CN111250853A - 基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法，装置包括设置在真空室内的移动装置和同步冷却系统，移动装置的上端部固定在真空室的顶部，同步冷却系统与移动装置连接，移动装置带动同步冷却系统上下移动设置，电子束熔丝增材制造时，同步冷却系统与电子束同步接触构件的上表面；同步冷却系统包括冷却箱、法兰卡箍、过渡器、夹紧装置、编织铜网和冷却液，过渡器的上端与冷却箱通过法兰卡箍相连，过渡器的下端通过夹紧装置与所述编织铜网相连；冷却箱包括设置在上部的水冷块和设置在下部的冷却腔，且通过水冷块的下端面分隔水冷块和冷却腔。本发明能够减少热累积，抑制晶粒粗化，节约散热时间，提高生产效率。

Description

基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法

技术领域

本发明属于电子束增材制造领域，尤其是涉及一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法。

背景技术

增材制造的概念在20世纪80年代后期被提出来，该方法主要通过高能束实现材料逐点到逐层叠加的方法制备实体零件。与传统加工成型方法相比，增材制造方法不受成型零件形状的限制，成本低、周期短、精度高，在航空航天、惯性制导、武器维修、生物医学与再制造等领域展现出巨大的应用潜力，为工业领域带来了颠覆性的变革。增材制造技术的热源主要有激光、电子束、等离子体、电弧等。其中，因电子束的量密度大，在无污染的真空环境下工作的特点，使其成为高温合金和活性金属增材制造的最佳热源。目前，为提高增材制造效率，以丝材为原料的电子束熔丝增材制造具有更大的发展潜力，深受航空航天领域青睐，逐渐成为研究热点。

但由于电子束熔丝增材制造技术以电子束为热源，能量较高，并且在真空室下进行，热量只能通过热辐射和基板散出，通常基板与沉积体的接触面积较小，以上双重效应导致电子束熔丝增材过程的散热效率极低。构件的过热一方面会使得熔池向两侧流淌，降低表面质量；另一方面，易导致组织粗化，使得最终构件的性能恶化。尤其对于大尺寸构件，过热现象更加明显，因为随着沉积高度的不断增加，热输入量不断增多，熔池与基板距离越来越大，导致散热距离增加，散热困难。

目前，关于增材制造冷却装置和方法的技术已有报道，有的基于激光增材制造特点，提出通过向表面喷惰性气体或液氮的方式，使气体与构件直接接触，将热量快速导出；此外，还有采用环形喷水装置对电弧增材构件的局部组织进行冷却，目前，这类通过气体或液体与构件直接接触散热的方式是最便捷高效的方法，但由于电子束需要在真空环境下工作，而气体和水均会影响真空室内真空度，所以该冷却方式不适用于电子束增材制造。还有针对电子束增材特点，提出将液态金属镓通入水槽，使镓与构件直接接触进行散热，该方法能够保证在高真空度的前提下，提高散热效率；但镓的价格昂贵，在增材过程中会有损耗，导致打印成本增加。并且镓能够与铝合金发生反应，导致铝合金脆化，一方面会导致水槽内铝合金机械零部件失效，另一方面该冷却方法不适用于铝合金制备，因此该冷却方式有一定局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置及方法，能够减少热累积，抑制晶粒粗化，节约散热时间，提高生产效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，包括设置在真空室内的移动装置和同步冷却系统，所述的移动装置的上端固定在真空室的顶部，所述的同步冷却系统与移动装置连接，所述移动装置带动同步冷却系统上下移动设置，电子束熔丝增材制造时，同步冷却系统与电子束同步接触增材构件的上表面；

所述的同步冷却系统包括冷却箱、法兰卡箍、过渡器、夹紧装置、编织铜网和冷却液，过渡器的上端与冷却箱的下端通过法兰卡箍相连，过渡器的下端通过夹紧装置与所述编织铜网相连；所述的冷却箱包括设置在上部的水冷块和设置在下部的冷却腔，且通过水冷块的下端面分隔水冷块和冷却腔，所述的冷却液位于冷却腔、过渡器和编织铜网形成的通腔中；所述的冷却液在通腔中不渗漏。

进一步的，所述水冷块内部设有蛇形的水冷流道。

进一步的，所述冷却箱下部的四周设有卡槽，底面设有密封条；所述过渡器上部的四周设有卡槽，底部设有法兰，通过法兰卡箍与冷却箱上的卡槽和过渡器上的卡槽配合。

进一步的，所述夹紧装置包括法兰抱箍和夹片，将所述编织铜网的边部放置于过渡器底部的法兰和夹片之间，通过法兰抱箍夹紧；所述编织铜网的目数大于400目。

进一步的，所述移动装置包括电机固定架、电机、上限位板、丝杠组件、导轨、滑块和下限位板，通过所述电机固定架将电机固定在真空室顶部，电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠组件相连，所述丝杠组件包括丝杠和与丝杠配合的螺母，所述螺母通过滑块与冷却箱连接，所述丝杠的底端由下限位板支撑，所述导轨设置两个，对称设置在丝杠的左右两侧，且与丝杠平行设置，两个导轨的上端均穿过滑块后与上限位板固定连接，两个导轨的下端固定在下限位板上，所述上限位板固定在电机的底部。

进一步的，水冷块的下端面为倾斜设置的端面。

进一步的，在所述冷却箱的侧面对应冷却腔处设有与冷却腔相通的液位窗，且液位窗顶部开口。

一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置的同步冷却方法，具体包括以下步骤：

步骤一、电子束熔丝增材前准备：将基板固定到工作平台上，对真空室抽真空；

步骤二、实施电子束熔丝增材：在制备增材构件过程中，电子枪及同步冷却系统均固定不动，随着工作平台移动，电子枪的电子束扫过增材构件表面使其熔化，紧随着电子枪，同步冷却系统以相同的路径扫过增材构件表面，编织铜网与增材构件以柔性方式接触并传热，进行同步冷却，完成一层沉积；当完成一层沉积后，工作平台下移一定高度后，继续下一层沉积，依次循环以上沉积过程，完成增材增材构件制备。

进一步的，步骤二中，当增材构件不需要冷却时，通过移动装置使同步冷却系统升高，使同步冷却系统与增材构件表面不接触；当增材构件需要冷却时，通过移动装置使同步冷却系统下降，使同步冷却系统与增材构件表面接触，实现同步冷却。

进一步的，步骤二中，通过一次同步冷却无法将增材构件温度降至所需要求时，关闭电子束，使同步冷却系统以与一次同步冷却时相同路径下在增材构件表面运动多次，并且配合调慢工作平台的移动速度，实现增材构件冷却。

相对于现有技术，本发明所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置具有以下优势：

本发明所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置能够在真空环境中实现柔性的接触传热，一方面解决了真空环境下散热难的问题，另一方面，与刚性接触相比，柔性接触面积较大，散热效率显著提高；并且冷却方法为同步冷却，效果不随增材增材构件的高度增加而减弱，能够始终保持较高的散热效率；该方法不仅能够减少热累积，抑制晶粒粗化，还节约了散热时间，提高电子束熔丝增材技术的生产效率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的移动装置及同步冷却系统的结构示意图；

图3为同步冷却系统剖面图；

图4为图3中A处局部放大图。

附图标记说明：

1-真空室，2-电子枪，3-送丝机构，4-增材构件，5-基板，6-工作平台，7-移动装置，8-冷却箱，9-法兰卡箍，10-过渡器，11-夹紧装置，12-编织铜网，13-冷却液，701-电机固定架，702-电机，703-上限位板，704-丝杠组件，705-导轨，706-滑块，707-下限位板，801-水冷块，802-水冷流道，803-冷却腔，804-液位窗，805-密封条，1101-法兰抱箍，1102-夹片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，包括真空室1、电子枪2、送丝机构3、基板5、工作平台6、移动装置7和同步冷却系统，

所述真空室1提供电子枪2的高真空工作环境，所述的电子枪2固定在真空室1的顶部，所述工作平台6为六自由度运动平台，六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度的运动，即可实现沿X、Y、Z轴方向的移动及绕X、Y、Z轴方向的转动。六自由度运动平台是一种公知技术，在此不再赘述。也可在工作平台6的内部设有水冷流道，实现基板散热；所述的基板5通过工装固定在工作平台6上，在增材过程中通过工作平台6移动，实现电子束的扫描，所述的送丝机构3固定在真空室1顶部，且送丝机构3和同步冷却系统分设在电子枪2的两侧，所述的移动装置的上端部固定在真空室1的顶部，所述的同步冷却系统与移动装置7连接，所述移动装置带动同步冷却系统上下移动设置，可适应不同的电子束工作距离；当工作平台6移动时，向电子束形成的熔池内输送丝材，形成增材构件4，电子束熔丝增材制造时，同步冷却系统与电子束同步接触增材构件4的上表面，实现同步冷却；

所述的同步冷却系统包括冷却箱8、法兰卡箍9、过渡器10、夹紧装置11、编织铜网12和冷却液13，法兰卡箍9为C型法兰卡箍，过渡器10的上端与冷却箱8通过C型法兰卡箍相连，过渡器10的下端通过夹紧装置11与所述编织铜网12相连；所述的冷却箱8包括设置在上部的水冷块801和设置在下部的冷却腔803，且通过水冷块801的下端面分隔水冷块801和冷却腔803，水冷块801的下端面为分界面，所述的冷却液13位于冷却腔803、过渡器10和编织铜网12形成的通腔中；所述的冷却液13在通腔中不渗漏。所述冷却液13为镓铟合金液，因其为液态金属，能够实现与增材构件4表面的柔性接触，且镓铟合金液熔点低，沸点高，保证其在真空室稳定，不污染真空室环境，同时具有较高的热导率；并且镓铟合金液的表面张力大，保证其在致密的编织铜网12的包裹下无渗漏；所述冷却液可由有相似物理性质的液体替代。

水冷块801的下端面并非水平面，而是倾斜面，一方面是为了增大冷却液与水冷块的接触面积，另一方面，随着冷却液的损耗，虽然液面降低，依然能够保证冷却液与水冷的铜板接触，如果分界面为水平面，当液位降低后，冷却液与水冷块801的下表面分离，冷却效率显著降低。

在所述冷却箱8的侧面对应冷却腔803处设有与冷却腔803相通的液位窗804，其前侧材质为透明玻璃，可观察镓铟合金液液位，且液位窗804顶部开口，用作冷却液的加液口。

水冷块801内部设有蛇形的水冷流道802，水冷流道802的两端分别为进水口和出水口，且进水口和出水口与设置在真空室外的循环冷却水箱连通。且进水口和出水口设置在水冷块801的相对两侧。

冷却箱8下部的四周设有卡槽，底面设有密封条805，防止冷却液流出；所述过渡器10上部的四周设有卡槽，底部设有法兰，且其过渡的形状可随实验要求而改变，通过法兰卡箍9与冷却箱8上的卡槽和过渡期10上的卡槽配合。由于卡槽均布在四周，所以卡箍的位置和数量可根据实验要求任意调整，为拆装提供较大便捷性。

所述夹紧装置11包括法兰抱箍1101和夹片1102，将所述编织铜网12的边部放置于过渡器10底部的法兰和夹片1102之间，通过法兰抱箍1101夹紧；所述编织铜网12的形状和尺寸可以随增材构件4的尺寸而更改，以尽量获得较大的散热面积，优选的：编织铜网12的形状为半球形，目数为500。

所述移动装置7包括电机固定架701、电机702、上限位板703、丝杠组件704、导轨705、滑块706和下限位板707，通过所述电机固定架701将电机702固定在真空室1顶部，电机702的输出轴通过联轴器与所述丝杠组件704相连，所述丝杠组件704包括丝杠和与丝杠配合的螺母，所述螺母通过滑块706与冷却箱8连接，所述丝杠的底端由下限位板707支撑，所述导轨705设置两个，主要起导向作用，对称设置在丝杠的左右两侧，且与丝杠平行设置，两个导轨705的上端均穿过滑块706后与上限位板703固定连接，两个导轨705的下端固定在下限位板707上，所述上限位板703固定在电机702的底部；通过电机702转动带动丝杠转动，从而带动螺母上下移动，进而带动同步水冷系统上下移动。

一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置的同步冷却方法，该冷却方法的步骤如下：

步骤一、电子束熔丝增材前准备：将基板5固定到工作平台6上，对真空室1抽真空；

步骤二、实施电子束熔丝增材：在制备增材构件4过程中，电子枪2和同步冷却系统均固定不动，同步冷却系统与电子枪2并排设置，且在水平方向上有固定距离，随着工作平台6移动，电子枪2扫过增材构件4表面使其熔化，紧随着电子枪2，冷却系统以相同的路径扫过增材构件4表面，进行同步冷却；当完成一层沉积后，工作平台6下移一定高度后，继续下一层沉积，通过该过程的不断循环，实现增材构件4的制备。

所述步骤二中的同步冷却，在增材的起始阶段，由于底层距离水冷底板较近，冷却效果好，同步冷却系统通过移动装置7提升，不与增材构件4表面接触；随着增材高度的增加，熔池与水冷底板的距离增大，散热效果减弱，此时，通过移动装置7使同步冷却系统下降，编织铜网12底部与增材构件4表面接触，提高散热效率，并且通过改变下降距离，可控制编织铜网12与增材构件4的接触面积，从而调整散热速率。

所述步骤二中的同步冷却实现了一次冷却，若增材构件4的温度过高，通过一次冷却无法达到实验要求，需关闭电子束，在同样的路径下在增材构件4表面扫多次，实现增材构件4的充分冷却。同步冷却系统中的编织铜网12的尺寸根据每一道熔池的宽度和冷却速度要求而调整，以通过改变散热面积，调整冷却速度。

步骤三、若多次大功率实验后，镓铟合金液出现蒸发，可通过冷却箱8中的液位窗804观察，并添加镓铟合金液。

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 (10)

1.一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：包括设置在真空室(1)内的移动装置(7)和同步冷却系统，所述的移动装置的上端固定在真空室(1)的顶部，所述的同步冷却系统与移动装置(7)连接，所述移动装置带动同步冷却系统上下移动设置，电子束熔丝增材制造时，同步冷却系统与电子束同步接触增材构件的上表面；

所述的同步冷却系统包括冷却箱(8)、法兰卡箍(9)、过渡器(10)、夹紧装置(11)、编织铜网(12)和冷却液(13)，过渡器(10)的上端与冷却箱(8)的下端通过法兰卡箍(9)相连，过渡器(10)的下端通过夹紧装置(11)与所述编织铜网(12)相连；所述的冷却箱(8)包括设置在上部的水冷块(801)和设置在下部的冷却腔(803)，且通过水冷块(801)的下端面分隔水冷块(801)和冷却腔(803)，所述的冷却液(13)位于冷却腔(803)、过渡器(10)和编织铜网(12)形成的通腔中；所述的冷却液(13)在通腔中不渗漏。

2.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：所述水冷块(801)内部设有蛇形的水冷流道(802)。

3.根据权利要求2所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：所述冷却箱(8)下部的四周设有卡槽，底面设有密封条(805)；所述过渡器(10)上部的四周设有卡槽，底部设有法兰，通过法兰卡箍(9)与冷却箱(8)上的卡槽和过渡器(10)上的卡槽配合。

4.根据权利要求3所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：所述夹紧装置(11)包括法兰抱箍(1101)和夹片(1102)，将所述编织铜网(12)的边部放置于过渡器(10)底部的法兰和夹片(1102)之间，通过法兰抱箍(1101)夹紧；所述编织铜网(12)的目数大于400目。

5.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：所述移动装置(7)包括电机固定架(701)、电机(702)、上限位板(703)、丝杠组件(704)、导轨(705)、滑块(706)和下限位板(707)，通过所述电机固定架(701)将电机(702)固定在真空室(1)顶部，电机(702)的输出轴通过联轴器与所述丝杠组件(704)相连，所述丝杠组件(704)包括丝杠和与丝杠配合的螺母，所述螺母通过滑块(706)与冷却箱(8)连接，所述丝杠的底端由下限位板(707)支撑，所述导轨(705)设置两个，对称设置在丝杠的左右两侧，且与丝杠平行设置，两个导轨(705)的上端均穿过滑块(706)后与上限位板(703)固定连接，两个导轨(705)的下端固定在下限位板(707)上，所述上限位板(703)固定在电机(702)的底部。

6.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：水冷块(801)的下端面为倾斜设置的端面。

7.根据权利要求6所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置，其特征在于：在所述冷却箱(8)的侧面对应冷却腔(803)处设有与冷却腔(803)相通的液位窗(804)，且液位窗(804)顶部开口。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置的同步冷却方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、电子束熔丝增材前准备：将基板固定到工作平台上，对真空室抽真空；

步骤二、实施电子束熔丝增材：在制备增材构件过程中，电子枪及同步冷却系统均固定不动，随着工作平台移动，电子枪的电子束扫过增材构件表面使其熔化，紧随着电子枪，同步冷却系统以相同的路径扫过增材构件表面，编织铜网与增材构件以柔性方式接触并传热，进行同步冷却，完成一层沉积；当完成一层沉积后，工作平台下移一定高度后，继续下一层沉积，依次循环以上沉积过程，完成增材构件制备。

9.根据权利要求8所述的一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置的同步冷却方法，其特征在于：步骤二中，当增材构件不需要冷却时，通过移动装置使同步冷却系统升高，使同步冷却系统与增材构件表面不接触；当增材构件需要冷却时，通过移动装置使同步冷却系统下降，使同步冷却系统与增材构件表面接触，实现同步冷却。

10.根据权利要求8所述的一种基于电子束熔丝增材制造的同步冷却装置的同步冷却方法，其特征在于：步骤二中，通过一次同步冷却无法将增材构件温度降至所需要求时，关闭电子束，使同步冷却系统以与一次同步冷却时相同路径下在增材构件表面运动多次，并且配合调慢工作平台的移动速度，实现增材构件冷却。

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