CN111516265A - 一种具有温控功能的增材制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有温控功能的增材制造装置，该装置包括：加工头和工作平台，其中加工头由熔覆头和数个冷却喷枪组成。冷却喷枪相互独立，用以提高已加工区域的降温效果，提高熔池的冷却速率。工作平台从上到下包括降温层、加热层和隔热层，降温层设有热电偶，能实时反馈工作平台加热和降温时的温度。工作平台的降温和加热功能可以影响熔池的凝固过程，一方面和冷却喷头配合，可为非晶材料的凝固提供较高的冷却速率，另一方面也能减少一般金属增材过程中产生的残余应力，从而改善加工件的性能。本发明特别适用于对需要高冷却速率或受残余应力影响较大的材料的增材制造。

Description

一种具有温控功能的增材制造装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种具有温控功能的增材制造装置。
背景技术
增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作成物体的过程，该技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，广泛应用于航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域，呈现出良好的发展势头和潜力。
而对于增材过程中需要极高冷却速率的非晶材料，产生晶化现象难以避免，尤其在具有较大的激光光斑的增材制造过程中，冷却速率会随着层高逐渐降低，产生晶化更加明显，严重限制非晶的加工尺寸。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有温控功能的增材制造装置，减少非晶材料增材过程中的晶化现象。
技术方案：本发明所述的一种具有温控功能的增材制造装置，包括加工头和工作平台；加工头包括熔覆头和冷却喷枪，熔覆头设置有多个关于熔覆头圆周分布的冷却喷枪；冷却喷枪通过单向阀连接有冷却介质的输入管路；冷却喷枪相互独立，可根据需要控制单个喷枪的工作状态，包括开闭状态和喷射流量，以提高对已加工区域的降温效果，同时又避免增加对熔池的扰动。
进一步的，工作平台包括降温层，降温层两端之间设置有多个间隔均匀的分管路，分管路两端对应通过分流阀连接冷却介质的主管路，冷却介质由分管路一端的主管路经分流阀流入分管路以对降温层降温，再通过分管路另一端的分流阀集中流入该端的主管路中。
进一步的，降温层靠近冷却介质进出口分管路的位置对应设有热电偶，热电偶用于检测分管路两端的温度差。
进一步的，还包括加热层，加热层设置于工作台的降温层下方；加热层内嵌绝缘电阻丝，用于实现工作平台的加热功能，通过热电偶的温度反馈，实现工作平台的温度控制。
进一步的，还包括隔热层，隔热层设置于工作台的加热层下方；隔热层降低加热层将热量传递给和工作台配合的平台，造成平台因过热产生危害。
有益效果：本发明与现有技术相比：本发明的优点在于：
(1)熔覆头四周均布冷却喷枪，可极大地提高已加工区域的冷却速率，实现非晶材料的增材制造，降低晶化的可能性，再结合工作平台的冷却功能，通过输送冷却介质，进一步的突破现有的非晶尺寸限制；
(2)工作平台冷却介质经过分流阀均匀流经分管路，通过降温层中的热电偶温差信息反馈，继而调节流速，实现工作平台均匀性降温；
(3)工作平台设有加热层，可进行增材过程中的加热处理，减少残余应力，减少裂纹的蔓延，提高成型质量。
附图说明
图1是本发明装置的主视图；
图2是冷却喷枪分布的俯视图；
图3是降温层内部冷却介质分流图；
图4是分流阀剖视图；
图5是加热层内部绝缘电阻丝布局图。
具体实施方式
实施例1：
一种具有温控功能的增材制造装置，如图1所示，包括：加工头100和工作平台200。加工头100由熔覆头1和冷却喷枪4组成。多个冷却喷枪4圆周均布在熔覆头1四周(图2)，通过单向阀3连接冷却介质输入管路2，最终连接到装有冷却介质14的耐高压罐17内。为控制冷却介质14的流速，在冷却介质输入管路2中间装有速度调节电磁阀13，依次与可编程控制器11、计算机12相连。可编程控制器11能收集熔覆头1的运动信息，并根据需要设定冷却喷枪4在熔覆头1不同运动状态下的开闭以及流速，例如在熔覆头1的运动方向为+X，可实现在+X方向(和-X方向)关闭(和增强)冷却喷枪4的流量。耐高压罐17通过气管18和空压机19相连，用于控制其内部的压力，并装有压力表16和安全阀15，可观测压力和防止压力过载。
工作平台200包括降温层201、加热层202以及隔热层203。降温层201两端之间设置有多个间隔均匀的分管路10，分管路10两端通过管路接头6连接冷却介质主管路5，冷却介质由主管路5经分流阀7流入降温层201内的分管路10内部，继而经分管路10另一端的分流阀7流出，如图3所示。
分流阀结构如图4所示，分流阀可避免冷却介质分流过于集中，以提高降温的平稳性。降温层201靠近冷却介质进出口分管路10的位置对应设有热电偶8，热电偶8用于检测并显示分管路10两端的温度差。此外，在加工过程中，观察热电偶8显示分管路10两端的温度，通过调节冷却介质的流速减少分管路10两端的温差，进而使降温层200的降温效果在冷却介质流动方向更加均匀。
具有温控功能的增材制造装置中，降温层201下面连接加热层202，加热层202内嵌绝缘电阻丝9(图5)，用于实现工作平台200的加热功能，通过热电偶8的温度差反馈，实现工作平台200的温度控制。加热层202下端连接隔热层203，整个工作平台200可安装到运动平台或其他基座上，避免因过热产生危害。
实施例2：
使用该装置打印一块铁基块体非晶合金(BMG，最大厚度大于10mm)，长宽高设定为15*10*5mm。完成必要的准备工作，包括工件的安装、加工头的定位以及气氛的置换等。选择液氮作为冷却介质分别连通冷却喷头4和降温层201，可通过热电偶8反馈的温度信息调整流量，改变降温层201的温度，设置为0℃，使工作平台200降温均匀，进而在激光增材累积的过程中保证打印层在较低的温度范围。同时，在计算机12中进行设置，控制在熔覆头1前进方向的冷却喷头4关闭，反方向的增大，两侧的减小，实现在不扰动熔池的凝固的前提下迅速降低熔池的温度，使其在103K/s以上的冷却速率下完成凝固，减少晶化的可能性。其基本原则是统一分配冷却喷头4在熔覆头1周围开闭大小，增强冷却速率，同时保护熔池。
实施例3：
使用该装置打印一块高熵合金(长宽高：15*15*10mm)。为减少残余应力带来的危害，通过绝缘电阻丝9对工作平台200进行加热，设置热电偶8反馈的温度为400℃，在增材开始前预热30分钟。加工完成后停止绝缘电阻丝9的加热，自然冷却后取出加工件。在此之前，需要抽空冷却层201和冷却喷枪4中的冷却介质。

Claims (5)

1.一种具有温控功能的增材制造装置，包括加工头和工作平台；其特征在于加工头包括熔覆头和冷却喷枪，熔覆头设置有多个关于熔覆头圆周分布的冷却喷枪；冷却喷枪通过单向阀连接有冷却介质的输入管路；冷却喷枪相互独立，可根据需要控制单个喷枪的工作状态，包括开闭状态和喷射流量，以提高对已加工区域的降温效果，同时又避免增加对熔池的扰动。
2.根据权利要求1所述的一种具有温控功能的增材制造装置，其特征在于工作平台包括降温层，降温层两端之间设置有多个间隔均匀的分管路，分管路两端对应通过分流阀连接冷却介质的主管路，冷却介质由分管路一端的主管路经分流阀流入分管路以对降温层降温，再通过分管路另一端的分流阀集中流入该端的主管路中。
3.根据权利要求2所述的一种具有温控功能的增材制造装置，其特征在于降温层靠近冷却介质进出口分管路的位置对应设有热电偶，热电偶用于检测分管路两端的温度差。
4.根据权利要求2所述的一种具有温控功能的增材制造装置，其特征在于还包括加热层，加热层设置于工作台的降温层下方；加热层内嵌绝缘电阻丝，用于实现工作平台的加热功能，通过热电偶的温度反馈，实现工作平台的温度控制。
5.根据权利要求2所述的一种具有温控功能的增材制造装置，其特征在于还包括隔热层，隔热层设置于工作台的加热层下方；隔热层降低加热层将热量传递给和工作台配合的平台，造成平台因过热产生危害。
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