CN113909491A - 一种ebf增材制造方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种EBF增材制造方法及系统。所述方法包括：在太空环境中进行EBF增材制造，将金属丝材进行预热，将预热后的金属丝材送入熔池内,通过电子束将金属丝材在熔池内熔化，形成接触过渡；采集熔池温度，根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。本发明考虑到太空环境中的真空及高低温交变影响，根据实际的熔池温度调控成形过程熔融材料的冷却速率大小，消除高温下材料热积累严重以及低温下材料冷却速率过快的影响。同时，本发明采用在电子束将金属丝材在熔池内熔化之前将金属丝材进行预热，克服太空环境下电子束功率不足的困难，从而改善金属成形工艺，保证金属成形能够顺利进行。

Description

一种EBF增材制造方法及系统
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种EBF增材制造方法及系统。
背景技术
随着社会的发展和科技技术的革新，现代科学技术对增材制造技术提出了新的挑战。航空航天产业是国家制造业实力的体现，太空环境下增材制造技术的应用是我国航空航天技术赶超世界先进国家的历史性机遇。天基增材制造技术有利于打破火箭发射整流罩包络限制，推动规模化，与此同时，可以消除火箭发射过程中力学环境的约束，让设计者更加关注本身功能需求，强调“所需即所得”的太空直接成形制造理念，按需制造，提高灵活性，节约成本，让轻量化设计更易实现。正因如此，天基增材制造技术具有颠覆性的技术优势，是解决航天器规模化发展的最有力途径。
当前天基增材制造面临的困难很大，主要体现在空间环境零部件装配的目标识别、捕获、移动控制、精密定位组装技术难度大；天基增材制造材料原位回收再利用工艺方法、性能演变规律不明确；天基增材制造的地面空间环境模拟验证手段缺失，可实施性差。考虑到空间环境下零重力、高真空、大温差、强辐射，地面模拟实验的开展遇到诸多阻碍。国内外在面向天基增材制造领域的相关研究还不够深入，在面向大型构件的舱外空间环境增材制造更是空白。由此针对航天器不断增长的大型化、高功耗发展需求，亟需开发出适应于空间环境下的EBF增材制造方法及装备。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种EBF增材制造方法及系统，其目的在于将金属丝材进行预热，根据熔池温度调节熔池的冷却速率，由此解决太空环境下电子束加热功率不足的问题，以及真空及高低温交变影响的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种EBF增材制造方法，所述方法包括：在太空环境中进行EBF增材制造，将金属丝材进行预热，将预热后的金属丝材送入熔池内,通过电子束将金属丝材在熔池内熔化，形成接触过渡；采集熔池温度，根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。
优选地，所述根据熔池温度调节熔池的冷却速率包括：判断所述熔池温度是否低于预设低温阈值，若是，对熔池进行加热以降低熔池的冷却速率；判断所述熔池温度是否高于预设高温阈值，若是，对熔池进行冷却以提高熔池的冷却速率。
优选地，所述将金属丝材进行预热为将金属丝材预热至靠近并低于其熔点。
按照本发明的另一个方面，提供了一种实施EBF增材制造的系统，所述系统包括：电子束枪、金属送丝机构、预热模块、熔池温度采集模块和熔池温度调节模块；所述预热模块设置在金属送丝机构内部，所述熔池温度采集模块用于采集熔池温度，所述熔池温度调节模块用于根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。
优选地，所述预热模块为绕金属送丝机构中金属丝材外部设置的加热弹簧，该加热弹簧通过导线与电源连接。
优选地，所述加热弹簧的熔点高于所述金属丝材的熔点，所述加热弹簧的直径大于所述金属丝材的直径。
优选地，所述熔池温度调节模块为设置在工作台上的金属板，紧贴金属板板壁设置蛇形管道，向所述蛇形管道中通入加热液体或冷却液。
优选地，所述熔池温度采集模块为红外温度传感器。
优选地，所述金属送丝机构还包括温度检测模块，用于检测预热模块的预热温度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明中考虑到太空环境中的真空及高低温交变影响，通过采集熔池温度，根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关，实现根据实际的熔池温度调控成形过程熔融材料的冷却速率大小，消除高温下材料热积累严重以及低温下材料冷却速率过快的影响。同时，本发明采用在电子束将金属丝材在熔池内熔化之前将金属丝材进行预热，克服太空环境下电子束功率不足的困难，从而改善金属成形工艺，保证金属成形能够顺利进行。
(2)本发明考虑到太空环境中的零重力影响，调整熔滴过渡形式由地面上的自由过渡方式变为接触过渡方式，将预热后的金属丝材送入熔池内,通过电子束将金属丝材在熔池内熔化，形成接触过渡，保证成形能顺利进行。
(3)本发明提供的方法尤其适用于高熔点的金属成形，并且本发明提供的增材制造系统简单，温度调控灵活度高，成形方法高效。
附图说明
图1是本发明实施例提供的EBF增材制造系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的EBF增材制造系统中金属送丝机构结构示意图；
图3是本发明实施例提供的EBF增材制造系统中熔池温度调节模块结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-电子束枪；2-金属送丝机构；3-熔池温度采集模块；4-熔池温度调节模块；5-工作台；6-熔池；7-熔覆层；
201-预热模块；202-温度检测模块；401-金属板，402-蛇形管道；403-管道进口；404-管道出口。
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。应当理解，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种EBF增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：在太空环境中进行EBF增材制造，将金属丝材进行预热，将预热后的金属丝材送入熔池内,通过电子束将金属丝材在熔池内熔化，形成接触过渡；采集熔池温度，根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。其中，所述将金属丝材进行预热为将金属丝材预热至靠近并低于其熔点。
具体地，所述根据熔池温度调节熔池的冷却速率包括：判断所述熔池温度是否低于预设低温阈值，若是，对熔池进行加热以降低熔池的冷却速率；判断所述熔池温度是否高于预设高温阈值，若是，对熔池进行冷却以提高熔池的冷却速率。
本发明另一个实施例提供一种实施上文所述方法的EBF增材制造系统，参见图1-3，所述系统包括：电子束枪1、金属送丝机构2、预热模块201、熔池温度采集模块3和熔池温度调节模块4；所述预热模块201设置在金属送丝机构2内部，所述熔池温度采集模块3用于采集熔池温度，所述熔池温度调节模块4用于根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。
本实施例中，电子束枪1主要是给金属丝材进行加热，使金属熔化，考虑到太空环境中电子束的加热功率不足，在金属送丝机构2中集成预热模块201对金属丝材进行预热到一个合适温度，从而使金属丝材在进入到熔池中能够迅速进入熔融状态，改善增材制造成形质量，成形过程中，通过温度调节模块401通入冷却液或加热液体来控制成形过程中熔池温度。
增材制造使用的原料是金属材料，增材制造过程中使用电子束枪1进行加热，使金属熔化，金属送丝机构2不断送金属丝到金属熔池中，全程会有红外温度传感器检测成形温度，金属送丝机构2中内嵌一个预热模块201，在成形过程中会预热金属丝到略低于金属熔点，使得金属丝进入熔池的瞬间能够通过电子束迅速加热到金属熔点使得金属丝熔化进入熔池。考虑到太空中真空及高低温的影响，需要控制熔池温度在一个合适的温度区间，此时需要借助熔池温度采集模块3和熔池温度调节模块4来动态调整熔池温度，使其处在一个适宜的成形温度。熔池温度调节模块会结合温度采集模块返回的熔池温度，动态调整熔池冷却速率，实现动态调整熔池成形温度，克服太空环境下高低温交变对成形过程的影响，同时由于金属送丝机构送出的金属丝具备一个初始温度，在电子束能量密度有限的情况下，使难融金属的成形质量得到保证。
所述预热模块201为绕金属送丝机构2中金属丝材外部设置的加热弹簧，该加热弹簧通过导线与电源连接。所述加热弹簧的熔点高于所述金属丝材的熔点，所述加热弹簧的直径大于所述金属丝材的直径。通过改变加热弹簧的加热功率来调整金属丝的预热温度。所述金属送丝机构2还包括温度检测模块202，用于检测预热模块的预热温度。该温度检测模块也可以为另一个红外温度传感器，考虑到太空中的特殊环境，使用红外温度传感器对金属丝材表面温度进行实时监控。
另外，所述熔池温度调节模块4为设置在工作台上的金属板401，紧贴金属板板壁设置蛇形管道402，管道进口403和管道出口404分别为熔池温度调节模块的液体入口和出口，分别通过通入加热油和冷却水，来动态调控熔池温度。
本实施例提供的的工作原理如下：如图1所示，在工作台5所示平台上成形时，首先需要给金属送丝机构2一个预置温度，打开预热模块201的加热弹簧开关，对金属丝进行加热，待温度检测模块202检测温度达到要求时，打开电子束枪1开关，启动熔池温度采集模块3和熔池温度调节模块4，此时金属丝开始以一定速度从金属送丝机构2中喷出，在电子束枪1的加热下迅速熔化形成熔池6，随着装置的移动，熔池冷却形成熔覆层7。由于太空环境下零重力以及真空高低温交变的影响，通过熔池温度采集模块3实时监控当前熔池的熔融温度，如果温度过低，熔池冷却速率过快，需要对熔池进行加热以降低熔池的冷却速率，即需要通过熔池温度调节模块4提高熔池温度。如果熔池温度过高，高温下熔池内材料热积累严重，需要对熔池进行冷却以提高熔池的冷却速率，即需要通过熔池温度调节模块4降低熔池温度。通过此方法使得整个成形过程中，熔池内成形温度不会受到太空环境中真空高低温交变的影响，使金属丝的冷却速率保持到一个合适的范围，从而金属丝成形质量得到保障。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种EBF增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在太空环境中进行EBF增材制造，将金属丝材进行预热，将预热后的金属丝材送入熔池内,通过电子束将金属丝材在熔池内熔化，形成接触过渡；
采集熔池温度，根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述根据熔池温度调节熔池的冷却速率包括：
判断所述熔池温度是否低于预设低温阈值，若是，对熔池进行加热以降低熔池的冷却速率；
判断所述熔池温度是否高于预设高温阈值，若是，对熔池进行冷却以提高熔池的冷却速率。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述将金属丝材进行预热为将金属丝材预热至靠近并低于其熔点。
4.一种实施权利要求1-3任一项所述方法的EBF增材制造系统，其特征在于，所述系统包括：电子束枪(1)、金属送丝机构(2)、预热模块(201)、熔池温度采集模块(3)和熔池温度调节模块(4)；
所述预热模块(201)设置在金属送丝机构(2)内部，所述熔池温度采集模块(3)用于采集熔池温度，所述熔池温度调节模块(4)用于根据熔池温度调节熔池的冷却速率，使得熔池温度与熔池的冷却速率成正相关。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预热模块(201)为绕金属送丝机构(2)中金属丝材外部设置的加热弹簧，该加热弹簧通过导线与电源连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述加热弹簧的熔点高于所述金属丝材的熔点，所述加热弹簧的直径大于所述金属丝材的直径。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述熔池温度调节模块(4)为设置在工作台上的金属板(401)，紧贴金属板(401)板壁设置蛇形管道(402)，向所述蛇形管道(402)中通入加热液体或冷却液。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述熔池温度采集模块(3)为红外温度传感器。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述金属送丝机构(2)还包括温度检测模块(202)，用于检测预热模块的预热温度。
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