CN115070065A - 一种冷却装置及电子束增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却装置及电子束增材制造设备，该冷却装置包括冷却管和循环模组，冷却管成多排多列分布，每个冷却管内均具有进气通道和回气通道，进气通道的第一端和回气通道的第一端连通，循环模组包括气体供给件和冷源件，冷源件与进气通道的第二端相连，气体供给件与回气通道的第二端相连。冷却管穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，且冷却管的一端伸入成型室，另一端位于成型室的外侧且与气体供给件及冷源件相连。该冷却装置的降温速率较快，能够较好地解决成形零件粉堆冷却降温速率慢的问题。

Description

一种冷却装置及电子束增材制造设备

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种冷却装置及电子束增材制造设备。

背景技术

电子束增材制造技术是一种以高能量密度的电子束在高真空环境下以逐层熔化金属粉末的方式直接制造工件的技术，具有能量利用率高(＞95％)、成形速度快、成形精度高、综合力学性能好等优点，特别适合于轻量化减重结构、复杂内腔(内流道)结构、结构功能一体化零件等的设计及快速制造，能够大幅降低复杂结构件的重量、制造时间和成本，实现新型功能、异形结构零件的柔性制造。相对于传统的通过车铣刨磨等机械加工手段去除材料，将毛胚件切削成产品的减材制造方法，增材制造方式在材料利用率、制造便捷性及制造成本方面均具有明显的优势，在航空航天、生物医疗、汽车、模具等领域具有广阔的应用前景。金属粉末具有很高的熔点，如果直接采用较高能量密度的电子束对粉末床进行熔化，金属粉末则会在电子束的作用下发生溃散，离开预先的铺设位置，即发生“吹粉”现象。与此同时，电子束形成的高温熔池的温度与粉床的基础温度存在较大温差，会导致热应力的产生，当热应力水平超过材料的许用强度时，零件会发生翘曲甚至开裂。因此，电子束增材制造过程中，需要通过电子束对粉末床进行预热处理。但是，零部件制备完成后，粉末床的温度很高，严重影响了设备的加工生产效率。

传统的电子束增材制造设备主要通过成型室金属结构的热传导的方式进行冷却降温。为了防止粉末在高温环境下发生氧化，同时加快冷却速度，设备成形后会通入大量惰性气体，通过惰性气体的热传导、热对流方式加速成形室的冷却。然而此种降温方式虽然简单，但是降温效率极低。零件成形后，成形零件粉堆的温度约为500℃～600℃，借助惰性气体的作用，该粉堆温度降至100℃以下需要耗费约8小时，而随着零件高度的增加，即成形零件粉堆高度的增加，降温冷却时间会成倍增加，严重影响设备的加工效率。

发明内容

本发明的第一个目的在于提出一种冷却装置，该冷却装置的降温速率较快，能够较好地解决成形零件粉堆冷却降温速率慢的问题。

本发明的第二个目的在于提出一种电子束增材制造设备，该电子束增材制造设备在零部件制备完成后能够实现快速冷却，从而提升了电子束增材制造设备的加工效率。

为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种冷却装置，包括：冷却管，所述冷却管成多排多列分布，每个所述冷却管内均具有进气通道和回气通道，所述进气通道的第一端和所述回气通道的第一端连通；循环模组，所述循环模组包括气体供给件和冷源件，所述冷源件的换热出口与所述进气通道的第二端相连，所述气体供给件的回气口与所述回气通道的第二端相连；其中；所述冷却管穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，且所述冷却管的一端伸入所述成型室，另一端位于所述成型室的外侧且与所述气体供给件及所述冷源件相连。

在一些实施例中，所述循环模组还包括进气管，所述进气管包括进气总管和设在所述进气总管上的多个进气分支管路，所述进气总管与冷源件的换热出口相连，多个所述进气分支管路与多个所述进气通道一一对应相连。

在一些具体的实施例中，所述进气分支管路上设有气体流量调节阀和气体流量检测器。

在一些实施例中，所述循环模组还包括回气管，所述回气管包括回气总管和设在所述回气总管上的多个回气分支管路，所述回气总管与气体供给件的所述回气口相连，多个所述回气分支管路与多个所述回气通道一一对应相连。

在一些实施例中，所述进气通道和所述回气通道构成U型流道，且所述U型流道的截面为圆形。

在一些实施例中，所述冷却管伸入所述成型室的一端的端面为弧面。

在一些实施例中，所述气体供给件包括空气压缩机。

在一些实施例中，所述冷却管包括相互拼接的两个子管，其中一个所述子管的一端伸入所述成型室，另一个所述子管的一端位于所述成型室的外侧，且两个所述子管中的一个上设有控制阀，所述控制阀用于控制所述进气通道和所述回气通道的通断。

本发明还公开了一种电子束增材制造设备，包括前文所述的冷却装置及成型装置。

在一些实施例中，所述成型装置包括：成型框架，所述成型框架限定出所述成型室，所述成型框架的一个侧壁上设有多个与所述冷却管配合的穿孔；成型支撑板，所述成型支撑板沿上下方向可活动地设在所述成型室内；成型平台，所述成型平台通过多个升降结构支撑在所述成型支撑板上。

本发明的冷却装置的有益效果：由于冷却管穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，且冷却管内具有进气通道和回气通道，冷却管内的气体能够实现循环运动，大大提升了冷却管对成型室的降温速率，使得该冷却装置能够较好地解决成形零件粉堆冷却降温速率慢的问题；在实际工作过程中还可以根据打印零件尺寸的大小，以及打印零件在成形平台上的分布位置，控制冷却管插入的数量和深度，使得该冷却装置能够根据零件的大小以及形状进行调整，从而实现冷却效果最优的功能。

本发明的电子束增材制造设备的有益效果：由于具有前文所述的冷却装置，该电子束增材制造设备在零部件制备完成后能够实现快速冷却，从而提升了电子束增材制造设备的加工效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例的电子束增材制造设备的结构示意图。

图2是本发明实施例的冷却装置的结构简图；

图3是本发明实施例的冷却管的局部结构示意图。

附图标记：

1、冷却管；11、进气通道；12、回气通道；

2、循环模组；21、气体供给件；22、冷源件；23、进气管；231、进气总管；232、进气分支管路；24、回气管；241、回气总管；242、进气分支管路；

3、成型装置；31、成型框架；32、成型支撑板；33、成型平台；34、升降结构。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。

下面参考图1-图2描述本发明实施例的冷却装置的具体结构。

本发明公开了一种冷却装置，如图1所示，本实施例的冷却装置包括冷却管1和循环模组2，冷却管1成多排多列分布，每个冷却管1内均具有进气通道11和回气通道12，进气通道11的第一端和回气通道12的第一端连通，循环模组2包括气体供给件21和冷源件22，冷源件22的换热出口与进气通道11的第二端相连，气体供给件21的回气口与回气通道12的第二端相连。冷却管1穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，且冷却管1的一端伸入成型室，另一端位于成型室的外侧且与气体供给件21及冷源件22相连。

可以理解的是，在实际工作过程中，由于冷却管1穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，这样冷却管1内温度较低的气体能够实现成型室的降温。与此同时，冷却管1内具有进气通道11和回气通道12，气体供给件21能够提供气体流动的动力，气体在和冷源件22进行换热后具有较低的温度。也就是说，冷却管1内的气体能够实现循环运动，这样能够大大提升冷却管1对成型室的降温速率，从而提升了本实施例的冷却装置对电子束增材制造设备的成型室的降温速率。

此外，由于冷却管1穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁，在实际工作过程中可以根据打印零件尺寸的大小，以及打印零件在成形平台上的分布位置，控制冷却管1插入的数量和深度。由此，能够使得本实施例中的冷却装置能够根据零件的大小以及形状进行调整，从而实现冷却效果最优的功能。

需要补充说明的是，冷源件22可以根据实际需要选择换热盘管或者其他换热结构。

在一些实施例中，如图2所示，循环模组2还包括进气管23，进气管23包括进气总管231和设在进气总管231上的多个进气分支管路232，进气总管231与冷源件22的换热出口相连，多个进气分支管路232与多个进气通道11一一对应相连。可以理解的是，由于冷却管1成多排多列分布，如果每个冷却管1的进气通道11都单独与冷源件22相连，就会造成机构冗余，管路复杂，不仅提升了冷却装置的制造成本，还会提升故障率，降低冷却装置的工作可靠性。在本实施例中，增设了包括进气总管231和进气分支管路232的进气管23，这样多个冷却管1的进气通道11只需要与进气分支管路232相连即可，既能够简化了管路结构，降低制造成本，还能够降低故障率，提升冷却装置的工作可靠性。

在一些具体的实施例中，进气分支管路232上设有气体流量调节阀(图未示出)和气体流量检测器(图未示出)。可以理解的是，通过气流流量调节阀和气体流量检测器能够控制进入冷却管1的进气通道11的气流流量，从而可以根据零件的大小以及降温需要进行调整气流流量，使得本实施例的冷却装置能够更有针对性地对成型室降温。

在一些实施例中，如图2所示，循环模组2还包括回气管24，回气管24包括回气总管241和设在回气总管241上的多个回气分支管路242，回气总管241与气体供给件21的回气口相连，多个回气分支管路242与多个回气通道12一一对应相连。可以理解的是，由于冷却管1成多排多列分布，如果每个冷却管1的回气通道12都单独与气体供给件21相连，就会造成机构冗余，管路复杂，不仅提升了冷却装置的制造成本，还会提升故障率，降低冷却装置的工作可靠性。在本实施例中，增设了包括回气总管241和回气分支管路242的回气管24，这样多个冷却管1的回气通道12只需要与回气分支管路242相连即可，既能够简化了管路结构，降低制造成本，还能够降低故障率，提升冷却装置的工作可靠性。

在一些实施例中，如图3所示，进气通道11和回气通道12构成U型流道，且U型流道的截面为圆形。由此，能够降低气体在进气通道11和回气通道12内的流阻，从而方便流体在进气通道11和回气通道12内流动以确保冷却效果。当然，在本发明的其他实施例中，进气通道11和回气通道12的形状还可以根据实际需要进行选择，并不限于本实施例的限定。

在一些实施例中，冷却管1伸入成型室的一端的端面为弧面。可以理解的是，在实际冷却过程中，打印零件成型后需要根据零件的大小以及形状将冷却管1推入成型腔内，将冷却管1伸入成型室的一端的端面设置为弧面，这样即便冷却管1不小心碰到零件对零件的作用力也较小，不容易损坏零部件，从而确保了零件的成型精度。当然，在本发明的其他实施例中，冷却管1伸入成型室的一端的端面还可以根据实际需要进行调整，并不限于本实施例的弧面形状。

在一些实施例中，气体供给件21包括空气压缩机。当然，在本发明的其他实施例中，气体供给件21还可以为气泵。

在一些实施例中，冷却管1包括相互拼接的两个子管，其中一个子管的一端伸入成型室，另一个子管的一端位于成型室的外侧，且两个子管中的一个上设有控制阀，控制阀用于控制进气通道11和回气通道12的通断。可以理解的是，在实际操作过程中，由于冷却管1需要与冷源件22和气体供给装置相连，在实际推动进入或者离开成型室的过程中可能会出现操作不便的现象，在本实施例中，将冷却管1分成两个子管，在需要伸入成型腔中时，将一个子管伸入成型腔后与另外一个子管拼接，然后打开控制阀即可。将冷却管1关闭只需要将插入成型腔的子管拔出然后关闭控制阀即可，操作非常便捷。

本发明还公开了一种电子束增材制造设备，如图1所示，本实施例的电子束增材制造设备包括前文的冷却装置及成型装置3。

本发明的电子束增材制造设备，由于包括前文所述的冷却装置，在实际工作过程中可以根据打印零件尺寸的大小，以及打印零件在成形平台上的分布位置，将冷却管1插入成型室，并且控制冷却管1插入的数量和深度。冷却气体在冷却管1内循环运动，使得冷却管1能够对成型室快速降温，从而使得该电子束增材制造设备在零部件制备完成后能够实现快速冷却，提升了电子束增材制造设备的加工效率。

在一些实施例中，如图1所示，成型装置3包括成型框架31、成型支撑板32和成型平台33，成型框架31限定出成型室，成型框架31的一个侧壁上设有多个与冷却管1配合的穿孔，成型支撑板32沿上下方向可活动地设在成型室内，成型平台33通过多个升降结构34支撑在成型支撑板32上。可以理解的是，成型框架31与成型支撑板32限定出成型室，方便打印，而成型平台33通过升降结构34支撑在成型支撑板32上能够确保成型平台33的稳定性，从而确保打印过程稳定进行。需要补充说明的是，升降结构34可以根据实际需要选择气缸或者电动推杆等结构。

下面参考图1-图3描述本发明一个具体实施例的电子束增材制造设备的具体结构。

如图1-图3所示，本实施例的电子束增材制造设备包括冷却装置及成型装置3。冷却装置包括冷却管1和循环模组2，冷却管1成多排多列分布，每个冷却管1内均具有进气通道11和回气通道12，进气通道11和回气通道12构成U型流道，且U型流道的截面为圆形。进气通道11的第一端和回气通道12的第一端连通，循环模组2包括气体供给件21、冷源件22、进气管23和回气管24，冷源件22的换热出口与进气通道11的第二端相连，气体供给件21的回气口与回气通道12的第二端相连。冷却管1穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，且冷却管1的一端伸入成型室，另一端位于成型室的外侧且与气体供给件21及冷源件22相连。进气管23包括进气总管231和设在进气总管231上的多个进气分支管路232，进气总管231与冷源件22相连，多个进气分支管路232与多个进气通道11一一对应相连。回气管24包括回气总管241和设在回气总管241上的多个回气分支管路242，回气总管241与气体供给件21相连，多个回气分支管路242与多个回气通道12一一对应相连。成型装置3包括成型框架31、成型支撑板32和成型平台33，成型框架31限定出成型室，成型框架31的一个侧壁上设有多个与冷却管1配合的穿孔，成型支撑板32沿上下方向可活动地设在成型室内，成型平台33通过多个升降结构34支撑在成型支撑板32上。可以理解的是，成型框架31与成型支撑板32限定出成型室，方便打印，而成型平台33通过升降结构34支撑在成型支撑板32上能够确保成型平台33的稳定性，从而确保打印过程稳定进行。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种冷却装置，其特征在于，包括：

冷却管(1)，所述冷却管(1)成多排多列分布，每个所述冷却管(1)内均具有进气通道(11)和回气通道(12)，所述进气通道(11)的第一端和所述回气通道(12)的第一端连通；

循环模组(2)，所述循环模组(2)包括气体供给件(21)和冷源件(22)，所述冷源件(22)的换热出口与所述进气通道(11)的第二端相连，所述气体供给件(21)的回气口与所述回气通道(12)的第二端相连；其中；

所述冷却管(1)穿设在电子束增材制造设备的成型室的侧壁上，且所述冷却管(1)的一端伸入所述成型室，另一端位于所述成型室的外侧且与所述气体供给件(21)及所述冷源件(22)相连。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述循环模组(2)还包括进气管(23)，所述进气管(23)包括进气总管(231)和设在所述进气总管(231)上的多个进气分支管路(232)，所述进气总管(231)与所述冷源件(22)的所述换热出口相连，多个所述进气分支管路(232)与多个所述进气通道(11)一一对应相连。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述进气分支管路(232)上设有气体流量调节阀和气体流量检测器。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述循环模组(2)还包括回气管(24)，所述回气管(24)包括回气总管(241)和设在所述回气总管(241)上的多个回气分支管路(242)，所述回气总管(241)与所述气体供给件(21)的所述回气口相连，多个所述回气分支管路(242)与多个所述回气通道(12)一一对应相连。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述进气通道(11)和所述回气通道(12)构成U型流道，且所述U型流道的截面为圆形。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却管(1)伸入所述成型室的一端的端面为弧面。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述气体供给件(21)包括空气压缩机。

8.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却管(1)包括相互拼接的两个子管，其中一个所述子管的一端伸入所述成型室，另一个所述子管的一端位于所述成型室的外侧，且两个所述子管中的一个上设有控制阀，所述控制阀用于控制所述进气通道(11)和所述回气通道(12)的通断。

9.一种电子束增材制造设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的冷却装置及成型装置(3)。

10.根据权利要求9所述的电子束增材制造设备，其特征在于，所述成型装置(3)包括：

成型框架(31)，所述成型框架(31)限定出所述成型室，所述成型框架(31)的一个侧壁上设有多个与所述冷却管(1)配合的穿孔；

成型支撑板(32)，所述成型支撑板(32)沿上下方向可活动地设在所述成型室内；

成型平台(33)，所述成型平台(33)通过多个升降结构(34)支撑在所述成型支撑板(32)上。

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