CN112548581A - 一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增减材制造装备的基板‑成型件预热装置及方法，本发明装置使用远红外加热技术，通过板状远红外加热器和环形远红外加热器对基板及成型件进行非接触式预热，板状远红外加热器用于全局预热，环形远红外加热器用于局部预热，全局预热可对成型件局部预热进行辅助加热，两者协同运行，降低局部预热时间，提高增材效率。本发明相比于感应加热、炉热等工艺，远红外加热技术安全、高效，成本低，本发明可以达到缩短大中型结构件制造周期、降低人力成本、提高经济效益的目的。
Description
技术领域
本发明属于大中型金属结构件激光/电弧熔丝增材制造(3D打印)领域，具体涉及一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置及方法。
背景技术
在传统机械制造中，结构件一般通过减材/等材制造加工成型，但对于薄壁件及较为复杂结构件而言，传统加工方式较为繁琐且加工成本较高，尤其在航空航天等领域中，依靠减材/等材制造加工大中型结构件具有周期长、成本高、成品率低等缺点。随着增材制造技术的飞速发展，航空航天等领域大中型结构件的制造难题得以解决。
在大中型金属结构件增材制造的过程中，由于金属融化沉积的热输入大，熔池温度较高，基板温度、焊道温度、环境温度较低，前者与后三者之间存在较大的温度差，熔池受后三者影响快速冷却，后续增材制造以同样方式速热速冷循环，在此种极速加热后快速冷却凝固的超常规热力学过程中，成型件承受周期性热循环作用，热影响区存在的焊后残余应力将导致结构件精度差，同时热输入大引起的粗大柱状晶组织会显著降低结构件力学性能。
焊后残余应力及粗大柱状晶组织可以通过对基板全局预热及焊道局部预热的方式进行改善。目前一般使用多通道加热棒+热电偶控制的方式对基板进行预热，但此方式需对基板进行打孔接触加热，且对成型件局部预热较困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置及方法，有效的降低焊后残余应力，提高结构件尺寸精度及组织力学性能。
为了达到上述目的，一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，包括增材机器人、减材机器人、板状远红外加热器和环形远红外加热器，增材机器人、减材机器人、板状远红外加热器和环形远红外加热器均朝向基板上的成型件。
增材机器人通过金属打印头在基板上进行增材制造，环形远红外加热器固定在金属打印头外侧。
板状远红外加热器固定在调节支架上。
增材机器人连接送丝机，送丝机通过送丝导管连接金属打印头。
减材机器人端部设置有铣削刀头。
基板固定在工作台。
增材机器人、减材机器人、板状远红外加热器和环形远红外加热器均通过控制柜控制。
一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置的工作方法，包括以下步骤：
将成形件固定在基板上；
板状远红外加热器对基板进行全局预热，环形远红外加热器对成型件焊道局部预热，全局预热对成型件局部预热进行辅助加热，两者协同运行
通过增材机器人的金属打印头在基板上进行增材制造；
通过减材机器人对成型件进行减材制造得到最终结构件。
实时测量基板温度，当温度达到目标值后调节板状远红外加热器和环形远红外加热器的功率输出对基板进行保温，确保后续增材制造过程中基板预热温度恒定。
与现有技术相比，本发明装置使用远红外加热技术，通过板状远红外加热器和环形远红外加热器对基板及成型件进行非接触式预热，板状远红外加热器用于全局预热，环形远红外加热器用于局部预热，全局预热可对成型件局部预热进行辅助加热，两者协同运行，降低局部预热时间，提高增材效率。本发明相比于感应加热、炉热等工艺，远红外加热技术安全、高效，成本低，本发明可以达到缩短大中型结构件制造周期、降低人力成本、提高经济效益的目的。
进一步的，本发明的环形远红外加热器可安装与于各工艺类型的金属打印头中，对成型件局部实时加热。
本发明的方法通过使用远红外加热技术，利用板状远红外加热器对基板全局预热至目标温度，通过金属打印头上安装的环形远红外加热器对成型件实时焊接位置进行焊道局部预热。基板全局预热及焊道局部预热主要用于降低焊后热影响区冷却速率、延长相变时间，达到降低残余应力、调节焊接区及热影响区组织性能的目的，从而提高结构件的力学性能与尺寸精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1.减材机器人、2.控制柜、3.增材机器人、4.送丝机、5.送丝导管、6.金属打印头、7.环形远红外加热器、8.成型件、9.基板、10.板状远红外加热器、11.工作台、12.支架、13.铣削刀头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，包括增材机器人3、减材机器人1、板状远红外加热器10和环形远红外加热器7，增材机器人3、减材机器人1、板状远红外加热器10和环形远红外加热器7均朝向基板9上的成型件8。增材机器人3通过金属打印头6在基板上9进行增材制造，环形远红外加热器7固定在金属打印头6外侧。板状远红外加热器10固定在调节支架12上。增材机器人3连接送丝机4，送丝机4通过送丝导管5连接金属打印头6。减材机器人1端部设置有铣削刀头13。基板9固定在工作台11。增材机器人3、减材机器人1、板状远红外加热器10和环形远红外加热器7均通过控制柜2控制。
一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置的工作方法，包括以下步骤：
将成形件8固定在基板9上；
板状远红外加热器10与环形远红外加热器7对基板9进行全局预热，对成型件8焊道局部预热；实时测量基板9温度，当温度达到目标值后调节板状远红外加热器10和环形远红外加热器7的功率输出对基板9进行保温，确保后续增材制造过程中基板预热温度恒定；
通过增材机器人3的金属打印头6在基板上9进行增材制造；
通过减材机器人1对成型件8进行减材制造得到最终结构件。
基板9预热保温后继续对成型件8整体进行预热，同时环形远红外加热器7对基板9以及成型件8焊道进行局部预热，全局预热为成型件8快速加热提供升温基础，提高增材制造效率。
本发明通过使用基板-成型件预热装置与红外测温仪配合，控制预热温度，建立工艺参数库，提高结构件尺寸精度及组织力学性能。通过增材机器人、基板-成型件预热装置(环形远红外加热器与板状远红外加热器协同加热)对大中型结构件进行快速增材制造，使用减材机器人减材制造与之配合制造出最终成型的性能好、精度高的大中型结构件。
本发明创新设计出可搭载于金属打印头上的环形远红外加热器，提出了一种用于大中型金属结构件激光/电弧熔丝增减材制造装备的基板-成型件预热装置，预热装置对基板以及成型件进行非接触预热，通过调节远红外加热器的功率对基板初始温度、焊道局部温度进行调节并建立相应工艺参数，有效的降低焊后残余应力，提高结构件尺寸精度及组织力学性能，其较高加热效率以及非接触无损预热方式确保增减材设备制造出力学性能好、精度高的大中型结构件。
Claims (9)
1.一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，包括增材机器人(3)、减材机器人(1)、板状远红外加热器(10)和环形远红外加热器(7)，增材机器人(3)、减材机器人(1)、板状远红外加热器(10)和环形远红外加热器(7)均朝向基板(9)上的成型件(8)。
2.根据权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，增材机器人(3)通过金属打印头(6)在基板上(9)进行增材制造，环形远红外加热器(7)固定在金属打印头(6)外侧。
3.根据权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，板状远红外加热器(10)固定在调节支架(12)上。
4.根据权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，增材机器人(3)连接送丝机(4)，送丝机(4)通过送丝导管(5)连接金属打印头(6)。
5.根据权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，减材机器人(1)端部设置有铣削刀头(13)。
6.根据权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，基板(9)固定在工作台(11)。
7.根据权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置，其特征在于，增材机器人(3)、减材机器人(1)、板状远红外加热器(10)和环形远红外加热器(7)均通过控制柜(2)控制。
8.权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将成形件(8)固定在基板(9)上；
板状远红外加热器(10)对基板(9)进行全局预热，环形远红外加热器(7)对成型件(8)焊道局部预热，全局预热对成型件局部预热进行辅助加热，两者协同运行；
通过增材机器人(3)使用金属打印头(6)在基板上(9)进行增材制造；
通过减材机器人(1)对成型件(8)进行减材制造得到最终结构件。
9.权利要求1所述的一种增减材制造装备的基板-成型件预热装置的工作方法，其特征在于，实时测量基板(9)温度，当温度达到目标值后调节板状远红外加热器(10)和环形远红外加热器(7)的功率输出对基板(9)进行保温，确保后续增材制造过程中基板预热温度恒定。
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