CN114375350A - 带有可调节粒子射束的冷气喷射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生可调粒子射束(50)的冷气喷射设备(100)和一种用于控制这种冷气喷射设备(100)的方法。为了在持续运行期间针对性地控制冷气喷射设备(100)的粒子射束(50)，特别是为了在短期内使其关闭而建议，冷气喷射设备(100)具有使粒子射束(50)流出的喷嘴(110)，用于将粒子流(40)输入喷嘴(110)的进料装置(130)和一个或多个执行器(21，22，23)，所述执行器设计为使得粒子流(40)和/或粒子射束(50)在持续运行期间可以暂时减少，特别是暂时中断。

Description

带有可调节粒子射束的冷气喷射设备
本发明涉及一种用于产生可调粒子射束的冷气喷射设备以及一种控制这种冷气喷射设备的方法。
冷气喷射(英文：“Cold Spray”)(或称为冷喷涂)是一种将粉末形式的材料以非常高的速度施加到载体材料(基材)上的过程。为此，加热到几百度的过程气体(例如氮气)例如通过在拉瓦尔喷嘴中的膨胀加速到非常高的速度，即超音速，然后将粉末粒子注入气体射束中。注入的粉末粒子被加速到如此高的速度，使得其与其他热喷射工艺相比，即使没有事先部分熔化或完全熔化也可以在与基材撞击时形成致密且牢固粘附的层。
由于冷气喷射设备的热惯性，加速粒子的气体射束的流动参数不能突然改变。此外，突然关闭并再次打开一个或多个粉末输送机是不合适的，因为由于线路的长度，它们需要一段时间才能使输送再次平稳运行。粉末输送机在下文中也称为进料装置，用于供应粒子流(粉末流)。然而，构建的材料的品质在很大程度上取决于均匀的输送。换句话说，设备应该产生(喷射)尽可能均匀的粒子射束。
当通过冷气喷射在部件上涂层或在部件上增材制造时，粒子射束不足的可控性或粒子射束参数的不足的动力性会导致问题，例如在某些地方沉积了过多的材料，此外在那由于运动学限制，喷嘴必须比适合于当前粉末输送速率更慢地移动。
本发明所要解决的技术问题在于，在持续运行期间有针对性地控制冷气喷射设备的粒子射束，特别是在短时间内将其停用。
所述技术问题通过冷气喷射设备实现，如权利要求1中所述。用于产生可调节粒子射束的冷气喷射设备为此具有喷嘴，在冷气喷射设备的运行期间，粒子射束从喷嘴流出。粒子射束包括要沉积在要涂覆的基材上的粒子和推进气体。冷气喷射设备还具有进料装置，用于将粒子流送入喷嘴。在此,粒子流是粉末粒子组成的流，可用于喷嘴并在喷嘴中加速至超音速。因此，粒子流的速度远低于声速。粒子流形成为粒子-气体混合物，并且在此是输送气体与位于其中的固态粒子组成的两相流。
冷气喷射设备还具有一个或多个执行器，其中执行器如此设计，即粒子流和/或粒子射束可以在持续运行期间暂时减少。特别地，粒子流和/或射束也可以在短时间内中断。换句话说，执行器可以以这样的方式进行控制，即有时没有或至少只有很少的粒子从喷嘴流出。这可以有利地被用于，通过冷气喷射工艺创建复杂的结构。此外，这具有很大的优点，即不用于构建结构的粉末在空转时不会消耗，而是粒子流仅中断，因此可以节省粉末。暂时的中断或减小在此最多持续几秒钟，例如直到喷嘴经过了三维结构的空隙位置。优选地，中断的最大时间为1秒，特别是最大为0.5秒。
根据本发明，至少一个执行器被设计为阀。阀位于进料装置和喷嘴之间。借助阀，从进料装置到喷嘴的粒子流可以在短时间内中断或减少。所述阀在此设计成这样一种方式，输送气体流、即粒子流和其输送气体被导回到进料装置中。特别有利的是，冷气喷射设备具有一个系统，在该系统中进料装置与输送气体流处于相同的压力下。控制输送气体流的控制装置可以以这种方式保持，因为由于相同的反压力控制装置稍晚才会意识到，所述阀被关闭并且进而只会在稍晚才会被对应调节或者说闭环控制或对应调控或者说开环控制。在这种情况下，应定期打开阀，以便进料装置(例如粉末输送机)中的压力不会变得太大。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器连接在进料装置的下游。这可以如此实现，即执行器布置成使得通过进料装置不再将离子流输入喷嘴。执行器优选具有明显高于进料装置的动力性，其主要任务是提供尽可能恒定的粒子流。通过利用执行器的更高动力性，可以更细粒度地调节粒子流。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器被设计为阀，其布置方式使得粒子流被引导回进料装置。特别是，粒子流及其输送气体被引导回进料装置。如果粒子流被引导到处于压力下的粉末容器中，则这是有利的。该阀可以实现为球阀。以这种方式扩展现有设备特别有利。
在进一步的实施方式中，冷气喷射设备具有至少一个缓冲器，用于临时缓冲粒子流。缓冲器可以这样设计，使得粒子流或输送气体流连带粒子被缓冲，如果可能的话，同时保持相同的压力水平。例如，这里可以使用膨胀容器或压力补偿容器。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器被设计为在第一位置向喷嘴提供粒子流，并在第二位置将粒子流引导到缓冲器中。可行的是，不仅存在两个分离位置，而且存在中间位置，其中至少部分粒子流被引导到缓冲器中。为此目的可以提供相应的阀。具有相应执行器和缓冲器的解决方案的优点是可以通过这种方式对现有设备进行改造，因为可以通过缓冲器避免压力跳动。
在进一步的实施方式中，冷气喷射设备具有控制装置，其设计用于根据执行器之一的至少一个状态调节进料装置的输送速率。这具有很大的优点，即执行器不必处理完整的粒子流，但至少可以提供粒子流的减少。如果进料装置如此调整，即控制过程具有足够的动力性以确保尽可能连续的粒子射束，因此可以与执行器结合来实现粒子射束的粒子数量的非常高的动力性。
在进一步的实施方式中，冷气喷射设备具有至少一个控制装置，其设计用于根据喷嘴的至少一个行进速度调节进料装置的输送速率。进料装置的输送速度是输送装置每单位时间输送的粒子数的量度。因此，粒子流可以直接被影响。然而，由于这通常不能足够动态地进行以实现粒子射束的短期减小或中断，因此喷嘴的行进速度额外地被影响。当粒子流保持恒定和行进速度增加时，沉积在基材上一个地方的粒子数量减少。如果提高行进速度和同时降低输送速率，则可以达到接近粒子流或粒子射束短期减少或中断的效果。特别有利的是，控制装置可以根据执行器的状态以及喷嘴的行进速度构成输送速率。
在进一步的实施方式中，冷气喷射设备具有设计为缓冲器的粒子管路。如果只提供粒子流的短期中断，则可以不变地使用粒子管路。如果提供较长期的中断和更高的压力的相关缓冲，则可以使用稍微更强构造的粒子管路。通过这种方式，现有设备可以简单而有利地扩展。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器被设计成，喷嘴的行进速度根据粒子射束和/或粒子流的暂时的减小、尤其中断被调节。因此例如，可以设置机器人手臂，其相应地调整喷嘴的行进速度。特别是与其他执行器结合使用时，这是一个很大的优势。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器被构造为机械元件，其在粒子射束离开喷嘴后阻挡和/或偏转粒子射束。例如，这种机械元件可以构造为一种可以打开和关闭的挡板。作为备选或和/或补充，所述机械元件可以形成为筒或柱形元件，其具有允许射束穿过的通道，并且具有例如将射束引导至侧面的通道。其优点在于可以实现非常高的动力性，并且可以保证没有粒子撞击要涂覆的基材。这对于基材中特别敏感的部分特别有利，其在任何情况下都不能被粒子射束击中。
所述技术问题还通过一种控制冷气喷射设备的方法解决，该冷气喷射设备根据如上所述的按照本发明的设备形成。对于冷气喷射设备的运行，在持续运行期间控制至少一个执行器以至少暂时的减少，特别是至少暂时中断粒子流和/或粒子射束。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器根据喷嘴的行进速度被控制。这允许通过调整行进速度来精确调整粒子射束或到达基材上的粒子量。
在进一步的实施方式中，至少一个执行器根据进料装置的输送速率被控制。这具有很大的优点，即通过输送速率也可以同时控制执行器，因此输送速率控制器可用于控制执行器。
在进一步的实施方式中，进料装置的输送速率根据至少一个执行器的状态被控制。例如可以考虑，如果粒子流的路径被执行器阻挡或节流，进料装置的输送速率被平行节流，并相应地在执行器前重新打开之前再次增加，从而可以避免设备中的压力跳跃，并且可以为尽可能均匀的粒子射束提供尽可能均匀的粒子输送。
在这一点上，应该注意的是，不同的方法可以相互组合，并且可以相互补充。上述各种执行器还可以相互组合，以获得特别动态的和良好控制的设备，以获得控制替代方案和/或在控制冷气喷射设备时实现储备。
在下文中，本发明在附图所示实施例的基础上进行了更详细的描述和阐释。在附图中：
图1示出冷气喷射设备，
图2示出另一冷气喷射设备，
图3示出执行器和
图4示出另一个执行器。
图1示出了带有喷嘴110的冷气喷射设备100，其中粒子射束50从中流出。推进气体在压力下从气体源20通过气体管路12输入喷嘴110。此外，粒子流40通过粒子管路13A输入到喷嘴110。进料装置130具有粒子存储器131，并且经由粒子管路13与执行器21连接。执行器21有两个位置A和B。例如，执行器21可以设计为阀。在位置A中，粒子流40经由粒子管路13A不变地引导至喷嘴110。在位置B中，粒子流40通过粒子管路13B引导到缓冲器180中。在位置B中，粒子流40在喷嘴110的方向上如此被减小或被阻碍，使得粒子射束50具有较少数量粒子或不再具有粒子。
作为示例，冷气喷射设备100具有控制装置CTRL。控制装置CTRL被设计并集成到设备中，使得其可以设置进料装置130的速率。例如，这可以通过滚筒输送机的转速来完成。此外，控制装置CTRL连接到执行器21并且可以控制执行器21。因此，可以考虑，控制装置CTRL相互分开地控制执行器21或进料装置130。
在只需要对粒子射束50进行轻微调整的情况下，这可以是有利的。此外，可以想象，控制装置CTRL共同地和相互协调地控制执行器21和进料装置130。
作为补充，还可以提供另外的执行器22和23，如图2和图3所示，这些也可以由控制装置CTRL控制。
图2示出了基于图1实施例的冷气喷射设备100。在缓冲器180之后，又设置了另外的粒子管路13C，该管路连接到粒子存储器131，并因此引回累积的气体和未使用的粒子。由于粒子存储器131也可以处于压力下，处于近似相同压力下的输送气体连带粒子可以通过粒子管路13C被引回到粒子存储器131。缓冲器180也可以省略，并且粒子管路13B和粒子管路13C可以直接相互连接。例如这种情况可以是，管路13B和13C的管路长度足够和/或所需的中断时间较短。管路长度、必要时结合附加的缓冲器180有利地在足够断的中断时长中导致了，在粉末输送回路中不会出现干扰的压力调节波动，因此由粉末输送系统或其调节器对颗粒喷射到喷嘴中的抑制可以不被察觉。
图3示出了执行器22，其在这种情况下被设计为一种隔板，例如作为具有一个或多个缺口的圆形隔板。通过借助于旋转驱动器220的旋转，可以调节执行器22，使得从喷嘴110中射出的粒子射束不会碰到基材。需要说明的是，该图只是示意图，设计为机械元件的执行器22也可以更紧凑地实现。
图4示出了执行器23的类似方案，其在这里设计为筒并且具有偏转通道230。偏转通道将粒子射束从喷嘴110引导出聚焦区域，因此同样具有粒子射束可以短时间中断的效果。作为偏转通道230的替代或补充，可以在筒或柱形执行器23中设置盲孔，其设计用于短期容纳粒子射束及其粒子。
总之，本发明涉及一种用于产生可调粒子射束的冷气喷射设备(100)和一种用于控制这种冷气喷射设备(100)的方法。为了在持续运行期间针对性地控制冷气喷射设备(100)的粒子射束(50)，特别是为了在短期内使其关闭而建议，冷气喷射设备(100)具有使粒子射束(50)流出的喷嘴(110)，用于将粒子流(40)输入喷嘴(110)的进料装置(130)和一个或多个执行器(21，22，23)，所述执行器设计为使得粒子流(40)和/或粒子射束(50)在持续运行期间可以暂时减少，特别是暂时中断，其中执行器(21，22，23)中的至少一个设计为阀，所述阀布置在进料装置(130)和喷嘴(110)之间。
附图标记清单：
气体源 20
气体管路 12
粒子管路 13、13A、13B、13C
粒子流 40
粒子射束 50
冷气喷射设备 100
喷嘴 110
进料装置 130
粒子存储器 131
执行器 21、22、23
驱动器 220
偏转通道 230
开口 240
第一位置 A
第二位置 B
缓冲器 180
控制设备 CTRL

Claims (14)

1.一种用于产生可调节粒子射束(50)的冷气喷射设备(100)，所述冷气喷射设备(100)具有使粒子射束(50)流出的喷嘴(110)、用于将粒子流(40)输入喷嘴(110)的进料装置(130)和一个或多个执行器(21，22，23)，所述执行器设计为使得粒子流(40)和/或粒子射束(50)在持续运行期间能够暂时减少，尤其暂时中断，其中执行器(21，22，23)中的至少一个设计为阀，所述阀布置在进料装置(130)和喷嘴(110)之间。
2.按照权利要求1所述的冷气喷射设备(100)，其中，至少一个执行器(21，22，23)连接在进料装置(130)的下游。
3.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，其中，至少一个执行器(21，22，23)被设计为阀，所述阀布置成使得粒子流(40)被引导回进料装置(130)。
4.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，冷气喷射设备具有至少一个缓冲器(180)，缓冲器设计用于临时缓冲粒子流(40)。
5.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，执行器(21，22，23)的至少一个被设计为在第一位置(A)向喷嘴(110)输入粒子流(40)，并在第二位置(B)将粒子流传导到缓冲器(180)中。
6.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，冷气喷射设备具有控制装置(CTRL)，其设计用于根据执行器(21，22，23)之一的至少一个状态调节进料装置(130)的输送速率。
7.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，冷气喷射设备具有控制装置(CTRL)，其设计用于根据喷嘴(110)的至少一个行进速度的调节进料装置(130)的输送速率。
8.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，其中，粒子管路(13，13A，13B)设计为缓冲器(180)。
9.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，其中，执行器(21，22，23)的至少一个被设计为，喷嘴(110)的行进速度能根据粒子射束(50)和/或粒子流(40)的暂时的减小、尤其中断被调节。
10.按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)，其中，至少一个执行器(21，22，23)被构造为机械元件(23,24)，机械元件在粒子射束离开喷嘴(110)后阻挡和/或偏转粒子射束(50)。
11.一种控制按照前述权利要求任一项所述的冷气喷射设备(100)的方法，其中，通过进料装置(130)提供粒子流(40)，其中，至少一个执行器(21，22，23)在持续运行期间被控制成至少暂时减少，特别是至少暂时中断粒子流(40)和/或粒子射束(50)。
12.按照权利要求11所述的方法，其中，执行器(21，22，23)的至少一个根据喷嘴(110)的行进速度被控制。
13.按照权利要求11或12所述的方法，其中，至少一个执行器(21，22，23)根据进料装置(130)的输送速率被控制。
14.按照权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，进料装置(130)的输送速率根据至少一个执行器(21，22，23)的状态被控制。
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