内；熔覆装置，所述熔覆装置被构造成在所述升降台上对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件，所述三维零件的已成形部分由所述升降台带动逐渐浸入所述热液且通过所述热液进行温度控制。

根据本发明实施例的热池增材制造设备利用液体介质控制制件的温度，从而降低或消除成形热应力。

根据本发明的一些具体实施例，在但不限于所述三维零件开始制造之前，所述升降台上升至其上表面高于所述热液液面。

根据本发明的一些具体实施例，所述成形缸配置有加热/冷却装置，所述加热/冷却装置将热液材料加热熔化成所述热液且将所述热液保持在预定温度。

进一步地，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置控制所述热液温度上升或下降到使所述热液与所述三维零件表面润湿角最大的温度。

进一步地，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置按照对所述三维零件进行热处理的要求，控制所述热液的温度及其变化率上升或下降。

根据本发明的一些具体示例，所述成形缸配置有用于检测所述热液液面高度的液面高度检测装置和用于调节所述热液液面高度的液面高度调节装置。

进一步地，所述液面高度调节装置为可上下移动的等截面柱体；当所述等截面柱体向下移动而向所述热液浸入时，所述热液的液面高度上升；当所述等截面柱体向上移动而从所述热液提起时，所述热液的液面高度降低。

根据本发明的一些具体实施例，所述升降台设有贯通其的透液孔。

根据本发明的一些具体实施例，所述成形缸设有进液口和排液口，所述进液口与加热釜相连，所述排液口设有排液阀且与下方的收集釜相连，所述收集釜内设有滤网。

根据本发明的一些具体示例，所述成形材料为粉末状且在所述热液的浮力的作用下形成浮于所述热液表面的粉末层，所述粉末层包括湿层和干层，所述湿层浸入所述热液，所述干层在所述热液之上且不含有所述热液；其中，所述熔覆装置通过对所述干层进行熔覆沉积，以使所述粉末层熔化并逐层沉积而形成所述三维零件的一部分。此时所述熔覆装置可以关闭或调节其粉末吹送和保护气吹送功能，以避免影响所述粉末层的稳定。

进一步地，所述热池增材制造设备还包括：粉末铺设器，所述粉末铺设器被构造成将粉末状的成形材料铺展于所述热液的表面形成所述粉末层并将所述粉末层铺平。

根据本发明的第二方面的实施例提出一种热池增材制造方法，所述热池增材制造方法包括：将热液材料加热熔化为热液并导入成形缸；对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件；将所述三维零件的已成形部分逐渐浸入所述热液且通过所述热液进行温度控制。

根据本发明实施例的热池增材制造方法利用液体控制制件的温度，从而降低或消除成形热应力。

根据本发明的一些具体实施例，所述热池增材制造方法还包括：使粉末状的成形材料在浮力的作用下浮于所述热液表面以形成粉末层，且至少有部分所述粉末层位于所述热液的液面以上而不含有热液，形成干层；对所述粉末层中的干层进行熔覆沉积，以使所述粉末层熔化并逐层沉积而形成三维零件的一部分。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的热池增材制造设备在熔覆沉积制造开始时的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的热池增材制造设备在熔覆沉积制造过程中的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的热池增材制造设备在制造悬臂部分时的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的热池增材制造设备的粉末层的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的热池增材制造设备的成形缸及其热液导入与排出装置的结构示意图。

附图标记：

热池增材制造设备100、三维零件21、

成形室1、

升降台4、成形缸2、进液口25、排液口31、加热釜18、进液阀19、排液阀3、收集釜15、热液材料17、滤网20、透液孔16、

热液9、

熔覆装置6、

沉积层22、

粉末层10、湿层11、干层12、

等截面柱体13、

抽气装置7、净化器8。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

考虑相关技术中增材制造技术的现状，本发明提出一种热池增材制造设备100和一种热池增材制造方法，该设备和方法利用液体介质控制制件的温度，从而降低或消除成形热应力，进而避免制件变形和开裂，且扩展该工艺下材料的适用范围。

下面参考附图描述根据本发明实施例的热池增材制造设备100。

如图1-图5所示，根据本发明实施例的热池增材制造设备100包括成形室1、成形缸2、升降台4和熔覆装置6。

成形缸2被构造成适于盛装热液9。升降台4设于成形缸2内。熔覆装置6被构造成在升降台4上对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件21，例如，熔覆装置6利用激光、电子束或电弧的能量将以粉末或丝材状态送入的成形材料熔化并逐层沉积，在升降台4上进行三维零件21的熔覆沉积制造(或称为“直接能量沉积”或“激光金属沉积”)。三维零件21的已成形部分由升降台4带动逐渐浸入热液9且通过热液9进行温度控制。

下面描述根据本发明实施例的热池增材制造方法，所述热池增材制造方法包括：

将热液材料加热熔化为热液9并导入成形缸2；

对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件21；

将三维零件21的已成形部分逐渐浸入热液9且通过热液9进行温度控制。

根据本发明实施例的热池增材制造设备100及方法，将CDM工艺中已成形部分浸入到高温液体的热液9中，利用高温液体对三维零件21的已成形部分进行保温或加热，以降低温度梯度和热应力；同时可对三维零件21的已成形部分进行实时热处理，进一步降低热应力。由于液态的热液9相比于气体介质具有较大的密度、热容和导热性能，不但可以将热量限制的成形缸2中，而且可以形成较为均匀可控的温度环境，更加有利于对三维零件21的已成形部分的温度及温度场进行调控。

因此，根据本发明实施例的热池增材制造设备100和方法，能够降低或消除成形热应力，进而避免制件变形和开裂，且扩展该工艺下材料的适用范围。

在本发明的一些具体实施例中，如图1所示，在但不限于三维零件21开始制造之前，升降台4上升至升降台4的上表面高于热液9液面。

具体而言，在熔覆沉积制造的最初阶段，为避免成形材料熔化沉积受到热液9材料的影响，升降台4上升至其表面高于热液9液面(如图1所示)，熔覆装置6在升降台4上进行熔覆沉积制造。随着熔覆沉积层数逐渐增加，三维零件21的高度逐渐增高，升降台4逐步下降，带动三维零件21逐渐浸入热液9中(如图2所示)。通过调整热液9的温度及其与当前熔覆沉积层22的距离，调整三维零件21上的温度梯度和温度场，进而调控三维零件21的热应力及其微观组织。

在本发明的一些具体实施例中，成形缸2配置有加热/冷却装置，所述加热/冷却装置将热液材料加热熔化成热液9且将热液9保持在预定温度。设置具有加热和保温功能的成形缸2，可以将密度较大的热液材料加热至液态并在整个成形过程中保持其温度处于预先设置的、高于熔点的预定温度。

本领域的技术人员需要理解地是，作为热液9的材料不会与已成形的三维零件21发生任何化学和冶金反应，除非所发生的反应有利于改进所成形三维零件21的使用性能。

在本发明的一些具体实施例中，在但不限于三维零件21制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置控制热液9温度上升或下降到使热液9与三维零件21表面润湿角最大的温度。

在本发明的一些具体实施例中，在但不限于三维零件21制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置按照对三维零件21进行热处理的要求，控制热液9的温度及其变化率上升或下降。

举例而言，当完成三维零件21的增材制造后，升降台4可下降，将三维零件21完全没入热液9中，调整热液9的温度和保温时间，对成形的三维零件21进行热处理。而在取出三维零件21之前，可将热液9的温度调整到使其表面张力较大，或使热液9与三维零件21表面的接触角(润湿角)较大的温度。以便更好地保证热液9与三维零件21的分离。

在本发明的一些具体实施例中，如图1-图3所示，成形缸2配置有液面高度检测装置和液面高度调节装置。液面高度检测装置用于检测热液9的液面高度，液面高度调节装置用于调节热液9的液面高度，由此可以保持和调整成形缸2中热液9的液面的高度。

可选地，所述液面高度调节装置为可上下移动的等截面柱体13，等截面柱体13可由耐高温材料制成。当等截面柱体13向下移动而向热液9浸入时，热液9的液面高度上升；当等截面柱体13向上移动而从热液9提起时，热液9的液面高度降低。

在本发明的一些具体示例中，如图1-图3所示，为了方便升降台4升降时热液9的流动，升降台4设有贯通升降台4的透液孔16，例如，透液孔16沿上下方向贯通升降台4。

在本发明的一些具体实施例中，如图5所示，成形缸2设有进液口25和排液口31，进液口25可以设置在成形缸2的侧壁且邻近上沿，排液口31可以设置在成形缸2的底壁，所述进液口25相连加热釜18且进液口25设有进液阀19，排液口31设有排液阀3且排液口31下方设有收集釜15，收集釜15内设有滤网20。

具体地，成形开始前，可用加热釜18将热液材料17熔化并加热至设定温度，通过进液口25导入成形缸2；在成形过程中，随着三维零件21下沉体积的增大，当液面高度检测装置与液面高度调节装置无法调整液面处于预设高度时，排液口31的排液阀3打开，排出一部分热液9后排液阀3关闭，液面高度调节装置进行液面高度调节；当成形结束后，排液口31的排液阀3打开，排出全部热液9到收集釜15中。收集釜15中设有滤网20，滤除排出热液9中的成形材料。滤出的成形材料可回收再利用，而热液9则可冷却等待下一次成形，或通过经进液口25重新导入成形缸2进行新的成形。

其中，取出三维零件21的方式可以通过升降台4上升将三维零件21提升出热液9，也可以通过打开成形缸2底部的排液阀3，排出热液9使三维零件21逐步露出热液9，从而将三维零件21与热液9分离。

在本发明的一些具体实施例中，如图2-图4所示，所述成形材料为粉末状且在热液9的浮力的作用下形成浮于热液9表面的粉末层10，粉末层10包括湿层11和干层12，湿层11浸入热液9，干层12在热液9之上且不含有热液9；其中，熔覆装置6通过对干层11进行熔覆沉积，以使粉末层10熔化并逐层沉积而形成三维零件21的一部分。

具体而言，若熔覆装置6采用送粉方式输送成形材料，未熔化的粉末有部分会溅落到成形缸2内。若粉末材料的质量密度小于热液9材料的质量密度，这些粉末会漂浮在热液9的表面，形成粉末层10。也可以利用粉末铺设器将质量密度比热液9小的粉末材料铺展在热液9的表面，形成粉末层10，并将粉末层10铺平。粉末层10浸入热液9的部分称为湿层11，未浸入热液9的部分称为干层12(如图2、图4所示)。

当将要成形三维零件21的悬臂、孔洞或法向向下的表面时，可将升降台4下降或调控热液9液面上升，使热液9表面的粉末层10与三维零件21的顶面平齐。熔覆装置6在三维零件21的顶面和粉末层10上进行熔覆沉积制造或粉末床熔融沉积制造，而当前层22的悬臂部分23可在粉末层10的干层12上直接熔融沉积成形并得到粉末层10及热液9的浮力支撑(如图3所示)。

本领域的技术人员需要理解地是，若熔覆装置6采用吹气送粉方式输送粉末材料和吹送保护气体，为避免气流破坏粉末层10，需暂停吹气送粉，可临时改用送丝等其它方式输送材料；也可用熔覆装置6中的激光、电子束或电弧直接熔融粉末层10中干层12的粉末进行沉积制造当前层22的悬臂部分23；同时，暂停或调整保护气体的吹送参数。

由此，可在热液9的表面形成悬浮的粉末层10，利用热液9的支撑作用，不用支撑结构而直接成形悬臂或空心结构，可大大提升CDM工艺成形复杂结构的能力。

在本发明的一些具体示例中，对于采用电子束为能量源进行熔覆沉积制造的成形室1，配置有真空系统和惰性气体回填系统，为防止电子束传输过程中功率过度衰减和成形材料的蒸发，可回填惰性气体，真空度保持在10^-4Pa至10Pa之间；而对于完全采用激光为能量源进行熔覆沉积制造的成形室1，配置有充气装置和抽气装置7。经过抽气-充气循环后，成形室1中需充满惰性气体，气压等于或大于1个大气压(≥0.1013MPa)并将氧含量降低到0.1％以下。上述真空或抽气系统排出的气体需经过净化器8处理，去除或回收气体中的重金属和有害物质后，再排向大气或重新导入成形室1。

根据本发明实施例的热池增材制造设备100的其它构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“具体实施例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种热池增材制造设备，其特征在于，包括：

成形室；

成形缸，所述成形缸被构造成适于盛装热液；

升降台，所述升降台设于所述成形缸内；

熔覆装置，所述熔覆装置被构造成在所述升降台上对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件，所述三维零件的已成形部分由所述升降台带动逐渐浸入所述热液且通过所述热液进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的热池增材制造设备，其特征在于，在但不限于所述三维零件开始制造之前，所述升降台上升至其上表面高于所述热液液面。

3.根据权利要求1所述的热池增材制造设备，其特征在于，所述成形缸配置有加热/冷却装置，所述加热/冷却装置将热液材料加热熔化成所述热液且将所述热液保持在预定温度。

4.根据权利要求3所述的热池增材制造设备，其特征在于，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置控制所述热液温度上升或下降到使所述热液与所述三维零件表面润湿角最大的温度。

5.根据权利要求3所述的热池增材制造设备，其特征在于，在但不限于所述三维零件制造完成后，所述成形缸加热/冷却装置按照对所述三维零件进行热处理的要求，控制所述热液的温度及其变化率上升或下降。

6.根据权利要求1所述的热池增材制造设备，其特征在于，所述成形缸配置有用于检测所述热液液面高度的液面高度检测装置和用于调节所述热液液面高度的液面高度调节装置。

7.根据权利要求6所述的热池增材制造设备，其特征在于，所述液面高度调节装置为可上下移动的等截面柱体；

当所述等截面柱体向下移动而向所述热液浸入时，所述热液的液面高度上升；

当所述等截面柱体向上移动而从所述热液提起时，所述热液的液面高度降低。

8.根据权利要求1所述的热池增材制造设备，其特征在于，所述升降台设有贯通其的透液孔。

9.根据权利要求1所述的热池增材制造设备，其特征在于，所述成形缸设有进液口和排液口，所述进液口与加热釜相连，所述排液口设有排液阀且与下方的收集釜相连，所述收集釜内设有滤网。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的热池增材制造设备，其特征在于，所述成形材料为粉末状且在所述热液的浮力的作用下形成浮于所述热液表面的粉末层，所述粉末层包括湿层和干层，所述湿层浸入所述热液，所述干层在所述热液之上且不含有所述热液；

其中，所述熔覆装置通过对所述干层进行熔覆沉积，以使所述粉末层熔化并逐层沉积而形成所述三维零件的一部分。

11.根据权利要求10所述的热池增材制造设备，其特征在于，还包括：

粉末铺设器，所述粉末铺设器被构造成将粉末状的成形材料铺展于所述热液的表面形成所述粉末层并将所述粉末层铺平。

12.一种热池增材制造方法，其特征在于，包括：

将热液材料加热熔化为热液并导入成形缸；

对成形材料进行熔覆沉积，以使所述成形材料熔化并逐层沉积而形成三维零件；

将所述三维零件的已成形部分逐渐浸入所述热液且通过所述热液进行温度控制。

13.根据权利要求12所述的热池增材制造方法，其特征在于，还包括：

使粉末状的成形材料在浮力的作用下浮于所述热液表面以形成粉末层，且至少有部分所述粉末层位于所述热液的液面以上而不含有热液，形成干层；

对所述粉末层中的干层进行熔覆沉积，以使所述粉末层熔化并逐层沉积而形成三维零件的一部分。