CN113059192B - 一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置及增材方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置及增材方法，包括滑块式水冷增材模块、增材平台和基板；所述增材平台的表面设有两条以上的滑槽，所述滑槽的两端分别设有进水接口和出水接口，所述滑槽上设有安装槽，所述滑块式水冷增材模块从所述安装槽处与所述滑槽连接或脱离连接，所述滑块式水冷增材模块与所述滑槽滑动连接；所述基板与所述滑块式水冷增材模块的顶部可拆卸连接；所述滑块式水冷增材模块的底部设有散热鳍片，所述滑块式水冷增材模块与所述滑槽连接后，所述散热鳍片设于所述滑槽中。本发明的好处在于可按需组装滑块式水冷增材模块，自由组合基板，解决了完整基板使用率低造成的浪费。

Description

一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置及增材 方法

技术领域

本发明属于增材制造专用平台领域，特别涉及一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置及增材方法。

背景技术

金属增材制造技术3D打印技术的一个分支，是用粉状或丝状金属为原料，以高能束流如激光、电子束、等离子束等为热源，配合计算机模型，运用离散-堆积原理将材料熔化逐层堆积，来制造金属构件的技术。在增材制造的过程中，构件散热条件差，热积累复杂严重，导致构件应力及变形情况复杂，成形难以控制。

现有技术存在的问题包括：1、一般的金属增材是采用整块金属基板增材，而在增材基板上实际增材面积有限，尤其对于大型构件的增材、以及成本高的金属材料的增材中，会增加物料成本；2、受增材热累积作用，增材基板内部应力增加、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、传统的增材支撑面为基板平面，在增材复杂构件时，构件上部可能存在突出结构，基板平面无法为其提供支撑，传统的解决办法是采用加装支撑板，但此固定方式难以保证后续的增材的可靠性；4、在大型构件增材时，可能需要采取先分区增材、拼装后继续向上增材的方式，而传统整块基板被固定在指定位置，无法移动，难以实现分区增材的目的。

例如，专利CN207223265U公开了一种焊接水冷工作台，其在连接平台内布置冷却水道，其实质仅是对平台进行整体水冷并不能实现增材基板按需设计和实时调控冷却水流量；专利CN211866596U公开了一种用于金属增材工作台的冷却机构，其在工作台背部喷淋来达到冷却的目的，其实质也是对工作台进行整体冷却，若依旧采用整块板材作为基板，仍会由于增材热力累积导致基板严重变形等问题。因此，有必要设计一种增材专用的平台装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置及一种增材方法，其具体技术方案如下：

一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，包括增材平台、滑块式水冷增材模块和基板；所述增材平台的表面被划分为若干个平行且相邻的带状工作区域，每个工作区域设有一条滑槽，可安装多个滑块式水冷增材模块；所述滑槽的两端分别设有进水接口和出水接口，分别连接循环水冷机进出水口；所述滑槽的一端设有安装槽，所述滑块式水冷增材模块从所述安装槽处与所述滑槽连接或脱离连接，所述滑块式水冷增材模块与所述滑槽为滑动连接，且在增材过程中，滑块式水冷增材模块可固定或移动，即可分区独立增材后，再拼接整体增材；所述滑块式水冷增材模块包括高强连接套、散热内芯和卡扣，所述高强连接套底部有可与滑槽配合的T形滑块，其插入滑槽的部分沿滑动方向开有若干个通水孔，所述的通水孔中设有若干个上端指向散热内芯中心的散热鳍片，所述散热鳍片与散热内芯一体，可快速带走增材余热。所述基板通过所述卡扣与所述滑块式水冷增材模块连接。

本发明中，若干是指两个以上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑槽的长度为100～20000mm，相邻所述滑槽的间距为50～2000mm；所述滑槽的底部倾斜设置，且底面与水平面的夹角为2.5～30度，滑槽的底部靠近所述进水接口的一端高于滑槽的底部靠近所述出水接口的一端，所述进水接口位置比所述出水接口的位置高5～200mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑块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，所述滑块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，所诉散热内芯嵌入高强连接套内，保证了滑块式水冷增材模块的刚性的同时又保留较好的散热能力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑块式水冷增材模块的竖向投影一般矩形或正六边形等，面积为10000～640000mm²，高度为50mm，100mm，150mm或200mm等；所述的基板厚度范围为5-800mm，所述基板的竖向投影与所述滑块式水冷增材模块的竖向投影以及带状工作区域长度边界重合。

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起的上卡接部和向内凸起的下卡接部，所述基板和所述高强连接套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；所述出水接口处设有排水流量阀，通过调节出水接口的高度，控制水流量；所述的温度传感器、压力传感器及排水流量阀与控制器电连接，采集的温度、压力数据可分为高中低三档，所述的流量可设定高中低三级水流量，其划分区间可在控制器面板上设定；

本发明的一种增材方法，基于上述带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，所述进水接口上外接有冷却水泵，包括以下步骤：

步骤一：根据增材模型的结构特征，确定滑块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对应的滑块式水冷增材模块，并将滑块式水冷增材模块通过安装槽滑动至相应的位置；

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挡位区间，然后启动冷却水泵；

步骤三：开始增材，控制器根据温度传感器采集的温度和压力传感器采集的压力数据实时调节排水流量阀流量，且保持水流量的挡位与温度和压力的最高挡位一致；

步骤四：增材完成后，待温度传感器采集的温度数据接近室温，关闭冷却水泵，拆卸滑块式水冷增材模块与基板。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的装置将增材平台划分为若干个滑槽，可以根据模型结构特征按需在对应滑槽内安装滑块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，节约基板材料同时，既可以在增材过程中实时滑动调节滑块式水冷增材模块的位置，先分区独立增材后，再拼装整体增材；还可以有效隔断温度、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、本发明提供的滑块式水冷增材模块，与传统增材方式相比，在滑块式水冷增材模块设有独立的温度、压力传感器，可根据监测数据控制排水流量阀的出水接口的高度，实时调控冷却水流量，有效控制了基板的变形问题；

3、本发明提供的滑块式水冷增材模块，将散热内芯嵌入高强连接套，高强连接套与散热内芯分别采用高强材料与散热材料，并在T形滑块的散热内芯中设有散热鳍片，这种交织结构既可以快速散热，也保证了滑块式水冷模块与基板的刚性固定；

4、本发明提供的滑块式水冷增材模块，可根选用不同形状、规格的水冷增材模块应对不同的构件模型；定制的基板及滑块式水冷增材模块，使增材的路径不在局限于传统基板平面的表面；

5、本发明使用卡扣在侧面将基板与滑块式水冷增材模块固定连接，在滑槽中固定滑块式水冷增材模块，与使用传统的完整基板相比，方便拆装的同时，还无需为抗变形过度增加基板厚度，减少了材料的浪费。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明的增材平台的俯视图；

图3是本发明的增材平台的剖视图；

图4是图3的A部放大图；

图5是本发明的排水流量阀的局部放大图；

图6是本发明的滑块式水冷增材模块的剖视图；

图7是本发明的滑块式水冷增材模块和基板的示意图

图中：1-增材平台，11-滑槽，2-安装槽，3-进水接口，4-出水管，41-出水接口，5-基板，6-卡扣，61-上卡接部，62-下卡接部，63-温度传感器，64-压力传感器，7-排水流量阀，8-滑块式水冷增材模块，81-散热内芯，82-高强连接套，9-散热鳍片，10-T形滑块。

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7，是本发明的可无级滑动拼接的水冷增材模块的实施例，具体地：

包括增材平台1、滑块式水冷增材模块8和基板5；所述增材平台1的表面设有两个以上的工作区域，所述工作区域呈带状，相邻的工作区域边缘相接，每个工作区域设有一条滑槽11，所述滑槽11的两端分别设有进水接口3和出水接口41，所述滑槽11上设有安装槽2；所述滑块式水冷增材模块8与所述安装槽2可拆卸连接，所述滑块式水冷增材模块8从所述安装槽2处与所述滑槽11连接或脱离连接，所述滑块式水冷增材模块8与所述滑槽11为滑动连接；所述滑块式水冷增材模块8包括高强连接套82、散热内芯81、散热鳍片9和卡扣6，所述散热内芯81嵌于高强连接套82内，所述高强连接套82底部设有可与滑槽11滑动配合的T形滑块10，所述T形滑块10上沿滑槽11的长度方向开设有通水孔，所述散热鳍片9设于所述的通水孔中，所述散热鳍片9的上端指向散热内芯81中心,所述散热鳍片9与所述散热内芯81连接；所述卡扣6与所述基板5和所述高强连接套82均连接。

优选的实施例中，所述滑槽11的长度为100～20000mm，相邻滑槽11的间距为50～2000mm；所述滑槽11的底部倾斜设置，且底面与水平面的夹角为2.5～30度，滑槽11的底部靠近所述进水接口3的一端高于滑槽的底部靠近所述出水接口41的一端，所述进水接口3位置比所述出水接口41的位置高5～200mm。

一些实施例中，作为上述技术方案的进一步改进，所述滑块式水冷增材模块8的散热内芯81一般采用铜、铝、铜合金或铝合金等散热系数较高的材料；所述滑块式水冷增材模块8的高强连接套82一般采用高强钢等高强材料，所述高强连接套82与散热内芯81设计成交织结构，所诉散热内芯81嵌入高强连接套内，保证了滑块式水冷增材模块8的刚性的同时又保留较好的散热能力。本实施例的交织结构是指散热内芯81嵌套于高强连接套82中，散热内芯81与高强连接套82贴合。

优选的实施例中，所述滑块式水冷增材模块8的竖向投影一般矩形或正六边形等，面积为10000～640000mm²，高度为50mm，100mm，150mm或200mm等；所述的基板5厚度范围为5-800mm，所述基板5的竖向投影与所述滑块式水冷增材模块8的竖向投影以及工作区域的边界重合。

进一步地，所述卡扣6的上端和下端分别设有向内凸起的上卡接部61和向内凸起的下卡接部62，所述基板5和所述滑块式水冷增材模块8分别与所述上卡接部61和所述下卡接部62连接；所述上卡接部61的顶部设有主卡接斜面，所述基板5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61的上表面设有温度传感器，所述下卡接部62的上表面设有压力传感器；所述出水接口41处设有排水流量阀7，通过调节出水接口41的高度，控制水流量；所述的温度传感器63、压力传感器64及排水流量阀7与控制器电连接，采集的温度、压力数据可分为高中低三档，所述的流量可设定高中低三级水流量，控制器上可设置控制面板，排水流量阀7的设定可在控制器面板上进行。

利用本发明提供的增材方法，采用CMT电弧增材一个“日”字形碳钢舱体增材构件，其长400mm，宽300mm，高500mm，壁厚50mm，且还有一个平分两长边，壁厚50mm，高度550mm的直壁，具体实施方式按如下步骤执行：

步骤一：根据舱体增材模型特征来确定在增材平台上安装增材模块的位置，增材平台表面划分为若干个长1500mm，宽100mm的带状增材区域；选用竖向投影尺寸为100mm*100mm的正方形，高度分别为60mm和40mm的两种规格的滑块式水冷增材模块，基板选用与增材模块相同形状，厚度为20mm的Q235钢板，用卡扣固定连接基板和对应的滑块式水冷增材模块，并将滑块式水冷增材模块通过安装槽滑动至相应的位置；如图1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区间为＜100℃，100℃～250℃和＞250℃三挡；压力高中低区间为＜100MPa，100MPa～250MPa和＞250MPa三挡；水流量高中低区间为＜20m³/h，20m³/h～40m³/h和＞40m³/h三挡；然后，启动冷却水泵；

步骤三：控制器根据采集的温度、压力数据实时调节出水口的高度控制水流量，且保持水流量的挡位与温度和压力的最高挡位一致；

步骤四：增材过程中，若增材模型需分区增材再拼接成整体增材，可先在对应的滑块式水冷增材模块上增材分区的模型，后滑动滑块式水冷增材模块使之拼接后再继续进行整体增材；

步骤五：增材完成，拆卸模块。待采集温度接近室温时停止温度、压力采集，并关闭冷却水泵，拆卸滑块式水冷增材模块。

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 (5)

1.一种带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，其特征在于：包括增材平台、滑块式水冷增材模块和基板；

所述增材平台的表面设有若干个的工作区域，所述工作区域呈带状，相邻的工作区域边缘相接，每个工作区域设有一条滑槽，所述滑槽的两端分别设有进水接口和出水接口，所述滑槽上设有安装槽；

所述滑块式水冷增材模块与所述安装槽可拆卸连接，所述滑块式水冷增材模块从所述安装槽处与所述滑槽连接或脱离连接，所述滑块式水冷增材模块与所述滑槽为滑动连接；

所述滑块式水冷增材模块包括高强连接套、散热内芯和卡扣，所述散热内芯的材料为铜、铝、铜合金或铝合金，所述高强连接套的材料为高强钢，所述散热内芯嵌于高强连接套内，散热内芯与高强连接套贴合，所述高强连接套底部设有可与滑槽滑动配合的T形滑块，所述T形滑块上沿滑槽的长度方向开设有通水孔，所述通水孔中设有散热鳍片，所述散热鳍片与所述散热内芯为一体，所述散热鳍片的上端指向所述散热内芯的中心；所述卡扣与所述基板和所述高强连接套均连接；

所述滑槽的长度为100～20000mm，相邻所述滑槽的间距为50～2000mm；所述滑槽的底部倾斜设置，所述滑槽的的底面与水平面的夹角为2.5～30度，滑槽的底部靠近所述进水接口的一端高于滑槽的底部靠近所述出水接口的一端，所述进水接口位置比所述出水接口的位置高5～200mm。

2.根据权利要求1所述的带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，其特征在于：所述散热内芯的散热性系数高于所述高强连接套的散热系数，所述高强连接套的强度高于所述散热内芯的强度。

3.根据权利要求1所述的带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，其特征在于：所述滑块式水冷增材模块的竖向投影矩形或正六边形，面积为10000～640000mm²，高度为50mm，100mm，150mm或200mm；所述的基板厚度范围为5-800mm，所述基板的竖向投影与所述滑块式水冷增材模块的竖向投影以及所述工作区域的边界重合。

4.根据权利要求1所述的带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，其特征在于：所述卡扣的上端和下端分别设有向内凸起的上卡接部和向内凸起的下卡接部，所述基板和所述高强连接套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；所述出水接口处设有排水流量阀；还包括控制器，所述的温度传感器、压力传感器及排水流量阀与所述控制器电连接。

5.一种增材方法，其特征在于，基于如权利要求1-4中任一项所述的带有无级滑动拼接的水冷增材模块的增材装置，所述进水接口上外接有冷却水泵；包括以下步骤：

步骤一：根据增材模型的结构特征，确定滑块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对应的滑块式水冷增材模块，并将滑块式水冷增材模块通过安装槽滑动至相应的位置；

步骤二：根据冷却需求，设定温度、压力和水流量参数的挡位区间，然后启动冷却水泵；

步骤三：开始增材，控制器根据温度传感器采集的温度和压力传感器采集的压力数据实时调节排水流量阀的流量，且保持水流量的挡位与温度和压力的最高挡位一致；

步骤四：增材完成后，待温度传感器采集的温度数据接近室温，关闭冷却水泵，拆卸滑块式水冷增材模块与基板。