一种水浴环境增材制造装置及方法

1.本发明属于增材制造技术领域，涉及一种水浴环境增材制造装置及方法。


背景技术：

2.增材制造技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成型以及高能束加工等技术，其技术核心是“离散-堆积”的思想，基于逐层叠加快速原型原理，以高能束作为热源，将金属粉末及丝材直接熔化，按照规划的路径逐层堆积，实现零件的快速成形制造。与传统的制造技术相比，具有成本低，效率高，可成形任意复杂零件等优势，在航空航天、汽车及生物医疗等领域应用广泛。但是，在成形过中由于受到多次热循环作用，构件的温度梯度处于不断变化当中，使构件的尺寸精度不断变化，组织分布不均；同时多次热循环造成的热累积易导致热应力的产生，使得零件出现翘曲变形以及开裂。因此，保证增材制造过程温度梯度的一致性成为一个亟待解决的关键问题。
3.目前，通过基板预热及随动冷却的方法来控制增材制造过程中的温度梯度已有报道，其中通过基板预热的方法可以一定程度上降低热应力，但效果有限，该方法随着构件成形高度的升高效果逐渐减弱，很难保证构件的组织一致性；通过液氮等随动冷却的方法虽然可以对成形构件进行实时冷却，但该方法作用面积小，无法对构件进行全区域的温度梯度调控。
4.中国专利zl201810854401.1公开一种减轻堆积层热积累的智能水冷电弧增材制造装置及方法，该专利通过水冷系统使堆积层的热量快速散失，从而减少热累积，提高成形质量，该方法能够起到调控温度梯度细化晶粒的作用，但是该方法中的冷却水温度不可调控，无法适应不同材料体系成形过程对不同温度梯度的要求，而且在成形过程中冷却水处于静止状态，这会导致工作槽中冷却水的温度不断升高，进而影响冷却效果，因此该方法对增材制造过程中的温度梯度调控效果有限。
5.中国专利zl201821685478.2公开了适用于激光增材制造的同步水冷系统，该专利通过控制工作槽中的升降台来实现激光增材制造过程中的同步水冷，该系统可以降低增材制造过程的热积累，但该系统同样有着冷却水温度不可控、成形过程冷却水温度不断升高等问题，因此该方法也有一定的局限性。


技术实现要素：

6.为克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种全新的增材制造过程温度梯度调控方式-水浴环境增材制造装置及方法，本发明建立了线能量密度与冷却液温度以及线能量密度、成形高度、冷却液高度之间的关系，能够减小增材制造过程的热累积，从而减少因热应力带来的开裂，变形等问题，同时可以细化晶粒，很好的保持组织的一致性，另外本发明还可以通过调控冷却液的温度及液面高度来适应不同材料体系在增材制造过程中对温度梯度的要求，而且整个增材制造过程实现闭环自动控制，可以大幅降低成本，提高生产效率。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种水浴环境增材制造装置，所述装置包括增材制造成形系统4、水浴冷却系统、传感系统以及计算机控制系统1。
9.所述水浴冷却系统包括水箱12、进液管10、进液阀11、出液管18、出液阀17、水泵13、过滤器16、加热器14、冷却器15以及工作槽2。所述的进液管10一端接工作槽2，另一端接水泵13，进液管10上设有进液阀11。所述的出液管18一端接工作槽2，另一端接过滤器16，出液管18上设有出液阀17。所述的加热器14设置在水箱12内部，水箱12内还设有过滤器16。所述的冷却器15与水箱12相连。所述的进液阀11、出液阀17、加热器14及冷却器15分别与计算机控制系统1相连接；进液阀11与出液阀17可疏通或截断冷却液，同时可以控制冷却液的流量大小；加热器14及冷却器15可对水箱12中的冷却液进行加热或冷却。
10.所述增材制造成形系统4位于工作槽2内，工作槽2内底面设有夹具7，可将基板8固定于工作槽2内，增材制造成形系统4在基板8上进行增材制造。
11.所述传感系统包括位于工作槽2底部的温度传感器6、位于工作槽2内侧壁的水位传感器9以及增材制造成形系统4上方的图像采集器3，温度传感器6、水位传感器9及图像采集器3分别与计算机控制系统1相连接。温度传感器6可实时检测工作槽2中冷却液的温度信息，并将信号传输至计算机控制系统1中；水位传感器9可实时检测工作槽2中的冷却液高度信息，并将信号传输至计算机控制系统1中；图像采集器3可实时监测工件5的高度信息，并将信号传输至计算机控制系统1中。
12.进一步的，所述温度传感器为热电偶温度传感器，所述水位传感器为激光水位测量仪，所述图像采集器为光学闪测仪。
13.进一步的，所述加热器14为浸入式液体电加热管。
14.进一步的，所述冷却器15与水箱12形成回路，对冷却液进行冷却。
15.进一步的，所述冷却液为水及水与丙三醇等冷却剂的混合物，其具有沸点高、不易蒸发、不易燃等优点。
16.进一步地，所述增材制造成形系统4可以是送粉式增材制造成形系统或送丝式增材制造成形系统等。
17.进一步地，所述工件5及基板8材质为钛及其合金、铁及其合金、铝及其合金、镍及其合金、钴及其合金、陶瓷等可以用于增材制造的金属与非金属材料。
18.一种基于上述装置实现的水浴环境增材制造方法，包括以下步骤：
19.步骤一：增材制造开始前，使工作槽2内的冷却液与基板8上表面相平，此时工作槽2中冷却液的预设高度hs与冷却液的实际高度ht均为0mm，冷却液的实际温度为t0，设置增材制造过程所需的冷却液温度t1：当增材制造过程所需的线能量l≥10j/mm时，-20℃≤t1≤0℃；当l＜10j/mm时，0℃＜t1≤20℃，其中，l＝激光功率p/扫描速度v。
20.步骤二：比较t0、t1的大小，若t0＞t1，开启冷却器15对冷却液进行降温，若t1＞t0，开启加热器14对冷却液进行加热，当t0＝t1时，关闭加热器14或冷却器15。开启增材制造成形系统4，使其按照预定的路径在基板8上进行增材制造。
21.步骤三：完成一层沉积后，图像采集器3检测到单层沉积层的高度为z，设定冷却液上升的高度h1，当l≥10j/mm时，h1＝(0.5-0.7)z；当l＜10j/mm时，h1＝(0.3-0.5)z。重新设定工作槽2内冷却液的预设高度hs，hs＝h1 (n-1)z，同时比较hs与当前工作槽2中实际冷却
液高度ht的大小，当hs＞ht时，加大进液阀11流量，直至hs＝ht时，将进液口流量与出液口流量调至一致，开始下一层增材制造，n为沉积层数。
22.步骤四：重复步骤二和步骤三直至完成工件5的成形。
23.本发明的有益效果：
24.(1)本发明建立了线能量密度与冷却液温度之间的关系以及线能量密度、成形高度、冷却液高度之间的关系。可以精准、实时、全域调控增材制造过程中的温度梯度，从而减少因热累积带来的变形、开裂及组织不一致等问题，同时可以起到细化晶粒的作用。
25.(2)本发明的冷却液在工作过程中处于流通状态，避免了因冷却液的热积累而影响冷却效果，同时可以通过调节不同冷却液温度来适应不同材料以及不同温度梯度要求的增材制造过程，尤其可以满足梯度材料不同的温度梯度控制要求。
26.(3)本发明实现闭环自动控制，增材开始后无需人为干涉，大幅提高了成形效率，降低了成本。
附图说明
27.图1为一种水浴环境增材制造方法所采用的装置示意图。
28.图中：1计算机控制系统；2工作槽；3图像采集装置；4增材制造系统；5工件；6温度传感器；7夹具；8基板；9水位传感器；10进液管；11进液阀；12水箱；13水泵；14加热器；15冷却器；16过滤器；17出液阀；18出液管。
具体实施方式
29.以下通过具体实例来说明本发明的具体操作方法。
30.本实例的水浴环境增材制造方法所采用的装置包括增材制造成形系统4、水浴冷却系统、传感系统以及计算机控制系统1。
31.所述水浴冷却系统包括水箱12、进液管10、进液阀11、出液管18、出液阀17、水泵13、过滤器16、加热器14、冷却器15以及工作槽2。所述的进液管10一端接工作槽2，另一端接水泵13，进液管10上设有进液阀11。所述的出液管18一端接工作槽2，另一端接过滤器16，出液管18上设有出液阀17。所述的加热器14设置在水箱12内部，水箱12内还设有过滤器16。所述的冷却器15与水箱12相连。所述的进液阀11、出液阀17、加热器14及冷却器15分别与计算机控制系统1相连接；进液阀11与出液阀17可疏通或截断冷却液，同时可以控制冷却液的流量大小；加热器14及冷却器15可对水箱12中的冷却液进行加热或冷却。
32.所述增材制造成形系统4位于工作槽2内，工作槽2内底面设有夹具7，可将基板8固定于工作槽2内，增材制造系统4在基板8上进行增材制造。
33.所述传感系统包括温度传感器6、水位传感器9及图像采集器3，温度传感器6位于工作槽2底部，水位传感器9位于工作槽2内侧壁，图像采集器3位于同轴送粉激光增材制造系统4上方，分别测量工作槽2中冷却液的温度t0、冷却液的高度ht以及工件5的高度。
34.进一步地，所述工件5及基板8材质为钛及其合金、铁及其合金、铝及其合金、镍及其合金、钴及其合金、陶瓷等可以用于增材制造的金属与非金属材料。
35.所采用的增材制造成形系统4为同轴送粉激光增材制造成形系统，粉末材料为tial合金粉末，基板材料为tc4合金，基板尺寸为130*130*10mm，工件5的高度为20mm，温度
传感器6为热电偶传感器，水位传感器9为激光水位测量仪，图像采集器3为光学闪测仪，加热器14为浸入式液体电加热管，冷却液为丙三醇与水的混合物，进液阀11与出液阀17皆为电磁阀。
36.一种基于上述装置实现的水浴环境增材制造方法，包括以下步骤：
37.步骤一：增材制造开始前，使冷却液与基板8上表面相平，此时工作槽2中冷却液的预设高度hs与实际高度ht均为0mm，此时冷却液的实际温度为t0＝20℃，设置增材制造过程所需的冷却液温度t1＝-10℃：此时线能量l(l＝激光功率p/扫描速度v)＝15j/mm。
38.步骤二：开启冷却器15对冷却液进行降温，当t0＝t1＝-10℃时，关闭冷却器15。开启同轴送粉激光增材制造成形系统4，使其按照预定的路径进行增材制造。
39.步骤三：图像采集器3检测到第一层沉积层的高度z＝10mm，设定冷却液上升的高度h1＝0.6z＝6mm。重新设定工作槽2中冷却液的预设高度hs＝h1 (n-1)z＝6mm，此时工作槽2中实际冷却液高度ht＝0mm，加大进液阀11流量，直至hs＝ht＝6mm时，将进液口流量与出液口流量调至一致。
40.步骤四：此时冷却液的实际温度t0为5℃，开启冷却器15对冷却液进行降温，直至t0＝t1＝-10℃时，关闭冷却器15，开启同轴送粉激光增材制造成形系统4进行第二层增材制造。
41.步骤五：图像采集器3检测到第二层沉积层的高度z为10mm，重新设定工作槽2中冷却液的预设高度hs＝h1 (n-1)z＝16mm，此时工作槽2中实际冷却液高度ht＝6mm，加大进液阀11流量，直至hs＝ht＝16mm时，将进液口流量与出液口流量调至一致，完成工件5的增材制造。
42.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。