CN114040529A - 基于三周期最小曲面结构的流体感应加热装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三周期最小曲面结构的流体感应加热装置及制造方法，属于增材制造领域。所述加热装置包括加热单元和加热通道，所述加热单元设于所述加热通道外，用于加热流经所述加热通道内的流体，所述加热通道的内部结构为三周期最小曲面结构。本发明的加热流道内部结构为三周期最小曲面，相比现有加热方式，相同的体积内具有更大的表面积，即具有更大的表面积体积比，能够使用更小的体积达到加热效果，设备体积缩小，并且没有气流死角，容易清理。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，特别是一种流体感应加热装置及制造方法。
背景技术
增材制造(additive manufacturing,AM)技术是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术，其原理是将设计的CAD三维模型在某一方向按一定厚度切片成二维面片，然后将各面片解析成一个一个点，之后由控制系统控制激光/电子束等逐点扫描成线，线汇成面，面汇成体，最终形成设计的零件。相比较传统的减材制造和等材制造技术，增材制造技术能够充分解放设计自由度，可以制造传统制造技术无法加工的复杂结构，被视为决定未来经济的十二大颠覆技术之一。选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)是应用较广泛的一种。
SLM制造技术的原材料是平均粒径一般在数十微米级别的金属粉末，刮刀将金属粉末在基板上平铺一层后，由控制系统控制高能量激光熔化扫描路径上的粉末。由于金属粒径极小，表面积极大，且加工温度极高，在加工过程中如果存在氧气等反应气氛，金属材料极容易生成其他反应物，因此，金属SLM制造过程中通常需要通入氩气、氮气等气体进行保护，以避免金属材料生成其他反应物。此外，在加工过程中，由于金属颗粒表面存在极少量其他物质，或由于激光与金属颗粒作用，会产生一定的烟气(烟气中一般为金属蒸汽或其它反应物)，这些烟气如果不加处理会对加工的金属零件或者设备的光学系统产生污染，因此，需要在成型仓侧面设计气流通道，用流动的保护气吹散烟气。
SLM制造技术加工过程中，被扫描到的金属颗粒在高能量激光的作用下快速被加热直至熔化，激光扫描过后金属快速凝固。在熔化过程中，如果金属颗粒的原始温度较低，在激光功率一定的情况下，需要较长加热时间，即激光扫描速度将减慢，这将严重影响零件加工时间，且部分颗粒容易发生未熔化，影响零件的加工质量；在金属材料凝固过程中，如果金属材料与周围环境存在较大的温度梯度，将影响凝固过程中的晶粒生长，并且材料内部可能产生较大的应力，最终影响材料的力学性能。此外，如果零件与环境存在较大的温度梯度，零件内部各区域的温度梯度不同，零件各区域的收缩率不同，可能使零件在加工过程中就产生翘曲或者变形，最终导致成型精度不够、失败甚至损坏刮刀。
因此，金属SLM制造过程中，会采用加热设备对保护气进行加热，以达到吹散烟气，预热粉末，控制成型仓温度的目的，以保证制造精度和机械性能都满足条件的零件。在已有的专利中，对于保护气的加热通常采用的是热电阻加热棒，比如申请名称为《一种用于3D打印的保护气体预热方法及装置》的专利，采用的就是棒状电阻加热装置。由于棒状加热装置的表面积有限，如果要达到较大的加热功率，则需要较多的加热棒，这将严重增大保护气加热装置的体积，最终影响设备体积。如果采用翅片、肋片等方式增大接触/加热面积，由于这些结构存在死角，可能会产生积垢等现象，且死角非常不利于清理；这对于增材制造机器更换材料来说，可能产生污染。
因此本发明设计了一款基于三周期最小曲面的感应加热装置。与传统的行架结构、面片结构相比，三周期最小曲面结构具有更好的力学性能、更高的单位体积比表面积、更光滑的曲面构型。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提出的问题，设计了一种流体感应加热装置。
实现上述目的本发明第一方面提供一种基于三周期最小曲面结构的流体感应加热装置，包括加热单元和加热通道；
所述加热单元设于所述加热通道外，用于加热流经所述加热通道内的流体；
所述加热通道的内部结构为三周期最小曲面。
在本发明一些实施方式中，所述加热单元包括感应线圈；
所述加热通道由金属材料制成；
所述感应线圈设于所述加热通道外侧，用于通入高频电流后产生热量。
在本发明一些实施方式中，所述加热通道外设有外壳，所述感应线圈缠绕于所述外壳，所述外壳由金属材料制成。在本发明一些实施方式中，所述加热装置还包括保温层；
所述保温层包覆于所述外壳外侧。
在本发明一些实施方式中，所述加热装置还包括如下技术特征的一项或多项：
A1、所述加热通道和/或外壳采用增材制造获得；
A2、流量检测器，设于所述加热通道的流体入口处；
A3、温度检测器，设于所述加热通道的流体入口处和/或流体出口处；
A4、压力检测器，设于所述加热通道的流体入口处和/或流体出口处；
A5、所述加热通道的截面形状为圆形、三角形、正方形、长方形、多边形或水滴形中的一种；
A6、所述加热通道为直线型流道或螺旋型流道。
在本发明一些实施方式中，所述三周期最小曲面选自G型、D型、L型或S型中的一种。
其中，
G型结构的控制方程为：sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)＝c；
D型结构的控制方程为：cos(x)cos(y)cos(z)-sin(x)sin(y)sin(z)＝c；
L型结构的控制方程为：
[sin(x)cos(y)sin(z)+sin(y)cos(z)sin(x)+sin(z)cos(x)sin(y)]-[cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x)]＝c；
S型结构的控制方程为：
1.1[sin(2x)cos(y)sin(z)+sin(2y)cos(z)sin(x)+sin(2z)cos(x)sin(y)]-0.2[cos(2x)cos(2y)+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))-0.4(cos(2y)+cos(2z)+cos(2x))＝c；
上述，x、y、z为三维坐标系，c为某一常数。
在本发明一些实施方式中，所述金属材料选自铁基金属材料、镍基金属材料、钛基金属材料或铝基材料的一种。
本发明第二方面提供一种上述流体感应加热装置的制造方法，
S1、确认加热通道的设计参数；
S2、搭建加热通道的三维模型；
S3、修正三维模型；
S4、将修正的三维模型导入增材制造前处理软件进行处理，得到打印文件；
S5、将打印文件导入增材制造机器，进行打印，得到加热通道；
S6、加热通道经过热处理后，在加热通道外缠绕感应线圈，最后在感应线圈外包覆保温层，得到加热装置。
在本发明一些实施方式中，制造方法包括如下技术特征的一项或多项：
B1、步骤S1中，设计参数包括：加热通道类型和截面形状、加热通道壁面厚度、加热通道内部三最小周期曲面的类型和尺寸、外壳厚度；
B2、步骤S2中，三维模型采用matlab、Grasshopper、UG或nTopology搭建；
B3、步骤S3中，对三维模型进行仿真计算，根据仿真计算结果对S1步骤的设计参数进行修正，得到修正的三维模型；
B4、步骤S4中，处理过程包括进行切片、添加支撑、确定激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描路径、扫描间距以及扫描层厚，得到打印文件。
具体的，切片过程具体包括：将三维结构从下到上的，按照设定的层厚，分割成一层一层的结构，再分解成一个一个的点，以便于激光实现从点到线，从线到面，从面到体的生成过程。
更具体的，S4步骤中，切片步骤后还包括添加支撑，因为某些零件的部分是悬空结构，当其倾斜角度过大(一般是与Z轴方向角度大于45度时，)需要添加支撑结构，以保证成型。对于不同的材料，不同的打印参数，可以适当调整添加支撑的角度阈值。
在本发明一些实施方式中，步骤S4中，包括如下技术特征中的一项或多项：
C1、激光功率为200-400W；
C2、光斑直径为50-90μm；
C3、扫描速度为500-1200mm/s；
C4、扫描路径为Z字型或棋盘型；
C5、扫描间距为50-150μm；
C6、扫描层厚10-80μm。
本发明提供的基于三周期最小曲面结构的流体感应加热装置具备如下有益效果：
1)本发明的流体感应加热装置的加热流道内部结构为三周期最小曲面，相比现有加热方式，相同的体积内具有更大的表面积，即具有更大的表面积体积比，能够使用更小的体积达到加热效果，设备体积缩小。
2)本发明采用三周期最小曲面设计加热流道，没有气流死角，容易清理。
3)通过感应线圈对加热流道进行加热，感应线圈内部通有高频电流，高频电流产生交变磁场在内部加热流道及外壳(外壳为金属时)产生感应电流最终产生热量，使内部加热流道和/或外壳的内表面温度上升，当保护气流过时，加热保护气。
附图说明
图1是本发明所述加热装置的垂直截面示意图；
图2是本发明所述加热装置的结构示意图(部分剖面)；
图3a是本发明所述加热装置部分结构示意图(加热通道内部结构为G型)；
图3b为图3a加热通道内部结构的放大示意图；
图4a是本发明所述加热装置部分结构示意图(加热通道内部结构为D型)；
图4b为图4a加热通道内部结构的放大示意图；
图5a是本发明所述加热装置部分结构示意图(加热通道内部结构为L型)；
图5b为图5a加热通道内部结构的放大示意图；
图6a是本发明所述加热装置部分结构示意图(加热通道内部结构为S型)；
图6b为图6a加热通道内部结构的放大示意图；
图7为本发明所述加热通道类型及加热通道截面类型示意图。
图中标号：
1、保温层；
2、感应线圈；
3、外壳；
4、加热通道；
5、流体入口；
6、流量检测器；
7、温度检测器；
8、压力检测器；
9、流体出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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。
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”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。
实施例1
请参阅图1-2，一种流体感应加热装置，包括加热单元和加热通道4，加热单元设于加热通道4外，用于加热流经加热通道4内的流体，加热通道4的内部结构为三周期最小曲面。
在一具体实施例中，三周期最小曲面为G型，最小曲面是指每个点上平均曲率的值全部为0的曲面，当最小曲面在三个相互独立的方向上呈现出无限的和周期的规律时，称之为三周期最小曲面(TPMS)。具体的，G型结构如图3a和图3b所示，其中3b为G型三周期最小曲面的部分放大图，其内部控制方程为sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)＝c，c为常数，例如为0或1。此结构具有更好的力学性能、具有更大的表面积体积比，能够使用更小的体积达到加热效果，设备体积缩小。且作为加热流道没有气流死角，容易清理。
与G型结构相似，在另外具体实施例中，三周期最小曲面为D型，具体的，D型结构如图4a和图4b所示，其中4b为D型三周期最小曲面的部分放大图，其内部控制方程为sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)＝c，c为常数，例如为0或1。
或，三周期最小曲面为L型，具体的，L型结构如图5a和图5b所示，其中5b为L型三周期最小曲面的部分放大图，其内部控制方程为[sin(x)cos(y)sin(z)+sin(y)cos(z)sin(x)+sin(z)cos(x)sin(y)]-[cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x)]＝c，c为常数，例如为0或1。
或，三周期最小曲面为S型，具体的，S型结构如图6a和图6b所示，其中6b为S型三周期最小曲面的部分放大图，其内部控制方程为1.1[sin(2x)cos(y)sin(z)+sin(2y)cos(z)sin(x)+sin(2z)cos(x)sin(y)]-0.2[cos(2x)cos(2y)+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))-0.4(cos(2y)+cos(2z)+cos(2x))＝c，c为常数，例如为0或1。
在一优选实施例中，基于三周期最小曲面结构增材制造的流体感应加热装置的加热单元采用感应线圈2，并且加热通道4由金属材料制成，感应线圈2设于加热通道4外侧，用于通入高频电流后产生热量。具体的，高频电流产生交变磁场在内部加热流道产生感应电流最终产生热量，使内部加热流道温度上升，当保护气流过时，加热保护气。
在一优选实施例中，加热单元还包括外壳3，外壳3由金属材料制成。外壳3包覆于加热通道4外侧，感应线圈2缠绕于外壳。高频电流产生交变磁场在内部加热流道及外壳产生感应电流最终产生热量，使内部加热流道和/或外壳的内表面温度上升，当保护气流过时，加热保护气。
在一具体实施例中，上述制备加热通道和外壳的金属材料选自铁基金属材料、镍基金属材料、钛基金属材料或铝基材料的一种。
在一优选实施例中，基于三周期最小曲面结构增材制造的流体感应加热装置还包括，保温层1，保温层1包覆于外壳3外侧。保温层既用于对加热流道保温，也用于隔热，方式损失加热装置外的其他零件或设备等。
在一优选实施例中，基于三周期最小曲面结构增材制造的流体感应加热装置还包括流量、温度、压力检测器。具体的，流量检测器6设于加热通道4的流体入口5处，温度检测器7设于加热通道4的流体入口5处和/或流体出口9处，压力检测器8设于加热通道的流体入口5处和/或流体出口9处，用于检测加热流道的流量、温度及压力。所述流体一般包括气体和液体，优选为气体。
在一优选实施例中，如图7所示，加热通道截面一般为圆形、三角形、正方形、长方形、多边形或水滴形中的一种，加热通道一般为直线型或螺旋型。例如，图7中a为截面为圆形的螺旋型，b为截面为矩形的螺旋型，c为截面为三角形的螺旋型，d为截面为水滴形的螺旋型，e为截面为菱形的螺旋型，f为截面为六边形的螺旋型。
实施例2
流体感应加热装置的增材制造方法，步骤如下：
1)确认设计参数，加热通道选择截面为圆形的螺旋型流道，加热通道壁面厚度初始设定为1mm，内部三最小周期曲面选择G型(初始设定基本单元尺寸为5mm*5mm*5mm，)、初始设定外壳的厚度2mm；
2)采用matlab搭建加热通道的三维模型
3)对三维模型进行仿真计算，例如，流道中通过的是氩气，在流体仿真软件中设定好氩气的物性参数，如密度，比热等，根据实际条件设定边界条件，如进口流速、温度、压力等。特别地，本案例中设定的参数为流速20m/s，温度25℃，压力0.25MPa，出口压力为0.15MPa，根据仿真计算结果，修正某些温度、速度突出的区域；更进一步地，可适当修改上一步骤中的设计参数，重新仿真计算，对比不同仿真结果，选择给定工况下的最优设计参数，最终得到修正的三维模型；
4)将修正的三维模型导入增材制造前处理软件进行处理，采用Magics软件，具体包括：
4-1)切片过程具体包括：将三维结构从下到上的，按照设定的层厚，分割成一层一层的结构，再分解成一个一个的点，以便于激光实现从点到线，从线到面，从面到体的生成过程。
4-2)添加支撑，因为某些零件的部分是悬空结构，当其倾斜角度过大(一般是与Z轴方向角度大于45度时，)需要添加支撑结构，以保证成型。对于不同的材料，不同的打印参数，可以适当调整添加支撑的角度阈值；更进一步的，以工字型结构进行举例，由于工字结构两边为悬空结构(其角度可以认为是90°)，因此需要在中间添加支撑结构，以确保上部悬空部分制造成功。而支撑的种类和密度可根据不同材料和结构进行选择。
4-3)确定激光功率为200W，光斑直径为50μm，扫描速度为500-mm/s，扫描路径为Z字型，扫描间距为50μm，扫描层厚10μm。
4-4)得到打印文件
5)将打印文件导入增材制造机器，进行打印。
6)将打印完成的带有外壳的加热通道进行热处理，将打印完成的零件放入高温炉中，一般以材料熔点的0.5-0.6倍温度进行保温处理，保温时间从数小时到几十小时不等，得到带有外壳的加热通道零件。
7)在带有外壳的加热通道零件外缠绕感应线圈，感应线圈的一般为铜线或者铝线，缠绕密度可根据材料，线直径适当调整，高频电流一般在数十至数百kHZ，最后在感应线圈外包覆保温层，保温层材料一般为高温玻璃棉、硬质聚氨酯泡沫塑料、橡塑海绵、岩棉保温毡、聚乙烯等，保温层厚度适当调整，最终得到加热装置。
需要说明的是，本发明这种发明外部缠绕感应线圈、内部采用三周期最小曲面作为加热通道的装置，也可用于其他领域对其他流体进行加热；比如，化工生产、电力生产过程中对空气或水进行加热或预热。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种流体感应加热装置，其特征在于，包括加热单元和加热通道(4)；
所述加热单元设于所述加热通道(4)外，用于加热流经所述加热通道(4)内的流体；
所述加热通道(4)的内部结构为三周期最小曲面结构。
2.根据权利要求1所述的流体感应加热装置，其特征在于，所述加热单元包括感应线圈(2)；
所述加热通道(4)由金属材料制成；
所述感应线圈(2)设于所述加热通道(4)外侧，用于通入高频电流后产生热量。
3.根据权利要求2所述的流体感应加热装置，其特征在于，所述加热通道外设有外壳(3)，所述感应线圈(2)缠绕于所述外壳，所述外壳(3)由金属材料制成。
4.根据权利要求3所述的流体感应加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括保温层(1)；
所述保温层(1)包覆于所述外壳(3)外侧。
5.根据权利要求3所述的流体感应加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括如下技术特征的一项或多项：
A1、所述加热通道和/或外壳采用增材制造获得；
A2、流量检测器(6)，设于所述加热通道(4)的流体入口(5)处；
A3、温度检测器(7)，设于所述加热通道(4)的流体入口(5)处和/或流体出口(9)处；
A4、压力检测器(8)，设于所述加热通道的流体入口(5)处和/或流体出口(9)处；
A5、所述加热通道(4)的截面形状为圆形、三角形、正方形、长方形、多边形或水滴形中的一种；
A6、所述加热通道(4)为直线型或螺旋型。
6.根据权利要求1所述的流体感应加热装置，其特征在于，所述三周期最小曲面选自G型、D型、L型或S型中的一种；
其中，
G型结构的控制方程为：sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)＝c；
D型结构的控制方程为：cos(x)cos(y)cos(z)-sin(x)sin(y)sin(z)＝c；
L型结构的控制方程为：
[sin(x)cos(y)sin(z)+sin(y)cos(z)sin(x)+sin(z)cos(x)sin(y)]-[cos(x)cos(y)+cos(y)cos(z)+cos(z)cos(x)]＝c；
S型结构的控制方程为：
1.1[sin(2x)cos(y)sin(z)+sin(2y)cos(z)sin(x)+sin(2z)cos(x)sin(y)]-0.2[cos(2x)cos(2y)+cos(2y)cos(2z)+cos(2z)cos(2x))-0.4(cos(2y)+cos(2z)+cos(2x))＝c；
x、y、z为三维坐标系，c为常数。
7.根据权利要求3所述的流体感应加热装置，其特征在于，所述金属材料选自铁基金属材料、镍基金属材料、钛基金属材料或铝基材料的一种。
8.一种流体感应加热装置制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确认加热通道的设计参数；
S2、搭建加热通道的三维模型；
S3、修正三维模型；
S4、将修正的三维模型导入增材制造前处理软件进行处理，得到打印文件；
S5、将打印文件导入增材制造机器，进行打印，得到加热通道；
S6、加热通道经过热处理后，在加热通道外缠绕感应线圈，最后在感应线圈外包覆保温层，得到加热装置。
9.根据权利要求8所述的流体感应加热装置制造方法，其特征在于，包括如下技术特征的一项或多项：
B1、步骤S1中，设计参数包括：加热通道类型和截面形状、加热通道壁面厚度、加热通道内部三最小周期曲面的类型和尺寸、外壳厚度；
B2、步骤S2中，三维模型采用matlab、Grasshopper、UG或nTopology搭建；
B3、步骤S3中，对三维模型进行仿真计算，根据仿真计算结果对S1步骤的设计参数进行修正，得到修正的三维模型；
B4、步骤S4中，处理过程包括进行切片、添加支撑、确定激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描路径、扫描间距以及扫描层厚，得到打印文件。
10.根据权利要求8所述的加热装置的制备方法，其特征在于，步骤S4中，包括如下技术特征中的一项或多项：
C1、激光功率为200-400W；
C2、光斑直径为50-90μm；
C3、扫描速度为500-1200mm/s；
C4、扫描路径为Z字型或棋盘型；
C5、扫描间距为50-150μm；
C6、扫描层厚10-80μm。
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