CN115598133B - 用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统 - Google Patents
用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于原位观测与力‑热‑磁多场调控的金属增材制造系统，属于金属增材制造技术领域。本发明包括原位监测单元和力‑热‑磁多物理场加载单元，将多光谱监测技术、多物理场实时调控技术、金属增材制造技术相融合，实现金属增材制造过程中对成型样品微区结构演化的同步观测，即对成型材料“形貌‑热场‑磁场‑应力‑成分‑缺陷”信息进行同步无损检测，获取材料成型行为与力学性能的相关性，进而调控熔池及熔融成型区域的温度、熔池内部的压力加载以及定向凝固的磁场强度，为进一步定向提高金属增材制造样品力学性能提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤指一种用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统。该系统将原位监测技术和力-热-磁多物理场加载技术相结合，实现同步观测金属增材制造过程中对成型样品微区的结构演化，即通过开展多检测组件“同步-同位”原位测试，同时获取成型样品微区的微观形貌、晶体衍射信息、内部结构特征、熔池及其内部的温度分布、成型平台的温度分布、熔池内部压力加载及所在空间的磁场加载，对成型材料“形貌-热场-磁场-应力-成分-缺陷”信息进行同步无损检测，获取材料成型行为与力学性能的相关性，据此调控熔池及熔融成型区域的温度、熔池内部的压力加载以及定向凝固的磁场强度，为进一步定向提高金属增材制造样品的力学性能提供技术支撑。
背景技术
金属增材制造又称3D打印技术，是一种采用材料逐层累加的方法制造零件的技术，基于离散-堆积原理，对数字化模型进行分层处理，借助数字化制造设备完成生产制造。该技术在过去的三十年中取得了巨大的发展，特别是在医疗、航空航天、汽车和国防工业领域。但由于打印过程中极高的加热和冷却速率，有许多高度动态和瞬态的物理现象伴随发生，如金属的熔化和部分汽化、熔融金属的流动、快速凝固、非平衡相变等。复杂的相互作用通常情况下会导致产品表面粗糙、显著的孔隙、残余应力和不利的相和晶粒结构，从而对力学性能产生影响。为了了解这些缺陷的形成机制并进行有效抑制，必须开发和应用X射线晶体衍射技术、同步辐射表征技术、热成像技术原位表征技术来研究动态微观结构的演变，通过力-位移-热-磁加载信息的实时监测闭环控制多物理场的加载。
综上，通过将原位监测技术和力-热-磁多物理场加载技术应用于金属增材制造技术，进而实现样品在多物理场作用下成型过程中表面形貌与内部结构的同步表征，对金属样品材料微观组织结构演化和缺陷形成机制准确评估。本发明基于金属增材制造领域对提升金属样品力学性能的迫切需求，开发X射线成像组件、X射线衍射组件、红外热成像组件、热电偶组件、力敏电阻组件、电容式位移传感组件、特斯拉计组件、感应加热组件、推杆电机组件、电磁场组件的多检测组件“同步-同位”原位测试进而调控熔池及熔融成型区域的温度、熔池内部的压力加载以及定向凝固的磁场强度多物理场加载参数，抑制成型过程中的缺陷形成并提高金属样品力学性能是十分必要的。
发明内容
本发明在于提供一种用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，通过将多光谱监测技术、多物理场实时调控技术、金属增材制造技术相融合，实现样品成型过程中表面及内部缺陷实时监测和精准辨识与实时调控增材制造过程中的物理参数。对成型材料“形貌-热场-磁场-应力-成分-缺陷”信息进行同步无损检测，获取材料成型行为与力学性能的相关性，为进一步定向提高金属增材制造样品力学性能提供技术支撑。本发明的机械主体单元的长、宽和高分别为80mm、60mm和120mm。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
本发明所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于：该系统由原位监测单元和力-热-磁多物理场加载单元组成。其中原位监测单元主要包括X射线成像子单元、X射线衍射子单元、红外热成像子单元、熔池内部温度检测子单元、压力检测子单元、位移检测子单元、磁场检测子单元，可实现成型样品表面及内部结构与熔池内部的多物理场参数的实时监测；力-热-磁多物理场加载单元主要包括压力加载子单元、温度加载子单元、磁场加载子单元，可实现金属增材制造样品的定向成型与性能调控。
所述的原位监测单元其特征在于：该单元由高能同步辐射光源组件(11)、高速衍射探测器组件(14)、高速成像相机组件(16)、热成像组件(9)、刚玉温度传感组件(17)、位移传感器(2)、压力传感器(3)组成。高能同步辐射光源组件(11)水平安置在喷嘴(15)同一高度，距离喷嘴(15)1200mm，方向与电磁铁组件(7)的磁极面平行，高速成像相机组件(16)与高能同步辐射光源(11)关于电磁铁组件(7)对称分布在另一侧，距离喷嘴(15)310mm，用以实时接收穿透喷嘴(15)成型区域的X射线并形成样品形貌图像。热成像组件(9)与高速衍射探测器组件(14)安置在高能同步辐射光源(11)、喷嘴(15)和高速成像相机组件(16)所在的平面上且与水平方向的夹角分别为45°和15°，热成像组件(9)与喷嘴(15)距离500mm，用以实时获取整个熔融成型区域的温度场分布，高速衍射探测器组件(14)喷嘴(15)距离235mm，用以实时获取样品成型过程中晶体结构信息。刚玉温度传感组件(17)与弹簧(18)紧固安装于推杆(6)内部，推杆(6)上端通过螺纹与压力传感器(3)刚性连接，压力传感器(3)另一端通过螺纹与推杆电机(1)移动端刚性连接，位移传感器(2)的测量端通过一组刚性连接件(4)固定连接在压力传感器(3)的上端与下端，特斯拉计(13)固定在熔池侧边，形成熔池压力-熔池内温度-定向磁场强度多物理场的原位监测。
所述的力-热-磁多物理场加载单元其特征在于：该单元由推杆电机(1)、电磁铁组件(7)和电磁感应加热组件(8)组成。推杆电机(1)的移动端通过螺纹与压力传感器(3)上端刚性连接，并保证与熔池腔体(5)和推杆(6)在同一轴线上。电磁铁组件(7)的一对磁极面处在熔池腔体(5)俩侧，且磁极面圆心正对喷嘴(15)下方2mm的区域，即熔融成型区域，电磁铁组件(7)的均匀磁场强度可在最小磁极间距10mm时达到2.0T。电磁感应加热组件(8)的加热线圈环形包络在熔池腔体(5)外侧。上述3组物理场加载组件可实现熔池压力-熔池内温度-定向磁场强度多物理场的实时调控。
所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于原位监测单元中的高能同步辐射光源组件(11)、高速衍射探测器组件(14)、高速成像相机组件(16)与热成像组件(9)处在同一平面上，热成像组件(9)实时获取成型平台(10)上样品成型过程中的全域温度分布，进而可以调节电磁感应加热组件(8)的温度加载条件，得到更优成型质量和更好力学性能的金属增材制造样品。高能同步辐射光源组件(11)在喷嘴(15)同一高度的水平方向产生X射线，穿透正在熔融成型的金属增材制造样品，而后被安置在同样高度的高速成像相机组件(16)接收，实时形成成型金属内部结构演化的高分辨率可视化图像，X射线穿透喷嘴(15)成型区域的衍射信息被与水平方向的夹角为和15°高速衍射探测器组件(14)接收，实时形成成型金属晶体衍射信息的表征。
所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于原位监测单元中的刚玉温度传感组件(17)安装于具有匹配深度凹槽的推杆(6)内部，其中推杆(6)俩侧及下端壁厚为2mm，使得在保证刚玉温度传感组件(17)使用寿命的前提下更准确地获取熔池腔体(5)内部温度。压力传感器(3)通过上下螺纹分别刚性连接推杆电机(1)与推杆(6)，并严格保证三者在同一轴线上，以消除偏心扭矩带来的压力检测误差。位移传感器(2)的测量端通过一组刚性连接件(4)固定连接在压力传感器(3)的上端与下端，通过测量的位移及其随时间的变化量获取熔融金属的流量信息，特斯拉计(13)固定在熔池侧边以测量定向磁场强度。氩气输出管道(12)由氩气罐提供气体供给，以与水平方向夹角为60°的方式对准平台成型区域，旨在提供惰性气体保护环境。
所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于力-热-磁多物理场加载单元中的温度加载通过电磁感应加热组件(8)的方式实现，其较高的温升速度可使熔池腔体(5)在10秒内达到1000℃的高温加载，有效降低金属熔融过程中的应力累积。具备调速功能的推杆电机(1)通过原位监测单元获取的信息，进而准确控制熔池腔体(5)内熔池的压力及喷嘴(15)出口处熔融金属的流量。电磁铁组件(7)的一对磁极在间隙为10mm时可提供2.0T的定向磁场加载，通过对供给电源编程获取时序化磁场，从而振动熔池腔体(5)内熔融金属细化金属晶粒，提高成型金属样品的力学性能。
所述的用于原位观测与力-热-磁多物理场调控性能的金属增材制造系统，其特征在于推杆(6)通过激光打微孔形成超疏水表面，进而降低推杆(6)与熔池腔体(5)内熔融金属的粘结。熔池腔体(5)内孔径与推杆(6)的配合尺寸为10mm长度交替的间隙配合与过渡配合，形成防止熔融金属溢出的多级防护。喷嘴(15)内部孔径采用渐缩设计，使得受推杆(6)挤出的熔融金属逐步受到加强的挤压力，进一步细化金属晶粒并提高金属增材制造样品的力学性能。其中熔池腔体(5)与喷嘴(15)采用分离式设计，通过四组均布的螺钉连接，便于更换的喷嘴(15)在提升方便性与经济性的同时，可变换不同孔径和流道长度配合不同种类金属进行增材制造。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的同步辐射与热成像测试原理图；
图3为本发明的刚玉温度传感器安装示意图；
图4为本发明的熔池腔体剖视图；
图5为本发明的喷嘴剖视图；
图中：1、推杆电机 2、位移传感器 3、压力传感器 4、刚性连接件 5、熔池腔体 6、推杆 7、电磁铁组件 8、电磁感应加热组件 9、热成像组件 10、成型平台 11、高能同步辐射光源组件 12、氩气输出管道 13、特斯拉计 14、高速衍射探测器组件 15、喷嘴 16、高速成像相机组件 17、刚玉温度传感组件 18、弹簧
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参照图1至图5，本发明所涉及的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，该发明的机械主体单元的长、宽和高分别为80mm、60mm和120mm，适用于通过原位监测获取的信息调控多物理场加载参数以制造优异力学性能的金属样品。
本发明采用由下至上、由内至外的安装方式。成型平台(10)具备三自由度的运动系统，遵循上位机的切片软件设置的路径运动。喷嘴(15)通过四组均布的螺钉与熔池腔体(5)刚性连接在一起，与通过直接加工喷嘴外螺纹连接方式相比，本发明的设计方式可以降低熔融金属将喷嘴(15)与熔池腔体(5)粘连、不可分离的风险。便于更换的喷嘴(15)在提升方便性与经济性的同时，可变换不同孔径和流道长度配合不同种类金属进行增材制造。其中喷嘴(15)内部孔径采用渐缩设计，使得受推杆(6)挤出的熔融金属逐步受到加强的挤压力，进一步细化金属晶粒并提高金属增材制造样品的力学性能。熔池腔体(5)与推杆(6)采用间隙配合-过渡配合交替的配合方式，通过对熔池腔体(5)内孔径按照多个配合公差加工实现，通过此设计可以有效防止熔融金属液体溢出，金属粉末于加热前事先放在熔池腔体(5)内。电磁感应加热组件(8)的环形加热线圈包络在熔池腔体(5)外部，与熔池腔体(5)的空气间隙为10mm，其较高的温升速度可使熔池腔体(5)在10秒内达到1000℃的高温加载，有效降低金属熔融过程中的应力累积。特斯拉计(13)通过螺纹固定在熔池腔体(5)上端的侧边，用以检测电磁铁组件(7)加载的定向磁场强度。氩气输出管道(12)由氩气罐提供气体供给，以与水平方向夹角为60°的方式对准平台成型区域，旨在提供惰性气体保护环境。电磁铁组件(7)磁极面圆心正对喷嘴(15)下方2mm的区域，即熔融成型区域，且在磁极间隙为10mm时可提供2.0T的定向磁场加载，通过对供给电源编程获取时序化磁场，从而振动熔池腔体(5)内熔融金属细化金属晶粒，提高成型金属样品的力学性能。高能同步辐射光源组件(11)水平安置在喷嘴(15)同一高度，距离喷嘴(15)1200mm，方向与电磁铁组件(7)的磁极面平行，高速成像相机组件(16)与高能同步辐射光源(11)关于电磁铁组件(7)对称分布在另一侧，距离喷嘴(15)310mm，用以实时接收穿透喷嘴(15)成型区域的X射线并形成样品形貌图像。热成像组件(9)与高速衍射探测器组件(14)安置在高能同步辐射光源(11)、喷嘴(15)和高速成像相机组件(16)所在的平面上且与水平方向的夹角分别为45°和15°，热成像组件(9)与喷嘴(15)距离500mm，用以实时获取整个熔融成型区域的温度场分布，高速衍射探测器组件(14)喷嘴(15)距离235mm，用以实时获取样品成型过程中晶体结构信息。推杆(6)通过激光打微孔形成超疏水表面，进而降低推杆(6)与熔池腔体(5)内熔融金属的粘结。刚玉温度传感组件(17)安装于具有匹配深度凹槽的推杆(6)内部，其中推杆(6)俩侧及下端壁厚为2mm，使得在保证刚玉温度传感组件(17)使用寿命的前提下更准确地获取熔池腔体(5)内部温度。压力传感器(3)通过上下螺纹分别刚性连接推杆电机(1)与推杆(6)，并严格保证三者在同一轴线上，以消除偏心扭矩带来的压力检测误差。位移传感器(2)的测量端通过一组刚性连接件(4)固定连接在压力传感器(3)的上端与下端，通过测量的位移及其随时间的变化量获取熔融金属的流量信息。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于：该系统由原位监测单元和力-热-磁多物理场加载单元组成；其中原位监测单元主要包括X射线成像子单元、X射线衍射子单元、红外热成像子单元、熔池内部温度检测子单元、压力检测子单元、位移检测子单元、磁场检测子单元，可实现成型样品表面及内部结构与熔池内部的多物理场参数的实时监测；力-热-磁多物理场加载单元主要包括压力加载子单元、温度加载子单元、磁场加载子单元，可实现金属增材制造样品的定向成型与性能调控；
所述的原位监测单元其特征在于：该单元由高能同步辐射光源组件(11)、高速衍射探测器组件(14)、高速成像相机组件(16)、热成像组件(9)、刚玉温度传感组件(17)、位移传感器(2)、压力传感器(3)组成；高能同步辐射光源组件(11)水平安置在喷嘴(15)同一高度，距离喷嘴(15)1200mm，方向与电磁铁组件(7)的磁极面平行，高速成像相机组件(16)与高能同步辐射光源(11)关于电磁铁组件(7)对称分布在另一侧，距离喷嘴(15)310mm，用以实时接收穿透喷嘴(15)成型区域的X射线并形成样品形貌图像；热成像组件(9)与高速衍射探测器组件(14)安置在高能同步辐射光源(11)、喷嘴(15)和高速成像相机组件(16)所在的平面上且与水平方向的夹角分别为45°和15°，热成像组件(9)与喷嘴(15)距离500mm，用以实时获取整个熔融成型区域的温度场分布，高速衍射探测器组件(14)与喷嘴(15)距离235mm，用以实时获取样品成型过程中晶体结构信息；刚玉温度传感组件(17)与弹簧(18)紧固安装于推杆(6)内部，推杆(6)上端通过螺纹与压力传感器(3)刚性连接，压力传感器(3)另一端通过螺纹与推杆电机(1)移动端刚性连接，位移传感器(2)的测量端通过一组刚性连接件(4)固定连接在压力传感器(3)的上端与下端，特斯拉计(13)固定在熔池侧边，形成熔池压力-熔池内温度-定向磁场强度多物理场的原位监测；
所述的力-热-磁多物理场加载单元其特征在于：该单元由推杆电机(1)、电磁铁组件(7)和电磁感应加热组件(8)组成；推杆电机(1)的移动端通过螺纹与压力传感器(3)上端刚性连接，并保证与熔池腔体(5)和推杆(6)在同一轴线上；电磁铁组件(7)的一对磁极面处在熔池腔体(5)俩侧，且磁极面圆心正对喷嘴(15)下方2mm的区域，即熔融成型区域，电磁铁组件(7)的均匀磁场强度可在最小磁极间距10mm时达到2.0T；电磁感应加热组件(8)的加热线圈环形包络在熔池腔体(5)外侧；上述3组物理场加载组件可实现熔池压力-熔池内温度-定向磁场强度多物理场的实时调控。
2.根据权利要求1所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于原位监测单元中的高能同步辐射光源组件(11)、高速衍射探测器组件(14)、高速成像相机组件(16)与热成像组件(9)处在同一平面上，热成像组件(9)实时获取成型平台(10)上样品成型过程中的全域温度分布，进而可以调节电磁感应加热组件(8)的温度加载条件，得到更优成型质量和更好力学性能的金属增材制造样品；高能同步辐射光源组件(11)在喷嘴(15)同一高度的水平方向产生X射线，穿透正在熔融成型的金属增材制造样品，而后被安置在同样高度的高速成像相机组件(16)接收，实时形成成型金属内部结构演化的高分辨率可视化图像，X射线穿透喷嘴(15)成型区域的衍射信息被与水平方向的夹角为和15°高速衍射探测器组件(14)接收，实时形成成型金属晶体衍射信息的表征。
3.根据权利要求1所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于原位监测单元中的刚玉温度传感组件(17)安装于具有匹配深度凹槽的推杆(6)内部，其中推杆(6)俩侧及下端壁厚为2mm，使得在保证刚玉温度传感组件(17)使用寿命的前提下更准确地获取熔池腔体(5)内部温度；压力传感器(3)通过上下螺纹分别刚性连接推杆电机(1)与推杆(6)，并严格保证三者在同一轴线上，以消除偏心扭矩带来的压力检测误差；位移传感器(2)的测量端通过一组刚性连接件(4)固定连接在压力传感器(3)的上端与下端，通过测量的位移及其随时间的变化量获取熔融金属的流量信息，特斯拉计(13)固定在熔池侧边以测量定向磁场强度；氩气输出管道(12)由氩气罐提供气体供给，以与水平方向夹角为60°的方式对准平台成型区域，旨在提供惰性气体保护环境。
4.根据权利要求1所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于力-热-磁多物理场加载单元中的温度加载通过电磁感应加热组件(8)的方式实现，其较高的温升速度可使熔池腔体(5)在10秒内达到1000℃的高温加载，有效降低金属熔融过程中的应力累积；具备调速功能的推杆电机(1)通过原位监测单元获取的信息，进而准确控制熔池腔体(5)内熔池的压力及喷嘴(15)出口处熔融金属的流量；电磁铁组件(7)的一对磁极在间隙为10mm时可提供2.0T的定向磁场加载，通过对供给电源编程获取时序化磁场，从而振动熔池腔体(5)内熔融金属细化金属晶粒，提高成型金属样品的力学性能。
5.根据权利要求1所述的用于原位观测与力-热-磁多场调控的金属增材制造系统，其特征在于推杆(6)通过激光打微孔形成超疏水表面，进而降低推杆(6)与熔池腔体(5)内熔融金属的粘结；熔池腔体(5)内孔径与推杆(6)的配合尺寸为10mm长度交替的间隙配合与过渡配合，形成防止熔融金属溢出的多级防护；喷嘴(15)内部孔径采用渐缩设计，使得受推杆(6)挤出的熔融金属逐步受到加强的挤压力，进一步细化金属晶粒并提高金属增材制造样品的力学性能；其中熔池腔体(5)与喷嘴(15)采用分离式设计，通过四组均布的螺钉连接，便于更换的喷嘴(15)在提升方便性与经济性的同时，可变换不同孔径和流道长度配合不同种类金属进行增材制造。
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