CN111250854A - 用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置及方法，装置包括水冷板、冷却箱、推杆电机和若干冷却单元，冷却箱固定在真空室的顶部，冷却箱半嵌入在真空室内，水冷板设置在冷却箱上，在水冷板内部布有蛇形水冷流道；冷却箱内设有伸缩罩、移动板和弹簧上支撑板。本发明通过冷却单元与构件表面接触导热，当大量冷却单元采用包裹式的柔性接触传热方式，使得散热速率显著提高；该装置灵活性强，适用于结构复杂的构件，同时散热效果不随增材高度的增加而减弱；本发明有效解决电子束熔丝增材制造中，由于真空环境导致的散热难、散热慢的问题，尤其是对于大尺寸复杂构件；防止组织和性能恶化，显著提高电子束熔丝增材制造的成形效率。

Description

用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置及方法

技术领域

本发明属于电子束增材制造领域，尤其是涉及一种用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置及方法。

背景技术

增材制造作为一种绿色制造技术，通过逐点熔化-逐线搭接-逐层堆积，实现零件的近净成形，不受成型零件形状的限制，无需模具，周期短，适用于小批量、定制化、高附加值零件制备。电子束熔丝增材制造作为一种新兴的增材技术，因电子束能量密度大，在真空中工作的特点，使其广泛适用于难熔、活性金属；并且丝材作为原料比粉末的效率高，因此电子束熔丝增材制造在航空航天领域具有巨大潜力。

电子束熔丝增材制造是以高能量的电子束为热源，并且随着增材高度的增加，输入构件的热量不断累积；由于电子束需在真空环境下工作的特点，热量只能通过热辐射和基板散出，然而随着沉积高度的增加，熔池离基板的距离越来越远，导致基板的散热能力降低，热量难以散出。当制备大型构件时，若热量累积过多，不仅会导致熔池向两侧流淌，熔池内合金元素挥发，还会使晶粒粗化，导致构件力学性能恶化。目前，只能采用增加层间停留时间，来降低构件温度，但该方法会导致生产效率显著降低；因此仅依靠基板散热无法实现高效率、高质量的电子束熔丝增材目标。

目前，关于增材制造冷却装置和方法的技术已有报道，有的通过增大水冷工作台的水压，以提高基板的散热能力，但该方法随着增材高度的增加，使得散热距离增大，冷却效果逐渐减弱。也有的采用一种同步的方式进行冷却，随着增材高度的不断增加，冷却装置也不断提升，使冷却装置和增材位置在同一水平线后，向表面喷水，实现快速冷却，但是该方法无法在电子束特殊的真空环境下使用。更有的采用大量的紫铜珠，使紫铜珠与增材构件表面接触，将热量导出，但该冷却方法只适用于薄壁墙零件的制备，无法应用于复杂构件制备，如环形、曲面等，并且该装置的高度受限，无法应用于大尺寸构件的增材制备过程。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置及方法，不仅能够有效的提高散热效率，还能够保证散热能力不随高度增加而降低。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，包括水冷板、冷却箱、推杆电机和若干冷却单元，所述的冷却箱固定在真空室的顶部，所述的冷却箱半嵌入在真空室内设置，所述的水冷板设置在冷却箱上，且所述的水冷板设置在真空室的外部，在所述的水冷板内部布有蛇形水冷流道；

所述的冷却箱内设有伸缩罩、移动板、弹簧上支撑板，所述的伸缩罩上端固定在冷却箱的中部的内壁上，所述的伸缩罩的下端固定在移动板上，在移动板上均匀开设有若干通孔，相应的，在冷却箱的底部也开设有若干通孔，且每一对应通孔处竖直设置一冷却单元，所述的弹簧上支撑板固设在冷却箱的顶部；

每一所述的冷却单元均包括铜管和冷却触点，所述的冷却触点设置在相应铜管的底部，所述的铜管的顶部与一弹簧的下端连接，弹簧的上端与一弹簧上支撑座连接，若干所述的弹簧上支撑座均匀固定在弹簧上支撑板的下表面，所述的伸缩罩、移动板和若干铜管与冷却箱之间围成容纳冷却液的封闭空间；

所述的移动板由推杆电机带动在冷却箱内上下移动，所述的推杆电机固定在真空室的内部，所述弹簧在移动板运动行程内，均处于压缩状态。

进一步的，所述冷却箱的截面为T型结构，冷却箱的水平部分固定在真空室的顶部，冷却箱的竖直部分嵌入在真空室内。

进一步的，所述的伸缩罩上端固定在冷却箱的中部的拐角处。

进一步的，在冷却箱的上表面的中部设有容纳水冷板的凹槽。

进一步的，在移动板上的每一通孔处均配合一轴套，且在轴套内设有与相应的铜管配合的密封圈。

进一步的，同一冷却单元的铜管与轴套及相对应的弹簧上支撑座和弹簧同轴设置。

进一步的，所述水冷板材质为紫铜；所述冷却触点为耐高温导热材料；所述冷却液为镓铟合金液。

进一步的，所述伸缩罩为风琴式防护罩。

一种用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置的局部冷却方法，包括以下步骤：

步骤一：进行电子束熔丝增材过程：电子枪固定不动，随着工作平台带着基板移动，电子枪的电子束在增材构件表面按照程序设定的路径扫描，同时送丝机构向电子束形成的熔池内输送丝材；

步骤二：进行增材构件的局部冷却过程：工作平台将增材构件移动到局部冷却辅助装置下方，随后，推杆电机带动移动板下移，在压缩的弹簧的作用下，所有冷却单元的铜管及冷却触点也同步下移，当某处冷却单元的冷却触点碰到增材构件后该冷却单元的冷却触点静止，推杆电机继续带动移动板下移，冷却触点静止的冷却单元的铜管顶部与轴套脱离接触，且不随移动板下移，未碰到增材构件的冷却单元继续下移，当移动板到达下限位时，局部冷却辅助装置将增材构件的上半部包裹，下移的大部分冷却单元与增材构件表面接触，导走增材构件的热量。

步骤三：当增材构件降到所需温度后，推杆电机带动移动板上移，所有冷却单元均缩到冷却箱内，工作平台移动到电子枪下继续进行步骤一中的增材过程，依次重复步骤一和步骤二，直至实现增材构件的电子束熔丝增材制备。

进一步的，所述步骤二的冷却过程中，移动板向下移动的距离，根据实际的冷却需求而调整，且冷却速度和移动板下移距离呈正相关。

相对于现有技术，本发明所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置及方法具有以下优势：

本发明装置中的局部冷却系统在真空环境中通过与增材构件的包裹式接触，实现快速导热，与其他接触方式相比，该方法的接触面积大，且冷却效率不随增材高度的增加而减弱，显著降低了散热时间，提高生产效率。

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用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置的结构示意图；

图2为本发明中局部冷却辅助装置在冷却阶段的状态示意图；

图3为图2中A处放大图；

图4为本发明中局部冷却辅助装置在增材阶段的状态示意图。

附图标记说明：

1-电子枪，2-真空室，3-送丝机构，4-水冷板，5-冷却箱，501-冷却液，502-弹簧上支撑板，503-伸缩罩，504-移动板，6-推杆电机，7-冷却单元，701-弹簧上支撑座，702-弹簧，703-铜管，704-密封圈，705-轴套，706-冷却触点，8-增材构件，9-基板，10-工作平台。

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，用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，包括水冷板4、冷却箱5、推杆电机6和若干冷却单元7，所述的冷却箱5固定在真空室2的顶部，所述的冷却箱5半嵌入在真空室2内，所述的水冷板4设置在冷却箱5上，且所述的水冷板4设置在真空室2的外部，在所述的水冷板4内部布有蛇形水冷流道，用于带走真空室2的热量；

所述的冷却箱5内设有伸缩罩503、移动板504、弹簧上支撑板502，所述的伸缩罩503上端固定在冷却箱5的中部的内壁上，所述的伸缩罩503的下端固定在移动板504上，在移动板504上均匀开设有若干通孔，具体为：沿移动板504的长、宽方向都均匀开设有若干通孔，移动板504的板面上尽可能多的的开设通孔，相应的，在冷却箱5的底部也开设有若干通孔，且每一对应通孔处竖直设置一冷却单元7，所述的弹簧上支撑板502固设在冷却箱5的顶部；

每一所述的冷却单元7均包括铜管703和冷却触点706，所述的冷却触点706设置在相应铜管703的底部，所述的铜管703的顶部与一弹簧702的下端连接，弹簧702的上端与一弹簧上支撑座701连接，若干所述的弹簧上支撑座701均匀固定在弹簧上支撑板502的下表面，所述的伸缩罩503、移动板504和若干铜管703与冷却箱5之间围成容纳冷却液501的封闭空间；

所述推杆电机6与移动板504底部相连，所述的移动板504由推杆电机6带动在冷却箱5内上下移动，所述的推杆电机6固定在真空室2的内部，所述弹簧702在移动板504运动行程内，均处于压缩的状态。

所述冷却箱5的截面为T型结构，冷却箱5的水平部分固定在真空室2的顶部，冷却箱5的竖直部分嵌入在真空室2内，增加真空室2的工作空间。伸缩罩503上端固定在冷却箱5的中部的拐角处。冷却箱5两侧凸起的壳体，防止移动板504上移时，液面的上升导致冷却液溢出，冷却箱5下部的壳体一方面起到在增材过程，防止金属蒸气落到冷却单元和伸缩罩表面，另一方面，壳体能够对伸缩罩起导向作用。在冷却箱5的上表面的中部设有容纳水冷板4的凹槽。

在移动板504上的每一通孔处均配合一轴套705，且在轴套705内设有与相应的铜管703配合的密封圈704，对冷却单元7上下移动起导向作用，并防止移动时冷却液泄露。所述弹簧上支撑座701固定于弹簧上支撑板502，且与移动板504中的通孔位置及数量对应且同轴；同一冷却单元7的铜管703与轴套705及相对应的弹簧上支撑座701和弹簧702同轴设置。所述铜管703顶部设有凸台，以固定弹簧702下端。

所述水冷板4材质为紫铜；所述冷却触点706为耐高温导热材料；所述冷却液501为镓铟合金液。所述伸缩罩503为风琴式防护罩。

电子束熔丝增材制造结构包括真空室1、电子枪2、送丝机构3、基板5和工作平台6，工作平台6为六自由度平台，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。所述电子枪2固定在真空室1顶部，送丝机构3位于左侧，局部冷却辅助装置位于右侧；所述工作平台10上置有基板9，所述增材构件8在基板9上成形；

用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置的局部冷却方法，包括以下步骤：

步骤一：进行电子束熔丝增材过程：电子枪1固定不动，随着工作平台10带着基板9移动，电子枪1的电子束在增材构件8表面按照程序设定的路径扫描，同时送丝机构3向电子束形成的熔池内输送丝材；

步骤二：进行增材构件8的局部冷却过程：随着增材高度的不断增加，构件的温度越来越高，当构件温度高于合适的增材温度上限时，需进行快速降温和冷却，此时关闭电子枪1，工作平台10将增材构件8移动到局部冷却辅助装置下方，随后，推杆电机6带动移动板504下移，在压缩的弹簧的作用下，所有冷却单元7的铜管及冷却触点也同步下移，当某处冷却单元7的冷却触点碰到增材构件8后该冷却单元7的冷却触点静止，推杆电机6继续带动移动板504下移，冷却触点静止的冷却单元7的铜管703顶部与轴套705脱离接触，且不随移动板504下移，未碰到增材构件8的冷却单元7继续下移，当移动板504到达下限位时，局部冷却辅助装置将增材构件8的上半部包裹，下移的大部分冷却单元7与增材构件8表面接触，在该位置停留一段时间，快速导走增材构件8的热量。若增材构件8有中空结构，则该位置的冷却单元在其下限位，属于悬空状态，该方法能够显著增大冷却装置与增材构件的接触面积。

步骤三：当增材构件8降到所需温度后，推杆电机6带动移动板504上移，所有冷却单元7均缩到冷却箱5内，防止金属蒸气落到冷却单元表面，工作平台10移动到电子枪1下继续进行步骤一中的增材过程，依次重复步骤一和步骤二，直至实现大尺寸的增材构件8的电子束熔丝增材制备。

所述步骤二的冷却过程中，移动板504向下移动的距离，根据实际的冷却需求而调整，且冷却速度和移动板504下移距离呈正相关，若需要的冷却速度较小，则移动板504仅下移小段距离即可实现。

所述移动板504的行程和冷却单元7的长度及尺寸根据实验所要求的增材构件尺寸而改变，从而调整冷却单元与增材构件的接触面积，以控制冷却速度。

通过冷却单元与构件表面接触导热，当大量冷却单元采用包裹式的柔性接触传热方式，使得散热速率显著提高；该装置灵活性强，适用于结构复杂的构件，同时散热效果不随增材高度的增加而减弱。本发明有效解决了电子束熔丝增材制造中，由于真空环境导致的散热难、散热慢的问题，尤其是对于大尺寸复杂构件；不仅能够防止组织和性能恶化，还显著提高了电子束熔丝增材制造的成形效率。

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)

1.一种用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：包括水冷板(4)、冷却箱(5)、推杆电机(6)和若干冷却单元(7)，所述的冷却箱(5)固定在真空室(2)的顶部，所述的冷却箱(5)半嵌入在真空室(2)内设置，所述的水冷板(4)设置在冷却箱(5)上，且所述的水冷板(4)设置在真空室(2)的外部，在所述的水冷板(4)内部布有蛇形水冷流道；

所述的冷却箱(5)内设有伸缩罩(503)、移动板(504)、弹簧上支撑板(502)，所述的伸缩罩(503)上端固定在冷却箱(5)的中部的内壁上，所述的伸缩罩(503)的下端固定在移动板(504)上，在移动板(504)上均匀开设有若干通孔，相应的，在冷却箱(5)的底部也开设有若干通孔，且每一对应通孔处竖直设置一冷却单元(7)，所述的弹簧上支撑板(502)固设在冷却箱(5)的顶部；

每一所述的冷却单元(7)均包括铜管(703)和冷却触点(706)，所述的冷却触点(706)设置在相应铜管(703)的底部，所述的铜管(703)的顶部与一弹簧(702)的下端连接，弹簧(702)的上端与一弹簧上支撑座(701)连接，若干所述的弹簧上支撑座(701)均匀固定在弹簧上支撑板(502)的下表面，所述的伸缩罩(503)、移动板(504)和若干铜管(703)与冷却箱(5)之间围成容纳冷却液(501)的封闭空间；

所述的移动板(504)由推杆电机(6)带动在冷却箱(5)内上下移动，所述的推杆电机(6)固定在真空室(2)的内部，所述弹簧(702)在移动板(504)运动行程内，均处于压缩状态。

2.根据权利要求1所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：所述冷却箱(5)的截面为T型结构，冷却箱(5)的水平部分固定在真空室(2)的顶部，冷却箱(5)的竖直部分嵌入在真空室(2)内。

3.根据权利要求2所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：所述的伸缩罩(503)上端固定在冷却箱(5)的中部的拐角处。

4.根据权利要求3所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：在冷却箱(5)的上表面的中部设有容纳水冷板(4)的凹槽。

5.根据权利要求1所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：在移动板(504)上的每一通孔处均配合一轴套(705)，且在轴套(705)内设有与相应的铜管(703)配合的密封圈(704)。

6.根据权利要求5所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：同一冷却单元(7)的铜管(703)与轴套(705)及相对应的弹簧上支撑座(701)和弹簧(702)同轴设置。

7.根据权利要求1所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：所述水冷板(4)材质为紫铜；所述冷却触点(706)为耐高温导热材料；所述冷却液(501)为镓铟合金液。

8.根据权利要求1所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置，其特征在于：所述伸缩罩(503)为风琴式防护罩。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置的局部冷却方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：进行电子束熔丝增材过程：电子枪(1)固定不动，随着工作平台(10)带着基板(9)移动，电子枪(1)的电子束在增材构件(8)表面按照程序设定的路径扫描，同时送丝机构(3)向电子束形成的熔池内输送丝材；

步骤二：进行增材构件(8)的局部冷却过程：工作平台(10)将增材构件(8)移动到局部冷却辅助装置下方，随后，推杆电机(6)带动移动板(504)下移，在压缩的弹簧的作用下，所有冷却单元(7)的铜管及冷却触点也同步下移，当某处冷却单元(7)的冷却触点碰到增材构件(8)后该冷却单元(7)的冷却触点静止，推杆电机(6)继续带动移动板(504)下移，冷却触点静止的冷却单元(7)的铜管(703)顶部与轴套(705)脱离接触，且不随移动板(504)下移，未碰到增材构件(8)的冷却单元(7)继续下移，当移动板(504)到达下限位时，局部冷却辅助装置将增材构件(8)的上半部包裹，下移的大部分冷却单元(7)与增材构件(8)表面接触，导走增材构件(8)的热量。

步骤三：当增材构件(8)降到所需温度后，推杆电机(6)带动移动板(504)上移，所有冷却单元(7)均缩到冷却箱(5)内，工作平台(10)移动到电子枪(1)下继续进行步骤一中的增材过程，依次重复步骤一和步骤二，直至实现增材构件(8)的电子束熔丝增材制备。

10.根据权利要求9所述的用于电子束熔丝增材制造的局部冷却辅助装置的局部冷却方法，其特征在于：所述步骤二的冷却过程中，移动板(504)向下移动的距离，根据实际的冷却需求而调整，且冷却速度和移动板(504)下移距离呈正相关。

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