CN113000861A - 一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法，包括3D打印装置，3D打印装置喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置和熔池形貌在线监测装置；熔池形貌在线监测装置输出和中控系统输入连接，中控系统输出通过磁场控制系统和外加磁场发生装置控制输入连接；熔池形貌在线监测装置监测熔池形貌特征，将信息实时传输中控系统；中控系统分析并与理想熔池形貌进行对比，实时调整参数，将调整指令传输至磁场控制系统，磁场控制系统执行指令，改变外加磁场发生装置中电流的大小和方向，外加磁场发生装置施加局部的磁场约束熔池形貌,并提供磁压力促进层间结合，同时还对熔池搅拌；本发明降低了增材制造成本，提高了层间结合强度，改善了成形质量和成形精度。

Description

一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法。
背景技术
金属增材制造技术因其独特的工艺优势，在复杂构件的制造领域获得了越来越多的应用。现有的金属增材制造技术在成形具有复杂悬垂特征的构件时仍存在许多挑战，目前主要有两种增材制造悬垂特征构件成形模式。对于采用固定或单自由度基板的增材制造模式，在重力的作用下熔池下垂甚至脱落，导致层间结合强度降低。因此，支撑结构辅助成形成为加工该类悬垂结构件最普遍的方法之一。然而，由于支撑结构需要定制，增加了生产成本，降低了制造效率，而且去支撑后还无法保证悬垂结构的精度和质量。对于具有多自由度基板的增材制造模式，通过对基板的准确旋转/移动，前序打印层可为熔池提供支撑，从而避免熔池下垂，但由于层间压力只有重力，导致层间润湿性不足，同时缺乏熔池搅拌作用。为了提高打印件的成形精度和成形质量，涌现出了一些采用外加磁场实现无支撑加工悬垂结构件的增材制造方法和设备。
中国专利(公告号为CN 108621420 A)中，公开了一种磁力辅助成形3D打印成形装置及方法，分别将上电磁平台固接于3D打印机顶部，下电磁平台安装于成形平台正下方，使其对打印的悬臂结构施加的竖直向上的磁力平衡竖直向下的重力，最终使熔池在空中稳定悬浮固化成形。中国专利(公告号为CN 109703018 A)中，公开了一种无支撑磁悬浮式全方位3D打印系统及方法，利用布置在打印系统上方或下方的电磁铁阵列给整个打印部件提供向上的磁力，用来平衡悬垂结构的重力，然后采用多个打印头从多个方位向打印基体喷射或沉积打印材料。中国专利(公告号为CN 109759587 A)中，公开了一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，采用平移或转动工件的方法，使悬垂结构件的沉积面始终处于水平，达到稳定熔池的目的。
上述三种方法都能够在无支撑辅助情况下改善悬垂结构件的成形质量和成形精度，但也都存在一定的不足之处。中国专利(公告号为CN 108621420 A)中的电磁平台与熔池之间的距离较大，所以磁场强度衰减较快，降低了控制灵敏度，而且只能形成竖直向上的磁力，导致熔池的润湿性不足，容易产生球化效应和分层现象。中国专利(公告号为CN109703018 A)采用磁悬浮模式将整个打印件悬空，需要提供的磁场强度相对较大，所以仅限于成形质量较轻的打印件,也无法对熔池进行搅拌。中国专利(公告号为CN 109759587A)中不存在磁压力，只有重力提供层间压力，导致层间结合强度不足，同时缺乏熔池的搅拌作用，不利于熔池中的气泡逃逸以及合金元素的均匀分布。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法，不仅能节约成本，提高工件的致密度，还能保证成形质量和成形精度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，包括3D打印装置1，3D打印装置1成形具有悬垂特征的打印件7，形成熔池9，3D打印装置1的喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置3和熔池形貌在线监测装置2，3D打印装置1的喷嘴位于熔池9的上方，与熔池9一起移动；熔池形貌在线监测装置2的输出和中控系统4的输入连接，中控系统4的输出通过磁场控制系统5和外加磁场发生装置3的控制输入连接；熔池形貌在线监测装置2用于在线监测熔池9的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统4；中控系统4用于分析熔池9的形貌特征，并与理想的熔池形貌进行对比，实时调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统5，磁场控制系统5执行来自中控系统4的指令，实时改变外加磁场发生装置3中电流的大小和方向，外加磁场发生装置3用于施加局部的磁场约束熔池9的形貌。
所述的外加磁场发生装置3包括三组相互垂直的磁感应线圈，每组磁感应线圈通过一个电机3-3安装在磁隔离罩3-1上，磁隔离罩3-1的出口处配备集磁器3-2；每组磁感应线圈能够绕着各自的中心轴旋转，通过调节电机3-3的转速控制磁场的旋转速度，从而搅拌熔池9。
所述的磁感应线圈由相间缠绕着的线圈3-4和冷却铜管3-5组成，通过调节线圈3-4中的电流大小和方向能够获得任意强度和方向的磁场，冷却铜管3-5通过循环冷却水对相邻线圈3-4的表面进行降温。
利用一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备的方法，包括以下步骤：
步骤1)：通过计算机CAD软件对具有悬垂结构特征的打印件7建立三维模型，并利用增材制造系统软件对三维模型进行切片分层和路径规划；
步骤2)：3D打印装置1的喷嘴按预设路径成形具有悬垂特征的打印件7，形成熔池9；外加磁场发生装置3在熔池9周围施加预设方向和强度的磁场，熔池9中流动的液态金属在外加磁场下受电磁力作用，电磁力对熔池9的控制表现为：一是平衡熔池9受到的重力，还对熔池9产生了磁压力，对熔池9起约束成形的作用，提高了熔池9的润湿性以及熔池9与上一打印层的结合强度；二是线圈3-4在电机3-3的转动作用下，实现了磁场的自旋，通过调节电机3-3的转速改变熔池9的搅拌速率，提高熔池9的流动性和熔覆性；
步骤3)：熔池形貌在线监测装置2在线监测熔池9的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统4分析；
若形貌特征属于理想熔池范围，则重复步骤2)；若形貌特征偏离理想范围，则调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统5执行，通过改变磁感应线圈中的电流大小和方向，从而达到理想熔池形貌特征范围，然后重复步骤2)；
步骤4)：重复步骤2)-3)直至整个打印件成形完毕。
所述的步骤3)中熔池形貌在线监测装置2采用激光位移传感器、或高速摄像机等监测仪器。
一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备的方法，还能够用于修复具有悬垂特征的零件。
本发明有益效果为：
1.本发明与辅助支撑3D打印方法相比，有效避免了去支撑后打印件变形等问题，在降低生产成本的基础上，也保证了成形质量和成形精度。
2.本发明外加磁场发生装置仅在局部熔池周围施加磁场约束，与磁悬浮式相比，大大降低了所需磁场强度，而且可打印的范围也不再受工件重量影响；局部旋转磁场对熔池存在一定的搅拌作用，有助于熔池底部的气泡及时逸出，提高打印件的致密度，同时也有助于熔池中合金元素的均匀分布以及形核，达到弥散强化和细晶强化的目的。
3.本发明外加磁场发生装置可以对熔池施加任意所需强度和大小的磁场，与单方向磁场相比，熔池中形成的电磁力不仅可以平衡重力，还对熔池有磁压力，提高了熔池的润湿性和层间结合强度。
4.本发明外加磁场发生装置仅通过改变磁感应线圈中的电流大小和方向便可改变熔池周围的磁场强度，方便快捷，控制灵敏。
5.本发明外加磁场发生装置配备磁隔离罩和集磁器，不仅降低了磁场对丝材或粉材的影响，同时还降低磁场的衰减程度，保证在熔池周围形成足够的磁场强度。
附图说明
图1为本发明实施例设备的示意图。
图2为本发明中的外加磁场发生装置和在线监测熔池形貌装置的安装示意图。
图3为本发明中的外加磁场发生装置的内部结构示意图。
图4为本发明中的熔池受力图。
图5为现有竖直向上的磁力约束下的熔池受力图。
图6为本发明中的熔池搅拌作用示意图。
图7为现有磁悬浮状态下的熔池示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，包括3D打印装置1、外加磁场发生装置3、熔池形貌在线监测装置2、中控系统4和磁场控制系统5；3D打印装置1成形具有悬垂特征的打印件7，形成熔池9，具有悬垂特征的打印件7位于工作台8上的打印基板6上表面；3D打印装置1的喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置3和熔池形貌在线监测装置2，3D打印装置1的喷嘴位于熔池9的上方，与熔池9一起移动；熔池形貌在线监测装置2和中控系统4的输入连接，中控系统4的输出通过磁场控制系统5和外加磁场发生装置3的控制输入连接；熔池形貌在线监测装置2用于在线监测熔池9的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统4；中控系统4用于分析熔池9的形貌特征，并与理想的熔池形貌进行对比，实时调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统5，磁场控制系统5执行来自中控系统4的指令，实时改变外加磁场发生装置3中电流的大小和方向，外加磁场发生装置3用于施加局部的磁场约束熔池9的形貌；增材制造设备组成了一个闭环控制系统，控制精度高，对外部干扰不敏感。
参照图3，所述的外加磁场发生装置3包括三组相互垂直的磁感应线圈，每组磁感应线圈通过一个电机3-3安装在磁隔离罩3-1上，保证外加磁场仅施加在局部熔池9处；磁隔离罩3-1的出口处配备集磁器3-2，从而降低磁场衰减；每组磁感应线圈能够绕着各自的中心轴旋转，通过调节电机3-3的转速控制磁场的旋转速度，从而达到搅拌熔池9的目的。
参照图3，所述的磁感应线圈由相间缠绕着的线圈3-4和冷却铜管3-5组成，通过调节线圈3-4中的电流大小和方向能够获得任意强度和方向的磁场，冷却铜管3-5通过循环冷却水对相邻线圈3-4的表面进行降温。
利用一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备的方法，包括以下步骤：
步骤1)：通过计算机CAD软件对具有悬垂结构特征的打印件7建立三维模型，并利用增材制造系统软件对三维模型进行切片分层和路径规划；
步骤2)：先采用夹具将打印基板6固定在工作台8上，并去除打印基板6成形区域的氧化膜，清除表面的水分和油污；然后开启保护气，让3D打印装置1的喷嘴按预设路径成形具有悬垂结构特征的打印件7，形成熔池9；外加磁场发生装置3在熔池9周围施加预设方向和强度的磁场，熔池9中流动的液态金属在外加磁场下受电磁力作用，电磁力对熔池9的控制表现为两个方面：一是不仅可以平衡熔池受到的重力，还对熔池9产生了磁压力，对熔池9起约束成形的作用，同时提高了熔池9的润湿性以及熔池9与上一打印层的结合强度；二是线圈3-4在电机3-3的转动作用下，实现了磁场的自旋，通过调节电机3-3的转速改变熔池9的搅拌速率，旋转磁场产生的搅拌力提高了熔池9的流动性，有助于排出熔池9内的气泡，提高了形核率；
步骤3)：熔池形貌在线监测装置2在线监测熔池9的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统4分析；若形貌特征属于理想熔池范围，则重复步骤2)；若形貌特征偏离理想范围，则调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统5执行，通过改变磁感应线圈中的电流大小和方向，从而达到理想熔池形貌特征范围，然后重复步骤2)；
步骤4)：重复步骤2)-3)直至整个打印件成形完毕。
参照图4和图5，本实施例熔池9受力图如图4所示，形成的磁场对熔池9施加了磁压力FC，磁压力FC大大增加了熔池9与上一打印层间的层间压力N，提高了层间结合强度；现有磁力辅助技术下的熔池受力图如图5所示，只能形成竖直向上的磁力FU，导致熔池9与上一打印层的层间压力N下降，润湿性不足，容易产生球化效应和分层现象；现有旋转工件模式的层间压力N等于熔池的重力G，低于本实施例中采用局部磁场提供的磁压力FC。
参照图6和图7，本实施例形成的旋转磁场对熔池有一定的搅拌作用，不仅有助于排出熔池内的气泡，还提高了形核率，如图6所示；现有磁悬浮模式和旋转工件模式缺乏熔池的搅拌作用，不利于熔池中的气泡逃逸以及合金元素的均匀分布，导致打印件的致密度不足和成分偏析，如图7所示。
所述的步骤3)中熔池形貌在线监测装置2采用激光位移传感器或高速摄像机等监测仪器。

Claims (6)

1.一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，包括3D打印装置(1)，其特征在于：3D打印装置(1)成形具有悬垂特征的打印件(7)，形成熔池(9)，3D打印装置(1)的喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置(3)和熔池形貌在线监测装置(2)，3D打印装置(1)的喷嘴位于熔池(9)的上方，与熔池(9)一起移动；熔池形貌在线监测装置(2)的输出和中控系统(4)的输入连接，中控系统(4)的输出通过磁场控制系统(5)和外加磁场发生装置(3)的控制输入连接；熔池形貌在线监测装置(2)用于在线监测熔池(9)的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统(4)；中控系统(4)用于分析熔池(9)的形貌特征，并与理想的熔池形貌进行对比，实时调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统(5)，磁场控制系统(5)执行来自中控系统(4)的指令，实时改变外加磁场发生装置(3)中电流的大小和方向，外加磁场发生装置(3)用于施加局部的磁场约束熔池(9)的形貌。
2.根据权利要求1所述的一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，其特征在于：所述的外加磁场发生装置(3)包括三组相互垂直的磁感应线圈，每组磁感应线圈通过一个电机(3-3)安装在磁隔离罩(3-1)上，磁隔离罩(3-1)的出口处配备集磁器(3-2)；每组磁感应线圈能够绕着各自的中心轴旋转，通过调节电机(3-3)的转速控制磁场的旋转速度，从而搅拌熔池(9)。
3.根据权利要求2所述的一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，其特征在于：所述的磁感应线圈由相间缠绕着的线圈(3-4)和冷却铜管(3-5)组成，通过调节线圈(3-4)中的电流大小和方向能够获得任意强度和方向的磁场，冷却铜管(3-5)通过循环冷却水对相邻线圈(3-4)的表面进行降温。
4.利用权利要求3所述的一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：通过计算机CAD软件对具有悬垂结构特征的打印件(7)建立三维模型，并利用增材制造系统软件对三维模型进行切片分层和路径规划；
步骤2)：3D打印装置(1)的喷嘴按预设路径成形具有悬垂特征的打印件(7)，形成熔池(9)；外加磁场发生装置(3)在熔池(9)周围施加预设方向和强度的磁场，熔池(9)中流动的液态金属在外加磁场下受电磁力作用，电磁力对熔池(9)的控制表现为：一是平衡熔池(9)受到的重力，还对熔池(9)产生了磁压力，对熔池(9)起约束成形的作用，提高了熔池(9)的润湿性以及熔池(9)与上一打印层的结合强度；二是线圈(3-4)在电机(3-3)的转动作用下，实现了磁场的自旋，通过调节电机(3-3)的转速改变熔池(9)的搅拌速率，提高了熔池(9)的流动性；
步骤3)：熔池形貌在线监测装置(2)在线监测熔池(9)的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统(4)分析；
若形貌特征属于理想熔池范围，则重复步骤2)；若形貌特征偏离理想范围，则调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统(5)执行，通过改变磁感应线圈中的电流大小和方向，从而达到理想熔池形貌特征范围，然后重复步骤2)；
步骤4)：重复步骤2)-3)直至整个打印件成形完毕。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的步骤3)中熔池形貌在线监测装置(2)采用激光位移传感器或高速摄像机。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：还能够用于修复具有悬垂特征的零件。
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