CN113909499A - 用于改进对增材制造的温度控制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于为使用高温增材制造工艺形成的零件提供冷却的方法和系统。红外传感器或相机用来测量侧壁温度和可选的顶层温度。冷却剂喷嘴为完成层的侧壁提供冷却，且可选地为顶层提供冷却。冷却剂喷嘴的冷却剂强度控制成使得减少层之间的温度梯度且/或保持每层中的温度低于优选的最大温度。

Description

用于改进对增材制造的温度控制的方法和系统
相关申请的交叉引用
该申请要求享有于2020年7月8日提交的编号为63/049,404的美国临时申请的优先权，该美国临时申请通过引用以其整体并入本文中。
背景技术
增材制造，也称为3D打印，是一种用于零件的快速制造和原型制作的技术。大体上，增材制造需要由计算机控制来逐层沉积材料以形成三维物体。大多数早期的增材制造技术使用聚合物或塑料材料作为原材料，因为此类材料容易在低温下处理和熔化。金属零件(特别是对于复杂结构)的增材制造已变得较广泛地使用。
定向能量沉积(“DED”)是金属的增材制造的一种形式。DED增材制造工艺的示例包括线弧增材制造(“WAAM”)和吹粉增材制造工艺。图1和图2中示出示例性现有技术WAAM工艺。零件112通过在由台116支承的基体114上敷设多个金属层122、124a-e来形成。层122、124a-e通过使供给线220供给到弧炬118并在方向D上移动供给线220和弧炬118两者(其使线熔化并形成顶层122)来形成。每层在它形成时冷却，导致顶层122具有最高温度且最低的完成层124a具有最低温度。
如图2中示出的，屏蔽装置128可以可选地尾随(trail)供给线120。屏蔽装置128提供惰性气体(例如，氩、氮或氦)的覆盖物，其减少顶层122在它冷却时的氧化。备选地，WAAM工艺可在惰性环境中执行，其将消除对于屏蔽装置128的需要。
部分地由于熔化和形成每层所需要的温度较高，金属材料的增材制造引入挑战。在金属零件形成期间未能有效地去除和控制热量可导致对完成零件的不期望的影响。层中过量的温度累积可不利地影响微观结构和尺寸控制。任何层中的过量温度也可导致氧化增加。在制造期间零件的层之间大的温度梯度可导致有害的热致残余应力和微裂纹的形成，其影响零件的最终机械性能和使用寿命。对于不同的材料，在不同的温度范围内，可允许的最大温度梯度是不同的。
从零件112散热的努力的示例包括冷却基体114或台116，将基体114和完成层124a-e浸入冷却介质中，在每个顶层122完成时冷却它(使用冷轧或致冷流体)，以及尾随焊接区的二氧化碳冷却喷射(例如，编号为10,486,271的美国专利)。遗憾的是，这些散热技术中的许多没有充分地散热，且没有一个充分地解决在完成层124a-e之间和在完成层124a-e与顶层122之间的温度梯度的问题。
因此，需要改进的方法和系统来用于从用于金属零件的高温增材制造工艺散热，其避免增材层中的温度并将温度梯度保持到足够低的级别以避免在完成零件中不期望的特性。
发明内容
下文概述本文中公开的主题的系统和方法的若干特定方面。
方面1：一种方法，该方法包括：
a. 使用定向能量沉积增材制造工艺来形成包括多个层的金属零件，该多个层包括顶层和多个完成层，其共同形成左侧壁和右侧壁；
b. 提供与致冷流体成流体流连通的多个冷却剂喷嘴，该多个冷却剂喷嘴包括多个侧壁冷却剂喷嘴，该多个侧壁冷却剂喷嘴能够为左侧壁和右侧壁中的至少一个的至少一部分提供冷却；
c. 测量多个侧壁温度，该多个侧壁温度中的每个对应于多个层中的不同层；以及
d. 控制多个冷却剂喷嘴中的每个的冷却强度，以便保持步骤(c)中测量的侧壁温度中的每个之间的温度梯度低于第一预定最大温度梯度且低于第一预定最大温度。
方面2：方面1的方法，其中步骤(a)还包括使用线弧增材制造工艺来形成包括多个层的金属零件。
方面3：方面1的方法，其中步骤(a)还包括使用吹粉增材制造工艺来形成包括多个层的金属零件。
方面4：方面1至3中任何方面的方法，其中多个层中的每个具有至少1mm的高度。
方面5：方面1至4中任何方面的方法，其中多个冷却剂喷嘴包括适于为顶层提供冷却的至少一个顶部喷嘴，以及适于冷却多个完成层中的至少一个的多个侧壁喷嘴。
方面6：方面6的方法，其中与多个侧壁喷嘴成流体流连通的致冷流体具有不同于与至少一个顶部喷嘴成流体流连通的致冷流体的成分。
方面7：方面1至6中任何方面的方法，其中在步骤(c)中测量的多个侧壁温度使用多个红外传感器来测量。
方面8：方面1至6中任何方面的方法，其中在步骤(c)中测量的多个侧壁温度使用至少一个红外相机来测量。
方面9：方面8的方法，其中多个侧壁温度通过从由至少一个侧壁红外相机中的每个所捕捉的温度场读取不同层处的多个温度来获得。
方面10：方面1至9中任何方面的方法，还包括：
g. 测量多个顶层温度；以及
h. 控制多个冷却剂喷嘴中的每个的冷却强度，以便保持步骤(g)中测量的顶层温度中的每个之间的温度梯度低于第二预定最大温度梯度和第二预定最大温度。
方面11：一种用于生产具有左侧壁和右侧壁的金属零件的系统，该系统包括：
定向能量沉积组件，该定向能量沉积组件包括炬和金属供给；
多个冷却喷嘴，该多个冷却喷嘴与致冷流体成流体流连通且适于与定向能量沉积组件移动，该多个冷却喷嘴包括多个侧壁喷嘴，该多个侧壁喷嘴适于为左侧壁和右侧壁中的至少一个的至少一部分提供冷却；
多个温度传感器，该多个温度传感器包括至少一个侧壁温度传感器，该至少一个侧壁温度传感器中的每个适于检测左侧壁和右侧壁中的一个的至少一部分的温度；
控制器，该控制器电连接到炬、金属供给、多个温度传感器和多个冷却喷嘴；
其中控制器适于基于从多个温度传感器接收的数据来调整多个侧壁喷嘴中的每个的冷却强度，以便保持左侧壁和右侧壁中的每个中的温度梯度低于第一预定最大温度梯度且低于第一预定最大温度。
方面12：方面11的系统，其中金属供给包括线供给或吹粉供给。
方面13：方面11的系统，其中多个冷却喷嘴还包括至少一个顶部喷嘴，该至少一个顶部喷嘴定位成在金属零件形成时尾随金属供给，且适于为金属零件的顶层中的至少一个的至少一部分提供冷却。
方面14：方面13的系统，其中至少一个顶部喷嘴与致冷流体成流体流连通，该致冷流体具有不同于与多个侧壁喷嘴成流体流连通的致冷流体的化学成分。
方面15：方面11的系统，其中至少一个侧壁温度传感器包括红外相机。
方面16：方面11的系统，其中定向能量沉积组件适于通过沉积在高度上至少1mm的多个层来形成零件。
附图说明
图1是现有技术WAAM的第一示例性实施例的示意性透视图；
图2是图1的实施例的示意性侧立视图；
图3是本发明的第一示例性实施例的端立视图，其示出指向每个侧壁的多个侧壁冷却喷嘴；
图4是图3的实施例的端立视图，示出温度传感器；
图5是包括顶表面冷却喷嘴的本发明的第二示例性实施例的示意性侧立视图；
图6是图5中示出的实施例的端立视图，示出指向每个侧壁的多个侧壁冷却喷嘴；
图7是本发明的第三示例性实施例的端立视图，其示出指向每个侧壁的单个侧壁冷却喷嘴；
图8是图3的实施例的端立视图，示出温度传感器；
图9是示出用于冷却系统的示例性控制逻辑的第一实施例的流程图；
图10是示出用于冷却系统的示例性控制逻辑的第二实施例的流程图；
图11是示出用于冷却系统的示例性控制逻辑的第三实施例的流程图；
图12是在没有冷却的情况下使用WAAM形成的零件的侧壁的模拟温度场；
图13是在有冷却的情况下使用WAAM形成的零件的侧壁的模拟温度场；
图14是在没有冷却的情况下使用WAAM形成的零件的顶层的顶表面的模拟温度场；
图15是在有冷却的情况下使用WAAM形成的零件的顶层的顶表面的模拟温度场；以及
图16是包括控制器的示例性系统的示意图。
具体实施方式
随后的详细描述仅提供优选示例性实施例，且不意在限制本发明的范围、可应用性或配置。相反地，优选示例性实施例的随后的详细描述将为本领域技术人员提供用于实施本发明的优选示例性实施例的开放性(enabling)描述。要理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对元件的功能和布置进行各种改变。
为了帮助描述本发明，方向用语可在说明书和权利要求书中用来描述本发明的部分(例如，上、下、左、右等)。这些方向用语仅意在帮助描述和提出本发明，且不意在以任何方式限制本发明。另外，在与图相关联的说明书中引入的参考标号可在说明书中没有额外描述的情况下在一个或多个后续的图中重复，以便为其它特征提供上下文(context)。
在权利要求书中，字母用来标识所提出的步骤(例如(a)、(b)和(c))。这些字母用来帮助参照方法步骤，且不意在指示其中所提出的步骤执行的顺序，除非且仅在此类顺序特别地记述于权利要求书中的情况下。
方向用语可在说明书和权利要求书中用来描述本发明的部分(例如，上、下、左、右等)。这些方向用语仅意在帮助描述示例性实施例，且不意在限制所提出的发明的范围。如本文中使用的，用语“上游”意在表示相对于参考点在与导管中流体的流动方向相反的方向上。类似地，用语“下游”意在表示相对于参考点在与导管中流体的流动方向相同的方向上。
如在说明书和权利要求书中使用的，用语“流体流连通”是指两个或更多个构件之间的连接性的性质，其允许液体、蒸气和/或两相混合物在构件之间直接地或间接地以受控方式(即，无泄漏)输送。联接两个或更多个构件使得它们彼此成流体流连通可涉及本领域中已知的任何合适的方法，诸如通过使用焊接、带凸缘的导管、垫圈和螺栓。两个或更多个构件还可经由系统的其它构件(其可分离它们，例如，阀、门或可选择性地限制或引导流体流的其它装置)联接在一起。
如在说明书和权利要求书中使用的，用语“导管”是指流体在系统的两个或更多个构件之间可通过其输送的一个或多个结构。例如，导管可包括输送液体、蒸气和/或气体的管道、管、通路和其组合。
如本文中使用的，用语“致冷剂”或“致冷流体”意在表示具有低于-70摄氏度的温度的液相、气相或混合相流体。致冷剂的示例包括液氮(LIN)、液化天然气(LNG)、液氦、液态二氧化碳和加压的混合相致冷剂(例如，LIN和气态氮的混合物)。如本文中使用的，用语“致冷温度”意在表示低于-70摄氏度的温度。
在本文中公开的后续实施例中的每个中，与第一实施例(系统100)共有的元件通过以系数100增加的参考标号来表示。例如，图1和图2的顶层122对应于图3和图4的顶层222。为了平衡清楚性和简洁性，与先前实施例共有的后续实施例的一些元件在图中标号，但不在说明书中单独标出(call out)。除非另外说明，可假设此类元件在结构和功能上与其中描述它们的实施例相同。
图3和图4示出WAAM系统200的第一示例性实施例。在系统200中，侧壁冷却喷嘴234a-c、236a-c在顶层222与基体214之间(分别)沿完成层224a-e的左侧和右侧定位。出于降低温度且更重要的是降低层222、224a-c中的每个之间的温度梯度的目的，侧壁冷却喷嘴234a-c、236a-c配置成在完成层224a-e的侧壁处引导致冷流体(诸如氮或氩)的受控喷射。
优选地，每个侧壁冷却喷嘴234a-c、236a-c可独立控制以提供多个级别的冷却强度。例如，每个侧壁冷却喷嘴234a-c、236a-c可适于提供四级冷却：1级：无冷却；2级：仅气态冷却；3级：气体和致冷剂的混合物；4级：仅致冷剂。气态冷却优选地由单独的气体源提供，诸如房屋管线气体。
为了允许有效控制侧壁冷却喷嘴234a-c、236a-c，监测每层222、224a-c的温度。这优选地使用测量每层温度的传感器或热电偶来实现，因为层厚度、材料传导率和环境温度上的变化使得开发相当准确的预测数学温度模型是不切实际的。备选地，将有可能测量顶层222和最高的完成层中的一些(诸如完成层124d、124e)中的温度——因为这些层典型地具有最大的温度梯度。
参照图4，在该实施例中，侧壁红外传感器240a-c、242a-c分别设在最高的完成层224c-e的左侧和右侧上。另外，顶部红外传感器238定位在顶层222上方。优选地，传感器240a-c、242a-c、238尾随供给线(在该实施例中未示出。见图2的供给线120)且与炬组件移动。
图5和图6示出WAAM系统300的另一示例性实施例。在该实施例中，提供顶部喷嘴330，其将冷却剂引导到顶层322的顶表面上。顶部喷嘴330提供对顶层332的温度和温度梯度的更多控制。
图7和图8示出WAAM系统400的另一示例性实施例。在该实施例中，单个侧壁喷嘴434、436设在零件412的每侧上。侧壁喷嘴434、436中的每个分别具有宽喷射轮廓443、445，其为多个完成层424c-e提供冷却剂覆盖。类似地，单个红外相机440、442设在零件412的每侧上。红外相机中的每个生成图像，该图像指示图像内多个位置处的温度。这允许通过选择来自对应于每层的位置的温度读数来跨多个完成层424c-e测量温度。该配置简化操作，但对到达完成层424c-e中每个的冷却剂的量提供减少的控制。在使用红外相机440、442的实施例中，相机可为固定的，因为它们可具有捕捉零件412的整个侧壁的视场。
图9-11是可与本文中公开的WAAM系统中的任何一起使用的三个不同示例性控制逻辑的流程图。为了简化描述，将结合图3-4的WAAM系统200来描述控制逻辑。
图9中示出的示例性控制逻辑意在保持层222、242a-d中的每个低于预定临界温度(Tmax)，高于该预定临界温度，零件212中的晶粒生长速率高得不可接受且零件212应不暴露于环境空气(即，零件应保持在惰性气氛中)。对于喷嘴，通常在生产开始之前设置于1级或2级。控制逻辑序列在步骤510处开始，然后在步骤512中确定系统是否在生产中。如果系统200在生产中，流程继续到步骤514，其中冷却喷嘴234a-c、236a-c中的每个设置到生产强度，其通常将为3级，但在一些生产环境中也可为1级或2级。然后在步骤516中在红外传感器240a-c、242a-c中的每个处测量温度。如果传感器240a-c、242a-c中的任何检测到高于Tmax的温度，在该传感器的区中的喷嘴冷却级别增加到下一级别。如果生产强度为3级，然后将增加到4级。如果生产强度为2级，然后将增加到3级。如果所测量温度下降到低于Tmax，喷嘴将回到初始生产级别。例如，如果传感器242c检测到高于Tmax的温度，然后侧壁喷嘴236c将增加到4级，直至检测到的温度下降到低于Tmax，然后回到3级。
图10中示出第二示例性控制逻辑。该控制逻辑意在保持层222、242a-d中的任何之间的温度梯度低于预定最大值(TGmax)，高于该预定最大值，有害的残余应力可在零件212中产生。控制逻辑序列在步骤610处开始，然后在步骤612中确定系统是否在生产中。如果系统200在生产中，流程继续到步骤614，其中冷却喷嘴234a-c、236a-c中的每个设置到生产强度(其典型地将为2级或3级)。然后在步骤616中测量红外传感器240a-c、242a-c中的每个之间的温度梯度(通过计算相邻传感器之间的差)。如果计算出温度梯度高于TGmax，对于其中出现较高温度读数的区，喷嘴的冷却级别增加(例如，从2级到3级或从3级到4级)。当温度梯度下降到低于TGmax时，喷嘴将回到生产强度。例如，如果传感器242b与242c之间的温度梯度高于TGmax(其中传感器242c具有较高温度)，侧壁喷嘴236c将从生产强度(在该示例中为3级)增加到4级，直至温度梯度下降到低于TGmax，然后回到3级。
图11中示出第三示例性控制逻辑。该控制逻辑与图9和图10中示出的示例性控制逻辑组合，其中它意在保持每层的温度低于预定最大温度Tmax且保持每层之间的温度梯度低于预定最大温度梯度TGmax。控制逻辑序列在步骤710处开始，然后在步骤712中确定系统是否在生产中。如果系统200在生产中，流程继续到步骤714，其中冷却喷嘴234a-c、236a-c中的每个设置到3级(气体和致冷剂的混合物)。然后在步骤716中在红外传感器240a-c、242a-c中的每个处测量温度。如果传感器240a-c、242a-c中的任何检测到高于Tmax的温度，在该传感器的区中的喷嘴冷却级别增加到4级(步骤718)。然后在步骤720中测量红外传感器240a-c、242a-c中的每个之间的温度梯度(通过计算相邻传感器之间的差)。如果计算出温度梯度高于TGmax(步骤722)，对于其中出现较高温度读数的区，喷嘴冷却级别增加到4级(步骤724)。控制逻辑流程然后回到步骤716。
可使用任何合适的控制系统来提供上文描述的操作功能。图16中示意性地示出具有控制器850的示例性系统800。系统的其它零件(包括炬818、线供给820、冷却喷嘴834和温度传感器840)可包括图3至图8的实施例中公开的元件的任何组合。控制器850优选地具有电连接(由图16中示出的线表示)。此类连接可为有线的或无线的，使用任何合适的通信协议。控制器850优选地包括与图9至图15中示出的那些类似的控制逻辑，以及控制DED组件852的移动和操作的控制逻辑。备选地，系统800可包括用于控制冷却喷嘴834和DED组件852的单独控制器。
示例
对六层薄壁铝合金零件执行温度建模，以比较在有冷却和没有冷却的情况下零件形成期间出现的温度和温度梯度。零件由其形成的层中的每个长50mm，高2mm，且宽1mm。用线弧炬以每平方米0.1kJ的热量输入在150mm/min的速度下移动来形成层。冷却由顶部两个完成层上的顶部冷却喷嘴和侧冷却喷嘴来提供，所有的这些喷嘴以35cm尾随炬组件。
图12和图13分别示出在第五层完成了之后10秒在没有冷却和有冷却的情况下形成的零件的左侧壁(从图5的方向)的温度场。图12和图13中的线G指示其中出现最大温度梯度的区域。图12和图13的左边上的颜色编码的图例指示相对温度，其中橙色和红色表示高于Tmax的温度。如图中可看到的，图13中区域G中的温度梯度比图12中小得多。
图14和图15分别示出在第五层形成了之后10秒在没有冷却和有冷却的情况下形成的零件的顶层的顶表面的温度场。图14和图15中的线G指示其中出现最大温度梯度的区域。图14和图15的左边上的颜色编码的图例指示相对温度。如图中可看到的，图15中区域G中的温度梯度比图14中小得多。
因而，发明按照其优选实施例和备选实施例来公开。当然，来自本发明的教导的各种改变、修改和备选可在不脱离其预期精神和范围的情况下由本领域技术人员构想出。意图的是，本发明仅由所附权利要求书的条款所限制。

Claims (16)

1.一种方法，所述方法包括：
a. 使用定向能量沉积增材制造工艺来形成包括多个层的金属零件，所述多个层包括顶层和多个完成层，其共同形成左侧壁和右侧壁；
b. 提供与致冷流体成流体流连通的多个冷却剂喷嘴，所述多个冷却剂喷嘴包括多个侧壁冷却剂喷嘴，所述多个侧壁冷却剂喷嘴能够为所述左侧壁和所述右侧壁中的至少一个的至少一部分提供冷却；
c. 测量多个侧壁温度，所述多个侧壁温度中的每个对应于所述多个层中的不同层；以及
d. 控制所述多个冷却剂喷嘴中的每个的冷却强度，以便保持步骤(c)中测量的所述多个侧壁温度中的每个之间的温度梯度低于第一预定最大温度梯度且低于第一预定最大温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括使用线弧增材制造工艺来形成包括所述多个层的所述金属零件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括使用吹粉增材制造工艺来形成包括所述多个层的所述金属零件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个层中的每个具有至少1mm的高度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个冷却剂喷嘴包括适于为所述顶层提供冷却的至少一个顶部喷嘴，以及适于冷却所述多个完成层中的至少一个的多个侧壁喷嘴。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，与所述多个侧壁喷嘴成流体流连通的致冷流体具有不同于与所述至少一个顶部喷嘴成流体流连通的致冷流体的成分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中测量的所述多个侧壁温度使用多个红外传感器来测量。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中测量的所述多个侧壁温度使用至少一个红外相机来测量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个侧壁温度通过从由所述至少一个红外相机中的每个所捕捉的温度场读取不同层处的多个温度来获得。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
g. 测量多个顶层温度；以及
h. 控制所述多个冷却剂喷嘴中的每个的冷却强度，以便保持步骤(g)中测量的所述多个顶层温度中的每个之间的温度梯度低于第二预定最大温度梯度和第二预定最大温度。
11.一种用于生产具有左侧壁和右侧壁的金属零件的系统，所述系统包括：
定向能量沉积组件，所述定向能量沉积组件包括炬和金属供给；
多个冷却喷嘴，所述多个冷却喷嘴与致冷流体成流体流连通且适于与所述定向能量沉积组件移动，所述多个冷却喷嘴包括多个侧壁喷嘴，所述多个侧壁喷嘴适于为所述左侧壁和所述右侧壁中的至少一个的至少一部分提供冷却；
多个温度传感器，所述多个温度传感器包括至少一个侧壁温度传感器，所述至少一个侧壁温度传感器中的每个适于检测所述左侧壁和所述右侧壁中的一个的至少一部分的温度；
控制器，所述控制器电连接到所述炬、所述金属供给、所述多个温度传感器和所述多个冷却喷嘴；以及
其中所述控制器适于基于从所述多个温度传感器接收的数据来调整所述多个侧壁喷嘴中的每个的冷却强度，以便保持所述左侧壁和所述右侧壁中的每个中的温度梯度低于第一预定最大温度梯度且低于第一预定最大温度。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述金属供给包括线供给或吹粉供给。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多个冷却喷嘴还包括至少一个顶部喷嘴，所述至少一个顶部喷嘴定位成在所述金属零件形成时尾随所述金属供给，且适于为所述金属零件的顶层中的至少一个的至少一部分提供冷却。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述至少一个顶部喷嘴与致冷流体成流体流连通，所述致冷流体具有不同于与所述多个侧壁喷嘴成流体流连通的致冷流体的化学成分。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个侧壁温度传感器包括红外相机。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述定向能量沉积组件适于通过沉积在高度上至少1mm的多个层来形成所述零件。
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