CN112828314B - 一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法，包括点阵增材平台、积木式水冷增材模块、基板等；所述点阵增材平台被划分为若干个点阵增材区域，可安装对应的积木式水冷增材模块，且内部设有冷却水道与点阵增材平台内的水道连通，且根据采集的温度、压力数据实时调控冷却水流量。采用本发明的装置及方法可以节约基板材料，可以对点阵增材区域独立水冷，且能够有效隔断温度、应力传递至相邻增材区域，避免了增材过程热力累积导致基板变形过大且难以控制等问题。
Description
技术领域
本发明属于增材制造专用平台领域，特别涉及一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法。
背景技术
金属增材制造技术是用激光束、电子束、电弧等作为热源，通过熔化粉材或丝材逐层堆焊制造零件。根据所采用的能源和成形材料的不同，金属增材制造主要包括激光选区熔化、电子束选区熔化、电子束熔丝沉积成形，电弧增材等。
在增材制造的过程中，都是采用一整块基板，用工装夹具固定增材，但其有着构件散热条件差，热积累复杂严重，导致构件应力较大，使基板易变形让增材路径点位有误差，成形难以控制等问题，具体包括：1、大型构件与基板直接接触的面积有限，使用一块完整的大型基板，增加物料成本，特别是在大型构件和如钛合金等金属的增材中；2、传统的基板为整块基板，受增材热累积作用，基板内部应力增加、变形严重，导致增材枪喷头至沉积层各处高度差异较大，易出现气孔、空穴、成形不良等缺陷或装置碰撞等问题，严重影响增材质量；3、基板安装时需进行打孔固定，打孔位置不可与构件增材路径冲突避免影响增材，拆卸时，受到基板变形影响，基板容易被固定锁死，拆卸困难且麻烦；4、增材支撑面被固定为基板平面，在增材复杂构件时，平面基板无法为复杂构件上部凸出结构提供支撑，导致无法增材或易产生缺陷。
目前关于增材平台装置的研究报道较少，发明专利CN202010784520.1公开了一种自循环式水冷焊接平台，采用锡焊将表面与带有内置水冷散热管的平台基体连接，属于焊接专用水冷平台，其水冷效果和抗变形能力一般，若用作增材平台，易使表面与基体出现开裂问题。为此，本发明提出了一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法，可以节约基板材料，可以对点阵增材区域独立水冷，且能够有效隔断温度、应力传递至相邻增材区域，避免了增材过程热力累积导致基板变形过大且难以控制等问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法，具体技术方案包括：
一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法，包括点阵增材平台、积木式水冷增材模块、基板等；所述点阵增材平台被划分为若干个点阵增材区域，在点阵增材区域中心位置设有连接榫槽，其内侧壁设有活动插销，由外置电机驱动丝杆及丝杆螺母实现活动插销弹出与收回；所述点阵增材平台上处于同一行的点阵增材区域内设置一条贯穿整个增材平台的第一水道，并外接流量电磁阀和循环水泵；在每个点阵增材区域内设置两条竖向的第二水道，其下端与第一水道相连通。所述积木式水冷增材模块包括散热内芯、高强连接套、连接榫和卡扣；所述的高强连接套内部嵌有散热内芯且构成交织结构，且底部设有连接榫，可与活动插销配合完成积木式水冷增材模块的安装固定和拆卸。所述积木式水冷增材模块内部设有冷却水道，底部设置进出水接口，分别对应连结点阵增材区域内的两个第二水道。所述的卡扣可将基板与积木式水冷增材模块固定连接。
交织结构是指相互嵌套、贴合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述点阵增材平台上的点阵增材区域数量为N(行)×M(列)，N为5～2000，M为5～2000。
作为上述技术方案的进一步改进，所述积木式水冷增材模块的散热内芯一般采用铜、铝、铜合金或铝合金等散热系数较高的材料；所述积木式水冷增材模块的高强连接套一般采用高强钢等高强材料。所述高强连接套与散热内芯设计成交织结构，散热内芯嵌入高强连接套内，既实现快速散热，也保证了积木式水冷模块与基板的刚性固定。
作为上述技术方案的进一步改进，所述水冷增材模块内部的冷却水道呈蛇形，所述积木式水冷增材模块的高度大于等于200mm时，所述冷却水道设于竖向平面内；所述积木式水冷增材模块的高度小于200mm时，所述冷却水道设于水平面内。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进水接口和所述出水接口上所述进水接口和所述出水接口上分别连接有进水管和出水管，所述进水管和出水管上设有通水孔；所述第一水道与第二水道连接处设有水路转接块，所述水路转接块包括弹簧和密封块，所述第一水道中设有开口向上的安装盲孔，所述弹簧设于所述安装盲孔中，所述密封块包括相互连接的主体和密封部，所述密封部与所述第二水道动密封，所述主体的中部设有避让通孔，所述主体的底部与所述弹簧连接；积木式水冷增材模块插入时，进水接口和出水接口推动密封块下移，打开第二水道并使进出水接口上通水孔与第一水道相连通，可使冷却水从第一水道进入积木式水冷增材模块后再流入第一水道，完成循环冷却；且所述进水管的外侧壁上和所述出水管的外侧壁上均套设有密封圈，所述密封圈用于与所述第二水道动密封。
作为上述技术方案的进一步改进，所述积木式水冷增材模块的竖向投影为矩形或正六边形等，面积为100～6400cm2，且投影边界与下方的点阵增材区域重合，所述积木式水冷增材模块的高度为50mm，100mm，150mm或200mm等，或根据构件增材所需定制；所述点阵增材区域的边长与所述积木式水冷增材模块的竖向投影的边长相等；所述基板的厚度为5～800mm，所述基板的竖向投影与所述积木式水冷增材模块的竖向投影重合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述卡扣的上端和下端分别设有向内凸出的上卡接部和向内凸起的下卡接部，所述基板和所述积木式水冷增材模块分别与所述上卡接部和所述下卡接部连接；所述上卡接部的顶部设有主卡接斜面，所述基板上设有副卡接斜面，所述主卡接斜面与所述副卡接斜面相互抵接；所述上卡接部的上表面设有温度传感器，所述下卡接部的上表面设有压力传感器；所述的温度传感器、压力传感器及流量电磁阀可与控制器电连接，采集的温度、压力数据可分为高中低三档，其划分区间可在控制器面板上设定；所述的流量电磁阀可设定高中低三级水流量。
本发明提供的增材方法包括以下步骤：
步骤一：确定规格及模块安装，首先，根据增材模型的结构特征，确定积木式水冷增材模块在点阵增材平台上的安装位置、水冷增材模块的规格和基板的材料及规格等；然后，用卡扣固定连接基板和积木式水冷增材模块，并将积木式水冷增材模块插入对应位置的连接榫槽，最后，启动外置电机活动插销插入连接榫卡槽，完成安装；
步骤二：根据冷却需求，在控制器面板上设定温度、压力和水流量参数的档位区间；然后启动循环水泵；
步骤三：开始增材，控制器根据采集的温度、压力数据实时调节水流量，且保持水流量的档位与温度和压力的最高档位一致；
步骤四：增材完成后，待采集温度接近室温时停止温度、压力采集，并关闭循环水泵，启动外置电机缩回活动插销，使积木式水冷增材模块与增材平台分离，然后打开卡扣使积木式水冷增材模块与基板脱离，完成拆卸。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的装置将增材平台点阵化划分，可以根据模型结构特征按需在对应点阵增材区域内安装积木式水冷增材模块和基板。与传统的使用整块板料作为基板相比，本发明提供的装置及方法既可以节约基板材料，又可以有效隔断温度、应力传递至相邻增材区域，避免了增材过程热力累积导致基板变形过大且难以控制等问题；
2、本发明提供的积木式水冷增材模块，其高强连接套与散热内芯设计成交织结构，分别采用高强材料与散热材料，实现了结构软硬交织和散热能力交织，既可以快速散热，也保证了积木式水冷模块与基板的刚性固定。同时，积木式水冷增材模块设有独立的温度、压力传感器，可实时调控冷却水流量，有效控制了基板的变形问题；
3、本发明提供的积木式水冷增材模块，可根据构件模型的结构特征选用不同形状、规格的水冷增材模块，实现了基板、支撑的定制化设计，突破了传统平面基板对增材的结构、路径的限制；
4、本发明利用卡扣连接基板与积木式水冷增材模块、利用活动插销固定积木式水冷增材模块，与传统的使用整块平板作为基板相比，既方便安装与拆卸，又可以避免为增加基板抗变形能力提高基板厚度造成的材料浪费问题。
附图说明
图1是本发明的点阵增材平台上点阵增材区域划分情况的示意图；
图2是本发明的积木式水冷增材模块、基板和卡扣的示意图；
图3是本发明的水道结构剖视图及榫槽连接结构剖视图；
图4是图3的A部放大图；
图5是图3的B部放大图；
图6为本发明的一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置及一种增材方法的实施例示意图。
图中：1-点阵增材平台，11-点阵增材区域，12-榫槽，13-第一水道，14-第二水道，2-积木式水冷增材模块，21-散热内芯，22-冷却水道，23-高强连接套，24-连接榫，25-避让通孔，26-进水接口，27-出水接口，3-基板，4-卡扣，41-上卡接部，42-下卡接部，43-温度传感器，44-压力传感器，6-水路转接块，61-弹簧，62-密封块，71-活动插销，72-丝杆螺母，73-丝杆。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
如图1～图6，是本发明的带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置的实施例，具体地：
一种带有积木式水冷增材模块2的点阵增材装置，包括点阵增材平台1、积木式水冷增材模块2、基板3等；所述点阵增材平台1被划分为若干个点阵增材区域11，在点阵增材区域11中心位置设有连接榫槽12，其内侧壁设有活动插销71，由外置电机驱动丝杆73及丝杆螺母72实现活动插销71弹出与收回；所述点阵增材平台1上处于同一行的点阵增材区域11内设置一条贯穿整个增材平台的第一水道13，并外接流量电磁阀和循环水泵；在每个点阵增材区域11内设置两条竖向的第二水道14，其下端与第一水道13相连通。所述积木式水冷增材模块2结构包括散热内芯21、高强连接套23、连接榫24和卡扣4；所述的高强连接套23内部嵌有散热内芯21且构成交织结构，且底部设有连接榫24，其底部设有连接榫24，可与活动插销71配合完成积木式水冷增材模块2的安装固定和拆卸。所述积木式水冷增材模块2内部设有冷却水道22，底部设置进水接口26和出水接口27，分别对应连结点阵增材区域11内的两个第二水道14。所述的卡扣4可将基板3与积木式水冷增材模块2固定连接。
进一步优选的实施例中，所述点阵增材平台1上的点阵增材区域11数量为N(行)×M(列)，N为5～2000，M为5～2000。
进一步优选的实施例中，所述积木式水冷增材模块2的散热内芯21一般采用铜、铝、铜合金或铝合金等散热系数较高的材料；所述积木式水冷增材模块2的高强连接套23一般采用高强钢等高强材料。所述高强连接套23与散热内芯21设计成交织结构，散热内芯21嵌入高强连接套23内，既实现快速散热，也保证了积木式水冷模块与基板的刚性固定。
一些实施例中，所述水冷增材模块2内部的冷却水道呈蛇形，所述积木式水冷增材模块2的高度大于等于200mm时，所述冷却水道设于竖向平面内；所述积木式水冷增材模块2的高度小于200mm时，所述冷却水道设于水平面内。
一些实施例中，所述的积木式水冷增材模块2的进水接口26和出水接口27上分别连接有进水管和出水管，进水管和出水管上均设有通水孔；所述第一水道13与第二水道14连接处设有水路转接块6，所述水路转接块包括弹簧61和密封块62，所述第一水道中设有开口向上的安装盲孔，所述弹簧61设于所述安装盲孔中，所述密封块62包括相互连接的主体和密封部，所述密封部与所述第二水道14动密封，所述主体的中部设有避让通孔，所述主体的底部与所述弹簧61连接；积木式水冷增材模块2插入时，进水管和出水管推动密封块62下移，打开第二水道14并使通水孔与第一水道13相连通，可使冷却水从第一水道13进入积木式水冷增材模块2后再流入第一水道13，完成循环冷却；且所述进水接口13的外侧壁上和所述出水接口14的外侧壁上均套设有密封圈，所述密封圈用于与所述第二水道14动密封。
一些实施例中，所述积木式水冷增材模块2的竖向投影为矩形或正六边形等，面积为100～6400cm2，且投影边界与下方的点阵增材区域重合，所述积木式水冷增材模块2的高度为50mm，100mm，150mm或200mm等，或根据构件增材所需定制；所述点阵增材区域的边长与所述积木式水冷增材模块2的竖向投影的边长相等；所述基板3的厚度为5～800mm，所述基板3的竖向投影与所述积木式水冷增材模块2的竖向投影重合。
进一步优选的实施例中，所述卡扣4的上端和下端分别设有向内凸出的上卡接部41和向内凸起的下卡接部42，所述基板3和所述积木式水冷增材模块2分别与所述上卡接部41和所述下卡接部42连接；所述上卡接部41的顶部设有主卡接斜面，所述基板3上设有副卡接斜面，所述主卡接斜面与所述副卡接斜面相互抵接；所述上卡接部41的上表面设有温度传感器43，所述下卡接部42的上表面设有压力传感器44；所述的温度传感器43、压力传感器44及流量电磁阀可与控制器电连接，采集的温度、压力数据可分为高中低三档，其划分区间可在控制器面板上设定；所述的流量电磁阀可设定高中低三级水流量。
本发明公开一种增材方法的实施例：
利用本发明提供的一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置，采用CMT电弧增材一个长600mm，宽300mm，高400mm，壁厚50mm的碳钢舱体构件时，具体实施步骤如下：
步骤一：根据增材模型形舱体构件的结构特征，点阵增材平台表面划分为若干个100*100mm的点阵增材区域；选用竖向投影形状为100*100mm的正方形，高度为100mm的积木式水冷增材模块，基板选用与积木式水冷增材模块形状相同，厚度为20mm的Q235钢板，用卡扣固定连接基板和积木式水冷增材模块，将积木式水冷增材模块按舱体增材路径位置插入对应点阵增材区域的连接榫，最后，启动外置电机使活动插销插入连接榫卡槽，完成安装，如图6所示；
步骤二：增材前，首先，根据冷却需求在控制器面板上设定温度高中低三档区间为＜50℃，50℃～150℃和＞150℃；设定压力高中低三档区间为＜150MPa，150MPa～300MPa和＞300MPa；设定水流量高中低三档区间为＜15m3/h，15m3/h～30m3/h和＞30m3/h；然后，启动循环水泵；
步骤三：控制器根据采集的温度、压力数据控制流量电磁阀，实时调节水流量，且保持水流量的档位与温度和压力的最高档位一致；
步骤四：增材完成，拆卸模块及基板。当采集温度接近室温时停止温度、压力采集，并关闭循环水泵。启动外置电机缩回活动插销，分离积木式水冷增材模块与增材平台。然后打开卡扣使积木式水冷增材模块与基板脱离，完成拆卸。
在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置，包括点阵增材平台、积木式水冷增材模块和基板；
所述点阵增材平台被划分为若干个点阵增材区域，在所述点阵增材区域中心位置设有连接榫槽，所述连接榫槽的内侧壁设有活动插销，所述活动插销上传动连接有丝杆螺母和丝杆，由外置电机驱动所述丝杆及所述丝杆螺母实现所述活动插销平移；
所述点阵增材平台上处于同一行的点阵增材区域内设置一条贯穿整个增材平台的第一水道，所述第一水道外接流量电磁阀和循环水泵；在每个点阵增材区域内设置两条竖向的第二水道，所述第二水道下端与第一水道相连通；
所述积木式水冷增材模块包括散热内芯、高强连接套、连接榫和卡扣；所述的高强连接套内部嵌有散热内芯且构成交织结构，所述积木式水冷增材模块的底部设有连接榫，所述连接榫与活动插销可拆卸连接，所述散热内芯和所述高强连接套内部设有冷却水道，所述冷却水道的底部设置进水接口和出水接口，所述进水接口和出水接口分别对应连接同一点阵增材区域内的两个第二水道；所述高强连接套的材料为高强钢；所述进水接口和所述出水接口上分别连接有进水管和出水管，所述进水管和出水管上设有通水孔，所述第一水道与第二水道连接处设有水路转接块，所述水路转接块包括弹簧和密封块，所述第一水道中设有开口向上的安装盲孔，所述弹簧设于所述安装盲孔中，所述密封块包括相互连接的主体和密封部，所述密封部与所述第二水道动密封，所述主体的中部设有避让通孔，所述主体的底部与所述弹簧连接；所述进水管和所述出水管将所述密封块压下后，所述第一水道与所述通水孔连通；所述进水管的外侧壁上和所述出水管的外侧壁上均套设有密封圈，所述密封圈用于与所述第二水道动密封；
所述卡扣和所述基板与积木式水冷增材模块均可拆卸连接；
还包括控制器，所述卡扣的上端和下端分别设有向内凸出的上卡接部和向内凸起的下卡接部，所述基板和所述积木式水冷增材模块分别与所述上卡接部和所述下卡接部连接；所述上卡接部的顶部设有主卡接斜面，所述基板上设有副卡接斜面，所述主卡接斜面与所述副卡接斜面相互抵接；所述上卡接部的上表面设有温度传感器，所述下卡接部的上表面设有压力传感器；所述的温度传感器、压力传感器及流量电磁阀与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置，其特征在于：所述点阵增材平台上的点阵增材区域数量为N行×M列，N为5～2000，M为5～2000。
3.根据权利要求1所述的带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置，其特征在于：所述散热内芯的材料为铜、铝、铜合金或铝合金。
4.根据权利要求1所述的带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置，其特征在于：所述冷却水道呈蛇形，所述积木式水冷增材模块的高度大于等于200mm时，所述冷却水道设于竖向平面内；所述积木式水冷增材模块的高度小于200mm时，所述冷却水道设于水平面内。
5.根据权利要求1所述的带有积木式水冷增材模块的点阵增材装置，其特征在于：所述积木式水冷增材模块的竖向投影为矩形或正六边形，所述积木式水冷增材模块的竖向投影面积为100～6400cm2，所述积木式水冷增材模块的竖向投影边界与所述点阵增材区域重合，所述积木式水冷增材模块的高度为50mm，100mm，150mm或200mm；所述点阵增材区域的边长与所述积木式水冷增材模块的竖向投影的边长相等；所述基板的厚度为5～800mm，所述基板的竖向投影与所述积木式水冷增材模块的竖向投影重合。
6.一种增材方法，其特征在于，基于如权利要求1-5中任一项所述的积木式水冷增材模块的点阵增材装置，包括以下步骤：
步骤一：确定规格及模块安装；首先，根据增材模型的结构特征，确定积木式水冷增材模块在点阵增材平台上的安装位置、水冷增材模块的规格和基板的材料及规格；然后，用卡扣固定连接基板和积木式水冷增材模块，并将积木式水冷增材模块插入对应位置的连接榫槽，最后，启动外置电机活动插销插入连接榫槽，完成安装；
步骤二：根据冷却需求，设定温度、压力和水流量参数的档位区间；然后启动外设的循环水泵；
步骤三：开始增材，控制器根据采集的温度、压力数据实时调节水流量，且保持水流量的档位与温度和压力的最高档位一致；
步骤四：增材完成后，待采集温度接近室温时停止温度、压力采集，并关闭循环水泵；启动外置电机缩回活动插销，使积木式水冷增材模块与增材平台分离，然后打开卡扣使积木式水冷增材模块与基板脱离，完成拆卸。
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