CN114929426A - 一种材料输送装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料输送装置。根据本发明的用于材料处理装置的材料输送装置具有材料输送通道，在材料输送装置的操作过程中，该材料输送通道具有面向处理位置的输出端，并且其特征在于，材料输送装置具有至少一个微通道。

Description

一种材料输送装置

具体实施例

本发明涉及一种材料输送装置。特别地，本发明涉及一种用于材料处理方法的材料输送装置，例如用于输送填充材料。

材料处理方法可以例如是激光材料处理方法。在许多激光材料加工方法中(例如切割、焊接、堆焊、锡焊)，实际材料或填充材料必须被输送到处理位置，以便提供填充材料或通过气体的手段影响过程。这些方法包括，例如，激光焊接(硬质焊接和软质焊接)、塑料焊接、金属材料焊接、由金属、陶瓷或塑料制成的层的应用、由金属、塑料或陶瓷制成的生成结构、激光束切割、激光束固化、激光束合金化、激光束分散、命名为最重要的结构。然而，在材料加工方法中不绝对需要使用激光束；材料处理方法的另一个例子可以是电弧焊。

例如，在生成式制造中，此类材料必须被输送。这里和下文中，术语“材料”和“填充材料”将被同义地使用，并且在每种情况下指定被输送或必须被输送到处理位置的材料。该材料可以以固体，液体或气体形式供应。在固体形式中，它主要是丝或粉末。

用于执行材料处理方法的材料处理装置是公知的。它们可以具有至少一个能量产生装置，例如用于连接冷却介质和保护气体的激光器，以及用于这些介质的传导装置，并且还具有用于将材料输送到处理位置的输送装置。这种装置通常具有处理头，在该处理头面向处理位置的一侧具有喷嘴型几何结构。通常由于惰性气体可以通过处理头的喷嘴型几何结构被输送到处理位置，所以处理头的该部分也被称为惰性气体喷嘴。其中材料从侧面输送的材料处理装置也是已知的。然而，由于其尺寸，这种布置在处理位置附近是相当麻烦的。此外，这种布置是不对称的，从而如果输送方向跟随工件的轮廓而改变，则处理头的旋转成为必须。该处理头具有材料输送装置、用于光束引导和成形的光学系统、可能还具有冷却装置以及惰性气体进给装置。否则，该过程取决于方向。

如果材料被集中地输送，例如，相对于处理头的纵向轴线，激光束(如果有的话)必须被分开，使得中心轴变成或保持自由供料。材料必须被输送到处理位置，即激光束照射到基板上的位置。通常，各个处理头具有喷嘴的形状，输送的材料以及激光束和任何保护气体和任何待输送的冷却介质都被引导从而通过处理头。必须具体化这些部件，并且必须传导激光束，使得不会损害光束引导，特别地，使得光束被遮挡或不被遮挡。从德国专利DE102007018400B4中，已知一种光学系统和一种相应的处理头，通过该光学系统和处理头，可以将材料轴向地引导到处理位置，而激光束被分成环形形式并且可以被同轴地引导到处理位置。

在该激光材料处理过程中，由于来自光学系统的散射辐射、来自该处理的热辐射和反射的激光辐射，材料输送装置会变热。如果还要在工件难以接近的部位进行激光材料加工，则喷嘴必须相应地小。处理头中的可用空间的限制通常允许在不直接冷却的情况下进行轴向材料输送。材料输送装置的变热导致由于系统故障而导致的处理中断。以这种方式不可能实现更长的处理时间或使用更大的激光功率，例如为了提高施用率所必需的。例如，在激光功率小于1000W且处理时间大于15分钟时，材料输送装置会过热。

现在，激光堆焊的过程以规则的间隔中断，以及观察冷却时间，以避免材料输送装置的损坏和/或材料输送装置的过热以及材料输送中的相关问题。或者，可以增加材料输出开口和加工平面之间的操作距离，然而，这导致填充材料对焊池的引导不太精确，并因此导致处理的不稳定性。例如，对于直径小于大约0.8mm的线状材料，不希望增加操作距离，因为将不再保证材料相对于焊池的精确引导和定位。

已知的是，提供用于具有水冷的电弧焊接工艺的焊接喷枪。然而，水冷的尺寸需要大约25mm或更大的外径，这不允许水冷集成在具有轴向材料输送的小型化处理头中；也就是说，它们需要大幅扩大处理头，使其可接近性大大降低，这是不利的。使用传统的制造方法，外径为8毫米或更小的进料喷嘴无法集成水冷。

本发明的任务是公开一种用于执行激光材料处理方法的材料输送装置，其最小化现有技术的所述缺点。另一个任务是公开一种用于这种材料输送装置的制造方法。

第一项任务通过根据独立权利要求1所述的材料输送装置来实现。材料输送装置的有利的进一步改进从权利要求2至10中得出。本发明的第二个任务是通过根据独立权利要求11的制造方法实现的。制造方法的有利的进一步改进从权利要求12中得出。

根据本发明的材料输送装置，用于材料处理装置，该材料输送装置具有供料通道，在操作该材料输送装置时，供料通道的输出端面向处理位置；其特征在于，所述材料输送装置具有至少一个微通道。

以下将解释一些术语：

在本文中，材料处理装置中使用的材料输送装置被理解为可以将材料输送到基板上的处理位置的装置。特别地，材料输送装置可以用在使用激光材料处理方法的材料处理装置中。

用于执行材料处理方法的材料处理装置是公知的。它们可以具有至少一个能量产生装置，例如激光器，以及用于连接冷却介质和保护气体的端口，以及用于这些介质和光束的传导装置，此外还有将材料输送到处理位置的输送装置。这种装置通常具有处理头，该处理头在其面对处理位置的一侧上具有惰性气体喷嘴。其中材料从侧面输送的材料处理装置也是已知的。在这种横向传输中，传输轴相对于光束引导件的轴具有大于0°小于90°的角度。然而，由于其尺寸，这种布置在处理位置附近是相当麻烦的。此外，这种布置是不对称的，从而如果输送方向跟随工件的轮廓而改变，则处理头的旋转成为必须。该处理头具有材料输送装置、用于光束引导和成形的光学系统、可能还具有冷却装置以及惰性气体进给装置。否则，该过程取决于方向。

如果材料被集中地输送，例如，相对于加工头的纵轴轴向地，激光束(如果有的话)必须被分开，使得中心轴对于材料输送来说变成自由的。材料必须被输送到处理位置，即激光束照射到基板上的位置。通常，各个处理头具有喷嘴的形状。例如，惰性气体喷嘴，输送的材料以及激光束和任何保护气体以及任何待供应的冷却介质被引导通过处理头，特别是惰性气体喷嘴。这些部件必须被具体化，并且激光束必须被传导，以使得光束传导不被削弱，特别地，使得光束被遮挡或不被遮挡。

术语激光材料处理方法应理解为其最广泛的含义，包括所有材料处理方法，例如使用激光束来切割、焊接、堆焊、焊接。激光束是具有高强度的电磁波，通常频率范围非常小，光束聚焦能力强，相干长度大。材料可以以固体或液体形式或作为气体进料。在固体形式中，材料通常是线状或粉末状。

在本文中，术语材料输送通道表示材料可通过其输送到处理位置的通道。材料输送通道可以具有任何横截面，包括环形横截面。

本文中的术语光通道特别指激光束可通过其传导到处理位置的通道。光通道可以具有任何横截面，包括环形横截面。

处理位置是基板上进行处理的位置。处理位置可以是点状的或者是一个区域。

在本文中，微通道被理解为具有非常小的横截面的管状通道，例如10^-2mm²。微通道可以是部分或完全环形的，椭圆形的，多边形的，螺旋的或直的。本公开还使用多个微通道，其中包括各种未互连的微通道以及各种互连的微通道或螺旋微通道的不同绕组。微通道可以体现为双壁通道，例如以通道套通道的形式和/或螺旋通道。

作为一般规则，需要指出的是，在本文的框架内，不定数字“一个”,“两个”等通常不应理解为意指“正好一个”,“正好两个”等，而是不定冠词。使用表述“一个……”、“两个……”等表达方式的陈述应被理解为意指“至少一个……”、“至少两个……”等，除非从相应的上下文中清楚地看出仅“恰好一个”、“恰好两个”等可以被推测。如果独立权利要求提及“至少一个”，这并不意味着从属权利要求中提到的“一个……”、“两个……”等必然表示恰好一个、恰好两个等。

在本专利申请的框架内，表述“特别是”总是被理解为引入了任选的，优选的特征。该表述不应理解为“即”。

在一个优选的实施方案中，至少在一个位置，所述至少一个微通道的壁厚小于0.5mm，优选小于0.3mm，特别优选小于0.2mm。微通道受到壁的限制。该壁可以形成到材料输送装置外部或另一个通道的边界。该其它通道可以是附加的微通道、材料输送通道或光通道。它也可以是螺旋微通道的附加绕组。

微通道的低壁厚允许材料输送装置具有非常小的结构尺寸，这仍然允许例如温度调节。

在另一个优选实施例中，所述至少一个微通道连接到冷却剂源。该应用可以是例如具有温度控制器的泵，以便为了有效的温度控制，温度控制介质，例如水或传热油，可以在限定的温度和限定的体积流量和/或压力下通过至少一个微通道输送。

在一个特别优选的实施方案中，所述至少一个微通道具有集成的支撑件。支撑件可以在流过微通道的温度控制介质中引起湍流或湍流的增加，从而确保优化的热传递。此外，支撑件还可以有助于提供微通道和材料输送装置的机械稳定性。

已经证明，如果用于冷却的至少一个微通道确保温度控制介质正向流动和温度控制介质返回流动，则是特别有效的。这确保了材料输送装置的温度控制的有效性。

在另一个有利的实施例中，材料输送装置具有带螺纹的区域，该区域用于接收喷嘴头并将其固定在适当的位置，并且微通道至少在除了螺纹区域之外穿过材料输送装置。通过增加微通道通过的材料输送装置的面积，优化了材料输送装置的温度控制。由于螺纹的设置，经常受到磨损的喷嘴尖端可以容易地被更换。

在另一个有利的实施例中，在至少一个微通道中提供测量传感器。微通道不仅用于通过温度控制介质，而且用于引入测量传感器。这种测量传感器可以例如是，用于监测材料输送温度的温度传感器、用于记录焊接熔池温度和/或用于过程控制的光纤、用于距离测量的传感器，例如用于OCT(光学相干层析成像，一种从散射材料中以微米分辨率接收二维和三维图像的成像方法)的光纤断层扫描或用于监测材料输送的测量传感器。通过引入这种测量传感器，可以非常接近材料输送装置内部的感兴趣部位和/或接近加工部位地监测过程参数，而不会显著改变材料输送装置的尺寸。

或者或另外，填充材料影响装置可以设置在至少一个微通道中。这种影响装置例如可以是用于预加热填充材料的装置，例如感应预热单元。通过预热待输送的材料，例如可以提高材料(例如填充材料)的施用率。通过在微通道中引入材料影响装置，可以接近填充材料影响装置，例如，非常接近材料输送通道，特别是非常接近加工位置，从而可以以目标方式高精度地影响填充材料。

已经证明，如果材料输送装置的制造方法来自增材制造的方法类别，则是有利的。“附加制造”表示一种过程，其中基于数字3D构造数据，通过材料的沉积逐层构建部件。术语“3D印刷”今天经常用作增材制造的同义词。然而，“增材制造”更好地描述了该方法明显不同于常规的磨料制造方法。代替例如从固体块铣削工件，附加制造由例如以细粉或细线的形式可获得的材料逐层形成部件。这些材料可以是不同类型的金属，塑料和复合材料。通过使材料输送装置逐层地构建结构，可以产生几何形状，特别是微通道，其根本不能或者仅通过常规的制造方法大量地产生。

已经证明用于制造方法的特别有利的技术是激光粉末基板熔合(LPBF)技术。利用这种技术，待处理的材料作为粉末以薄层形式施加在基板上。通过激光照射，粉末材料局部完全熔化，固化后形成刚性材料层。随后，将基板降低一层厚度的量并重新施加粉末。重复该循环直到所有层都已经重新熔化。将成品部件从过量的粉末中清洁，根据需要进行处理或直接使用。对于所有材料，用于构成部件的典型层厚度在15到500μm之间。用于引导激光束的数据通过软件从3D CAD主体产生。在第一计算步骤中，将部件分成单独的层。在第二计算步骤中，为每个层创建由激光束跟踪的路径。为了避免材料被氧气污染，该方法通常在惰性气体气氛下与氩气或氮气一起进行。用LPBF制造的部件的特征在于高比密度99％。以这种方式，保证了所生产的部件的机械性能很大程度上对应于基础材料的机械性能。

要明确指出的是，所指示的所有数值不应理解为确切的值，而是在不背离本发明的所述方面的情况下，实际值在工程规模上可以更高或更低。

通过附图，从从属权利要求和下面给出的优选实施例的例子，本发明的其它优点，特性和有用的进一步改进将变得清楚。

附图说明

图1示出了材料处理装置的处理头；

图2是根据本发明的材料输送装置的三维示意图；

图3是根据本发明的材料输送装置的一个实施例的纵向剖视图；

图4是根据本发明的材料输送装置的另一个实施例的纵向剖视图；

图5是根据本发明的材料输送装置的放大横截面图。

图1示出了材料处理装置的处理头200。处理头200具有根据本发明的材料输送装置100，该材料输送装置100具有材料输送通道110。在材料处理装置中使用的根据本发明的材料输送装置具有材料输送通道100，该材料输送通道100具有在材料输送装置100的操作期间面向处理位置的输出端111。通过材料输送装置100，可以将材料输送到基板上的处理位置。材料处理装置用于执行材料处理方法，例如激光焊接方法。处理头200具有用于激光束的引导装置。该引导装置具有用于激光束的偏转单元215，例如反射镜和/或棱镜，聚焦透镜210以及具有惰性气体通道235的惰性气体喷嘴230。通过惰性气体通道235，惰性气体被输送到处理位置。惰性气体通过暂时地使处理位置不与氧气接触来分别防止在处理时热的基板或供应的材料的结垢。在所示的实施例中，材料在中心，例如，相对于处理头200的纵向轴线轴向地输送到处理位置。为此目的，如果使用一个或多个激光束，则激光束必须被分割，使得中心轴变得自由或保持自由以用于材料输送。为了实现这一点，必须具体化处理头中的所有部件，即，特别是材料输送装置100，并且必须在光通道220(在实施例中在激光束环220中示出)中传导激光束，使得光束引导不受损害，特别是使得光束不被遮挡。材料输送通道110在其与处理位置相对的端部处具有可更换的材料喷嘴(未示出)。该材料喷嘴例如可以拧入材料输送通道110中。在操作过程中，由于在处理头200的操作过程中材料输送通道110的该端受到的热负荷，在材料输送通道110的与处理位置相对的端部处发生磨损。当磨损超过临界极限时，可更换材料喷嘴可以容易地更换。材料可以以固体，液体或气体形式输送。在固体形式中，它通常是线状或粉末状。例如，如果输送的材料具有金属丝的形式，则磨损会导致在输出端111处的材料输送通道110的直径增大，从而降低金属丝引导的精度。

图2是根据本发明的材料输送装置100的三维示意图。材料输送装置100具有连续的材料输送通道110，通过该进料通道将材料输送到处理位置。此外，材料输送装置100具有介质连接端口130。通过这些介质连接端口130，例如冷却介质，例如水，可以被导入和导出材料输送装置100。介质连接端口130位于材料输送装置100的端部，在处理头200的操作期间，该材料输送装置100与处理位置相对。此外，材料输送装置100具有用于材料喷嘴(未示出)的连接端口120，在处理头200的操作过程中，该连接端口120设置成旋入材料输送装置100的面向处理位置的端部。此外，在图中可以看到连接件150，材料输送装置100附接到该连接件150上，出于制造的原因，材料输送装置100具有两部分结构。材料输送装置100通过增材制造方法制造。如果要在增材制造设备中制造的零件尺寸有限，则材料输送装置100可以被制造成两个或更多个部件，并且可以被组装成在一个或多个连接件150处操作。材料输送装置100也可以一体制造，但是，需要可以获得相应的增材制造设备。

图3是根据本发明的材料输送装置100的一个实施例的纵向剖视图。如图2所示，可以看到用于材料喷嘴的介质连接端口130和连接端口120，为了清楚地显示，在该图中省略了螺纹的显示。材料输送装置100具有连续的材料输送通道110。此外，材料输送装置100具有几个介质通道131，它们可操作地连接到介质连接端口130。例如，冷却介质，例如水，可以通过介质口130导入介质通道131。介质通道131被实施为微通道131，即具有非常小的横截面的管状通道，例如10^-2mm²。微通道131可以是部分或完全环形的、椭圆形的、多边形的、螺旋的或甚至是直的。几个微通道131可以包括不相互连接的各种微通道131和各种相互连接的微通道131或螺旋微通道131的不同绕组。微通道131也可以体现为双壁通道，例如通道套通道和/或螺旋通道。微通道131受到壁的限制。壁可以形成到材料输送装置100外部或另一通道的边界。该其它通道可以是附加的微通道131、材料输送通道110或光通道220。附加微通道131也可以是螺旋微通道131的附加绕组。每个微通道131可以具有至少在一个位置小于0.5mm，优选小于0.3mm，特别优选小于0.2mm的壁厚。微通道131的低壁厚允许材料输送装置100具有非常小的结构尺寸，这样，无论如何都允许例如温度调节。至少除了用于将材料喷嘴(图中未示出)拧到适当位置的螺纹区域之外，微通道131穿过材料输送装置100。通过增加微通道131通过的材料输送装置100的面积，优化了材料输送装置100的温度控制。还可以将测量传感器引入靠近材料输送通道110的材料输送装置100的一个或多个微通道131中。这种测量传感器可以例如是，用于监测材料输送的温度的温度传感器、用于记录焊接熔池温度和/或用于过程控制的光纤、用于距离测量的传感器，例如用于OCT(光学相干层析成像，一种从散射材料中以微米分辨率接收二维和三维图像的成像方法)的光纤断层扫描或或用于监测材料输送的测量传感器。通过引入这种测量传感器，可以非常接近材料输送装置100内部的感兴趣部位和/或接近加工部位地监测过程参数，而不会显著改变材料输送装置100的尺寸。

或者或另外，填充材料影响装置可以设置在至少一个微通道131中。这种影响装置可以例如是用于预热填充材料的装置，例如感应预热单元。通过预热待输送的材料，可以例如提高材料(例如填充材料)的施用率。通过在微通道131中引入材料影响装置，填充材料影响装置可以接近，例如，非常接近材料输送通道110，特别是非常接近加工位置，从而可以以目标方式以高精度影响填充材料。

材料输送装置100通过增材制造方法制造。通过分层构造材料输送装置100，可以制造诸如上述微通道100之类的几何形状，而传统制造方法根本无法制造或只能费很大力气制造这些几何形状。

图4示出了根据本发明的材料输送装置100的另一个实施例的纵向剖视图。微通道131具有集成的支撑件132或多个这样的支撑件132。支撑件132可以确保流过微通道131的温度控制介质中的湍流或湍流的增加，从而确保优化的热传递。此外，支撑件132还可以有助于微通道131和材料输送装置100的机械稳定性。

图5是图4的根据本发明的材料供给装置100的放大截面。在该放大部分中，支撑件132更容易看见。支撑件132被应用在内部，即微通道131面向材料输送通道110的一侧。然而，支撑件132也可以布置在微通道131内的任何其它位置。

这里所示的实施例仅仅是示例性的，因此不是为了限制。本领域技术人员所考虑的替代实施例同样包括在本发明的保护范围内。

参考数字列表：

100 材料输送装置

110 材料输送通道

111 输出端

120 用于材料喷嘴的连接端口

130 介质连接端口

131 介质通道、微通道

132 支撑件

150 连接件

200 处理头

210 聚焦透镜

215 偏转单元

220 光通道、激光束环

230 惰性气体喷嘴

235 惰性气体通道

Claims (12)

1.一种在材料处理装置中使用的材料输送装置，所述材料输送装置具有至少一个材料输送通道，所述材料输送通道具有输出端，所述输出端在所述材料输送装置的操作期间面向处理位置，其特征在于，所述材料输送装置具有至少一个微通道。

2.根据权利要求1所述的材料输送装置，其特征在于，所述材料输送装置具有中心材料输送通道。

3.根据权利要求1所述的材料输送装置，其特征在于，所述材料输送装置具有材料输送通道，所述材料输送通道相对于激光束引导件的轴以大于0°小于90°的角度横向设置。

4.根据上述权利要求中任一项所述的材料输送装置，其特征在于，所述至少一个微通道至少在一个位置具有小于0.5mm，优选小于0.3mm，特别优选小于0.2mm的壁厚。

5.根据上述权利要求中任一项所述的材料输送装置，其特征在于，所述至少一个微通道连接到冷却剂供应源。

6.根据权利要求5所述的材料输送装置，其特征在于，所述至少一个微通道具有集成的支撑件。

7.根据权利要求5或6所述的材料输送装置，其特征在于，所述至少一个微冷却通道确保温度控制介质正向流动和温度控制介质返回流动。

8.根据上述权利要求中任一项所述的材料输送装置，其特征在于，所述材料输送装置具有带螺纹的区域，用于接收喷嘴尖端并将所述喷嘴尖端固定在适当的位置，并且所述微通道至少在除了螺纹区域之外穿过所述材料输送装置。

9.根据上述权利要求中任一项所述的材料输送装置，其特征在于，在至少一个微通道中提供测量传感器。

10.根据上述权利要求中任一项所述的材料输送装置，其特征在于，材料影响装置设置在至少一个微通道中。

11.材料输送装置的制造方法，其特征在于，所述制造方法来自增材制造方法的方法类别。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法使用激光粉末基板熔合技术。

Images