CN115592137A - 一种金属增材制造同步随形冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，且公开了一种金属增材制造同步随形冷却装置，包括机械臂，机械臂的末端设置有增材制造机头，机械臂用于控制增材制造机头的打印轨迹，增材制造机头的外壁同轴设置有旋转装置，旋转装置的驱动端上设置有相对于增材制造机头轴线方向平行的直线驱动机构，直线驱动机构的驱动端上设置有带柔性冷却体的水冷装置。该增材制造同步随形冷却装置，通过机械臂配合旋转装置使用，实现单一机械臂控制增材制造打印及相对滞后同轨迹滚压冷却，进而提高该增材制造装置的打印效率与质量。通过柔性冷却体对增材构件进行任意轨迹随形贴合冷却，结构简单，定位精准，成本低，具有适用场景广泛与冷却效率高的优点。

Description

一种金属增材制造同步随形冷却装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种金属增材制造同步随形冷却装置。

背景技术

金属增材制造技术基于离散/堆积原理，采用原料“自下而上”逐层堆积成形实体构件，具有沉积效率高、制造成本低、构件致密度高等优势。然而，随着堆积层数的增加，较大的热输入与基体散热效率降低导致构件整体热累积加剧，自然冷却时间加长，晶粒粗大，构件边缘易流淌，严重影响后续成形精度、效率与质量。已有冷却方法主要基于以下四种思路：

(1)采用水冷基板，但随着成形高度的增加，冷却效果逐步下降；

(2)采用气体冷却，但对流传热效果远低于接触传热，且耗气量较大，装置冗余，气体不纯易引入缺陷；同步操作一般离构件成形部位较远，效果较差，异步操作效率较低；

(3)将构件整体置于液体中，逐层下沉冷却，但水易蒸发增加环境湿度导致气孔，盐浴存在蒸汽污染，金属镓成本过高；

(4)采用紫铜珠或钢珠金属球带水冷铜壁或铜管散热，但金属珠与构件直接接触耐磨性较差，且易卡顿，接触面完全贴合困难，装置尺寸较大，针对复杂构件散热灵活性较差。

例如中国专利公开号为CN111215898B的一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法，其公开了采用第一机械臂以及第二机械臂分别控制焊枪和超声振动热轧装置进行打印，由于双机械臂同时工作其占用空间大且存在相对调节阻碍，且其采用液氮冷却装置进行冷却，导致其生产成本相对较高。

综上可见，现有增材制造冷却装置使用工况有限且冷却效率较低，部分冷却装置成本较高且易导致缺陷引入，故而提出一种金属增材制造同步随形冷却装置来解决上述问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种金属增材制造同步随形冷却装置，具备单一机械臂控制增材制造机头与水冷装置同轨迹相对滞后运动，同时便于调控滚压力度及冷却接触面积和冷却速率等优点，解决了现有增材制造冷却装置使用工况有限且冷却效率较低，部分冷却装置成本较高且易导致缺陷引入等的问题。

(二)技术方案

为实现上述单一机械臂控制增材制造机头与水冷装置同轨迹相对滞后运动，同时便于调控滚压力度及冷却接触面积和冷却速率的目的，本发明提供如下技术方案：一种金属增材制造同步随形冷却装置，包括机械臂，机械臂的末端设置有增材制造机头，机械臂用于控制增材制造机头的打印轨迹，增材制造机头的外壁同轴设置有旋转装置，旋转装置的驱动端上设置有相对于增材制造机头轴线方向平行的直线驱动机构，直线驱动机构的驱动端上设置有水冷装置，水冷装置的内壁设置有限位空腔，限位空腔内设置有延伸至水冷装置外部的柔性冷却体，柔性冷却体在外力作用力下可自适应性产生形变，旋转装置用于驱动直线驱动机构带动水冷装置和柔性冷却体跟随增材制造机头的轨迹相对滞后运动，直线驱动机构用于配合机械臂带动水冷装置调节柔性冷却体与打印件之间的压力及冷却接触面积。

优选的，柔性冷却体包括不锈钢编织袋和铜珠，不锈钢编织袋与限位空腔间隙配合设置，铜珠填充于不锈钢编织袋内，不锈钢编织袋可相对于限位空腔内壁转动接触传热。

优选的，不锈钢编织袋为编织空心球，且限位空腔为球形限位腔，限位空腔的内壁下端设置有圆角过渡。

优选的，直线驱动机构包括第一伺服电机、导轨、丝杆和滑台，导轨设置于旋转装置的输出端上，第一伺服电机设置于导轨上，丝杆设置于第一伺服电机的输出端上，滑台滑动设置于导轨上并与丝杆传动连接，滑台远离丝杆的一侧设置有水冷装置。

优选的，直线驱动机构还包括压力传感器和控制器，压力传感器设置于滑台远离丝杆的一侧并与水冷装置固定连接，控制器的输入端与压力传感器的输出端电连接，控制器的输出端与第一伺服电机的输入端电连接。其中，压力传感器用于检测水冷装置与滑台之间的压力信号并将检测信号反馈给控制器，控制器根据压力传感器反馈的信号控制第一伺服电机定量转动。

优选的，水冷装置包括铜箱体、进水口和出水口，铜箱体设置于直线驱动机构的驱动端上，铜箱体的左侧和右侧且位于下端均设置不少于四个的进水口，位于同侧的相邻两个进水口之间的间距相等，铜箱体的顶部设置有出水口，铜箱体的底部设置有向上凹陷的限位空腔，铜箱体内壁与进水口和出水口形成冷却通道。

优选的，旋转装置包括第二伺服电机、外齿回转支撑、驱动齿轮和安装架，外齿回转支撑同轴设置于增材制造机头的外壁，增材制造机头上设置有第二伺服电机，第二伺服电机的输出端设置有与外齿回转支撑相啮合的驱动齿轮，安装架设置于外齿回转支撑的外环上，直线驱动机构设置于安装架上。

优选的，增材制造机头为电弧送粉/送丝打印机头。

优选的，增材制造机头为激光送粉/送丝打印机头。

优选的，增材制造机头为电子束送粉/送丝打印机头。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种金属增材制造同步随形冷却装置，具备以下有益效果：

该增材制造同步随形冷却装置，通过机械臂配合旋转装置使用，实现单一机械臂控制增材制造打印及相对滞后同轨迹滚压冷却，进而提高该增材制造装置的打印效率与质量。通过柔性冷却球对增材构件进行任意轨迹随形贴合冷却，结构简单，定位精准，成本低，具有适用场景广泛与冷却效率高的优点。

附图说明

图1为本发明提出的一种金属增材制造同步随形冷却装置结构示意图。

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。

请参阅图1，一种金属增材制造同步随形冷却装置，包括机械臂1，机械臂1的末端固定安装有增材制造机头2，通过机械臂1带动增材制造机头2以特定的运行轨迹运动进行逐层堆积式打印进而形成特定的三维空间结构打印件，还包括旋转装置3，旋转装置3的固定端固定安装于增材制造机头2的外壁，且旋转装置3旋转中心线与增材制造机头2的中心线同轴，旋转装置3的驱动端上固定安装有直线驱动机构4，直线驱动机构4的驱动方向与增材制造机头2的中心线平行，直线驱动机构4的驱动端固定安装有水冷装置5，水冷装置5的内壁设置有限位孔腔6，水冷装置5的限位孔腔6内活动安装有延伸至水冷装置5外部的柔性冷却体7，柔性冷却体7在外力作用下可自适应性产生形变；通过机械臂1带动增材制造机头2以特定的运行轨迹运动进行逐层堆积式打印，同时通过旋转装置3驱动调节直线驱动机构4和水冷装置5及柔性冷却体7相对于增材制造机头2侧方的方位角度，进而保证柔性冷却体7的移动轨迹与增材制造机头2的移动轨迹相对滞后并重合，使得柔性冷却体7对先打印好的打印件部分结构进行滚压冷却；另外，针对性能不同的材料，滚压所造成的影响也不尽相同，通过直线驱动机构4往复周期性或非周期性直线驱动并配合机械臂1调节水冷装置5内柔性冷却体7相对于打印件之间的间距，即改变打印件的压力，在增材制造过程中可有效细化晶粒，排出金属内气泡，降低残余应力，提高材料力学性能；同时，由于柔性冷却体7能够在外力作用力下可自适应性产生形变，进一步改变柔性冷却体7与打印件之间的接触面，即自适应改变打印件的受力面积、受力大小及冷却效率，同步通过水冷装置5对柔性冷却体7进行降温，加速该增材制造装置的冷却效率，达到单一机械臂控制增材制造打印及相对滞后同轨迹滚压冷却的技术效果，相对传统中国专利公开号为CN111215898B的加工装置极大缩小了体积、降低了生产制造成本、并提高该增材制造装置的打印效率与质量。

优选的，柔性冷却体7包括不锈钢编织袋71和铜珠72，不锈钢编织袋71活动安装于限位空腔6内，不锈钢编织袋71的孔径为0.025mm、丝径为0.02mm，不锈钢编织袋71与限位空腔6之间相对预留有间隙，间隙为0.5mm，若干个铜珠72填充于不锈钢编织袋71内，铜珠72的直径为1mm，不锈钢编织袋71可相对于限位空腔6内壁转动接触传热，由于铜珠72对不锈钢编织袋71的内壁进行支撑，且不锈钢编织袋71本身具备一定的柔性形变，避免直线驱动机构4带动水冷装置5升降过程中不锈钢编织袋71脱离限位空腔6而影响该增材制造冷却效率的情况发生；当直线驱动机构4带动水冷装置5升降过程中，不锈钢编织袋71与水冷装置5之间可滚动及柔性接触、不锈钢编织袋71与打印件之间可滚动及柔性接触，不锈钢编织袋71与铜珠72之间可滚动及柔性接触，铜珠72与铜珠72之间可相对滑动接触，即水冷装置5升降过程中不但能够改变不锈钢编织袋71与打印件之间的接触面积及冷却效率，同时能够改变不锈钢编织袋71与水冷装置5之间接触面积及冷却效率，并利用相对滚动摩擦减少固体冷却介质面面滑动摩擦所产生的磨损和运动干涉，充分利用不锈钢编织袋71的柔性形变增大不锈钢编织袋71与打印件及水冷装置5之间的热传导接触面积，并采用热传导效率远高于不锈钢编织袋71的铜珠72增大不锈钢编织袋71不同部位之间的热传导效率及不锈钢编织袋71与水冷装置5的热传导效率。同时，由于不锈钢编织袋71升降过程中，其上的孔径有利于外部空气进入不锈钢编织袋71内与不锈钢编织袋71和铜珠72产生热传递，进一步加速了该增材制造的冷却速率，达到简单方便高效冷却的效果。

优选的，不锈钢编织袋71为编织空心球，编织空心球的直径为30mm，且限位空腔6为球形限位腔，球形限位腔的内壁表面粗糙度为Ra≤1.6，限位空腔6的内壁下端设置有圆角过渡；为保证柔性冷却体7跟随增材制造机头2的运动轨迹相对滞后，势必需要驱动旋转装置3驱动直线驱动机构4并调节水冷装置5及柔性冷却体7相对增材制造机头2偏转，由于该技术方案采用单一机械臂1驱动增材制造机头2和柔性冷却体7运动，调节后的柔性冷却体7的滑动及滚动方向相对于调节之前的滑动及滚动方向势必改变，此时，由于该优选方案的不锈钢编织袋71采用编织空心球，从而使得直线驱动机构4在任意角度调节时，水冷装置5相对于不锈钢编织袋71的滑动阻力始终相同，进而避免由于旋转装置3调节柔性冷却体7相对增材制造机头2的角度时，导致柔性冷却体7与水冷装置5之间阻力相对过大而不发生相对转动而影响该冷却装置散热效率的情况发生。

需要说明的是，上述技术方案中不锈钢编织袋71采用编织空心球是针对直线驱动机构4在任意角度调节时，水冷装置5相对于不锈钢编织袋71的滑动阻力始终相同，若每次直线驱动机构4的调整角度均为180度，且增材制造机头2打印往返行程轨迹均为直线，则不锈钢编织袋71亦可采用圆柱体编织网或者胶囊型编织网等结构，且圆柱体编织网或者胶囊型编织网的中心线与增材制造机头2的运动轨迹相互垂直，因此只要保证水冷装置5相对于不锈钢编织袋71的滑动阻力始终相同即可。

优选的，直线驱动机构4包括第一伺服电机41、导轨42、丝杆43和滑台44，导轨42固定安装于旋转装置3的输出端上，第一伺服电机41固定安装于导轨42上，丝杆43固定安装于第一伺服电机41的输出端上，滑台44相对于增材制造机头2中心线方向滑动设置于导轨42上并与丝杆43传动连接，滑台44远离丝杆43的一侧设置有水冷装置5，通过第一伺服电机41带动丝杆43旋转，丝杆43与滑台44相互作用并驱动水冷装置5升降，进而调节柔性冷却体7相对于打印件之间的间距及作用力和接触面积。

需要说明的是，上述技术方案中直线驱动机构4采用第一伺服电机41、导轨42、丝杆43和滑台44配合使用并调节水冷装置5及柔性冷却体7的升降，亦可采用其他直线驱动结构，例如直线气缸、直线电动推杆等，只要保证能够定距精准调节水冷装置5及柔性冷却体7的升降即可。

优选的，直线驱动机构4还包括压力传感器45和控制器46，压力传感器45固定安装于滑台44远离丝杆43的一侧并与水冷装置5固定连接，控制器46的输入端与压力传感器45的输出端电连接，控制器46的输出端与第一伺服电机41的输入端电连接；通过压力传感器45设置于滑台44与水冷装置5之间，从而实时检测第一伺服电机41驱动丝杆43和滑台44对水冷装置5及柔性冷却体7与打印件之间的作用力，并通过控制器46根据压力传感器45的检测信号实时调控第一伺服电机41启动，进而形成柔性冷却体7与打印件之间的压力调节负反馈，达到精准控制滚压力度及冷却效果，进一步提高了材料力学性能。

优选的，水冷装置5包括铜箱体51、进水口52和出水口53，铜箱体51设置于直线驱动机构4的驱动端上，铜箱体51的左侧和右侧且位于下端均设置不少于四个的进水口52，位于同侧的相邻两个进水口52之间的间距相等，铜箱体51的顶部设置有出水口53，铜箱体51的底部设置有向上凹陷的限位空腔6，铜箱体51内壁与进水口52和出水口53形成冷却通道；由于柔性冷却体7位于水冷装置5的下端，柔性冷却体7与水冷装置5之间发生热传导时，水冷装置5上铜箱体51下端的热量大于其上端的热量并形成热对流，同时由于热水的密度小于冷水的密度，进一步加速铜箱体51内部水的热对流现象及加快打印件的散热效率，同时通过水冷装置5采用铜箱体51配合进水口52和出水口53使用，且进水口52的数量不少于四个并等距设置于铜箱体51的下端，使得进入铜箱体51内部的冷水便于快速与其底部热水混合，并通过其顶部的出水口53将换热后的水进行排出，实现高效快速冷却及散热，并提高热交换效率降低冷却成本费用。

优选的，旋转装置3包括第二伺服电机31、外齿回转支撑32、驱动齿轮33和安装架34，外齿回转支撑32同轴固定安装于增材制造机头2的外壁，增材制造机头2上固定安装有第二伺服电机31，第二伺服电机31的输出端套接有与外齿回转支撑32相啮合的驱动齿轮33，安装架34设置于外齿回转支撑32的外环上，直线驱动机构4设置于安装架34上，且直线驱动机构4的驱动方向与外齿回转支撑32的中心线共线；通过第二伺服电机31带动驱动齿轮33旋转，驱动齿轮33与外齿回转支撑32的外环相互作用并带动安装架34和直线驱动机构4相对于增材制造机头2旋转，进而调节直线驱动机构4上水冷装置5及柔性冷却体7与增材制造机头2之间的角度。

需要说明的是，上述技术方案中旋转装置3采用第二伺服电机31、外齿回转支撑32、驱动齿轮33和安装架34配合使用并调节直线驱动机构4相对于增材制造机头2旋转，亦可采用其他旋转结构驱动直线驱动机构4相对于增材制造机头2旋转，只要保证对直线驱动机构4的调节方向相对于增材制造机头2的中心线所在平面垂直即可。

优选的，增材制造机头2可采用电弧送粉/送丝打印机头或者激光送粉/送丝打印机头或者电子束送粉/送丝打印机头，进而提高了该增材制造冷却装置的使用范围。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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)

1.一种金属增材制造同步随形冷却装置，包括机械臂(1)，机械臂(1)的末端设置有增材制造机头(2)，机械臂(1)用于控制增材制造机头(2)的打印轨迹，其特征在于：增材制造机头(2)的外壁同轴设置有旋转装置(3)，旋转装置(3)的驱动端上设置有相对于增材制造机头(2)轴线方向平行的直线驱动机构(4)，直线驱动机构(4)的驱动端上设置有水冷装置(5)，水冷装置(5)的内壁设置有限位空腔(6)，限位空腔(6)内设置有延伸至水冷装置(5)外部的柔性冷却体(7)，柔性冷却体(7)在外力作用力下可自适应性产生形变，旋转装置(3)用于驱动直线驱动机构(4)带动水冷装置(5)和柔性冷却体(7)跟随增材制造机头(2)的轨迹相对滞后运动，直线驱动机构(4)用于配合机械臂(1)带动水冷装置(5)调节柔性冷却体(7)与打印件之间的压力及冷却接触面积。

2.根据权利要求1所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：柔性冷却体(7)包括不锈钢编织袋(71)和铜珠(72)，不锈钢编织袋(71)与限位空腔(6)间隙配合设置，铜珠(72)填充于不锈钢编织袋(71)内，不锈钢编织袋(71)可相对于限位空腔(6)内壁转动接触传热。

3.根据权利要求2所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：不锈钢编织袋(71)为编织空心球，且限位空腔(6)为球形限位腔，限位空腔(6)的内壁下端设置有圆角过渡。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：直线驱动机构(4)包括第一伺服电机(41)、导轨(42)、丝杆(43)和滑台(44)，导轨(42)设置于旋转装置(3)的输出端上，第一伺服电机(41)设置于导轨(42)上，丝杆(43)设置于第一伺服电机(41)的输出端上，滑台(44)滑动设置于导轨(42)上并与丝杆(43)传动连接，滑台(44)远离丝杆(43)的一侧设置有水冷装置(5)。

5.根据权利要求4所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：直线驱动机构(4)还包括压力传感器(45)和控制器(46)，压力传感器(45)设置于滑台(44)远离丝杆(43)的一侧并与水冷装置(5)固定连接，控制器(46)的输入端与压力传感器(45)的输出端电连接，控制器(46)的输出端与第一伺服电机(41)的输入端电连接；

其中，压力传感器(45)用于检测水冷装置(5)与滑台(44)之间的压力信号并将检测信号反馈给控制器(46)，控制器(46)根据压力传感器(45)反馈的信号控制第一伺服电机(41)定量转动。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：水冷装置(5)包括铜箱体(51)、进水口(52)和出水口(53)，铜箱体(51)设置于直线驱动机构(4)的驱动端上，铜箱体(51)的左侧和右侧且位于下端均设置不少于四个的进水口(52)，位于同侧的相邻两个进水口(52)之间的间距相等，铜箱体(51)的顶部设置有出水口(53)，铜箱体(51)的底部设置有向上凹陷的限位空腔(6)，铜箱体(51)内壁与进水口(52)和出水口(53)形成冷却通道。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：旋转装置(3)包括第二伺服电机(31)、外齿回转支撑(32)、驱动齿轮(33)和安装架(34)，外齿回转支撑(32)同轴设置于增材制造机头(2)的外壁，增材制造机头(2)上设置有第二伺服电机(31)，第二伺服电机(31)的输出端设置有与外齿回转支撑(32)相啮合的驱动齿轮(33)，安装架(34)设置于外齿回转支撑(32)的外环上，直线驱动机构(4)设置于安装架(34)上。

8.根据权利要求1所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：增材制造机头(2)为电弧送粉/送丝打印机头。

9.根据权利要求1所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：增材制造机头(2)为激光送粉/送丝打印机头。

10.根据权利要求1所述的一种金属增材制造同步随形冷却装置，其特征在于：增材制造机头(2)为电子束送粉/送丝打印机头。

Images