一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，该系统包括温度场监控系统、加热系统和控制系统；温度场监控系统包括红外相机和测温热电偶，加热系统包括侧面加热系统、底面加热系统和冷却系统；控制系统分别与侧面加热系统以及底面加热系统通过控制信号连接，控制系统用于分别或同时控制温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，以及底面加热系统的开启、关闭、功率调节。本实用新型专利技术还能对已成形的构件直接进行去应力退火处理或者加工的同时直接进行去应力处理，有效解决成形过程中易出现的变形、翘曲、开裂等问题，既节约时间又节省能源，同时还能有效缩短设备占用时间，提高设备利用率。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于高能束增材制造
，具体涉及一种立体式、分区式梯度温度场主动调控系统。本技术特别适用于高能束增材制造及其热处理，也适用于其他需要有温度梯度调控的加工型设备中。
技术介绍
相对于传统的去除-切削加工方法，增材制造技术是一种基于“离散-堆砌”原理“自下而上，逐层增加”由零件三维数据驱动直接制造所需零件的方法。在此基础上,金属增材制造技术是以高能束流（激光束、电子束、等离子或离子束）为热源，加热材料使之结合（烧结或熔化），直接制造零件的方法。在加工过程中由于经受多次快速重熔和高温热循环的影响，温度场、构件的尺寸精度处于不断变化。受零件形状、尺寸变化的影响，逐层制造的零件中往往容易因局部温度不均匀产生热应力从而导致零件的变形、收缩和翘曲，当构件的尺寸越大、形状越复杂时这一现象更加突出。为了改善形局部热输入造成的不均匀温度场而产生的残余应力，最常用的办法是对加工好的成形件进行后续热处理，其中经历的冷却-再升温过程将会造成时间、保护气体、热能等资源上不同的浪费，而这将直接增加研发周期以及研发成本。此外，冷却过程中可能出现应力释放导致加工好的构件出现变形、翘曲甚至开裂等情况，加大生产出次品、废品的风险。最重要的是，变形、翘曲甚至开裂等情况往往在加工过程中便已经出现，此种方法由于缺少对成形过程中的内应力控制，并不能从根本上解决问题。针对这一情况提出在加工前及加工过程中对成形区域进行预热处理，在材料的熔化-凝固过程中起到预热缓冷的作用，通过对温度场的调节减小甚至消除加工过程中的内应力。当前文献中的处理办法大多集中为在成形区域底部添加加热装置进行温度场的调控，（如EOS-SLM设备，采用基板预热，最高升温至80℃;Trumpf-SLM设备，采用基板预热，最高升温至250℃；文献Microstructuralandmechanicalapproachesoftheselectivelasermeltingprocessappliedtoanickel-basesuperalloy.JournalofMaterialsProcessingTechnology213(2013)606–613中提到的可将预热温度升到900℃等）,此种方法的弊端在于由于仅能通过底部加热进行单向预热,其预热效果将随着成形高度的增加而不断下降;除此之外还有利用人提出利用金属感应线圈对送粉缸进行预热（选择性激光选区熔化SLM设备送粉筒预热装置和预热方法，专利申请号201310024599.8）。但是由于在成形过程中，温度场的变化受成形工艺、零件形状复杂程度、尺寸大小、成形高度等多方面的影响，而上述控制方法由于其温度场控制灵活性不足，缺少对内部温度场的有效监测及控制手段，因而无法保证不同构件的加工质量一致性。为了实现加工过程中温度梯度的监测及可控，本申请人提出了一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备（专利申请号201510437070.8），该专利技术利用测温模块所测得的成形区域边界温度实时计算出熔池内部的温度梯度区间，并通过温控模块对成形区域施加合适的热流条件以实现对熔池及成形区域温度梯度区间的控制，但此方法仅局限于Z方向上的温度梯度控制，无法进行XOY平面上的温度梯度控制。
技术实现思路
针对上述问题，为了克服传统温度场控制系统单一不可自由调节的缺点，实现加工过程中Z方向及XOY平面的温度梯度调控，减小甚至消除加工过程中因温度梯度产生的内应力，本技术提供了一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统。为了克服传统温度场控制系统单一不可自由调节的缺点，本技术提供一种立体式、分区式梯度温度场主动调控系统。本技术提供的一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，其特征在于，该系统包括温度场监控系统、加热系统和控制系统；所述温度场监控系统包括红外相机和测温热电偶，所述加热系统包括侧面加热系统、底面加热系统和冷却系统；所述红外相机位于腔体内顶部，观测角度对准成型缸上表面，用于对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOZ平面的温度场云图，并提供给控制系统；所述测温热电偶均匀分布在成型缸的四周，用于对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图；所述底面加热系统固定在升降活塞和基板之间，并保证底面加热系统上表面水平，侧面加热系统分布在成型缸四周，侧面温度控制系统用于作为主要的热源进行温度场的控制调节；所述冷却系统由包裹在侧面加热系统外侧包裹的冷却层构成，其作用在于加工完成后对成型缸的冷却及避免加工过程中腔体内部过热；所述控制系统分别与侧面加热系统以及底面加热系统通过控制信号连接，控制系统用于分别或同时控制温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，以及底面加热系统的开启、关闭、功率调节。作为上述技术方案的改进，所述侧面加热系统由分布于成形缸的四周的四个侧面加热子统构成；单个侧面加热子系统由阵列分布的c×d个独立的侧面加热子模块构成；每个侧面加热子模块与一个所述测温热电偶唯一对应。作为上述技术方案的进一步改进，所述底面加热系统是由阵列分布的a×b个独立的底面加热子模块构成，这些独立的加热子模块均在同一个水平面上整齐排列，并由控制系统利用红外摄像机获得的温度场云图进行独立判断开启或者停止加热。上述侧面加热子模块与底面加热子模块结构相同，均由两层陶瓷板及夹在中间的加热功率可连续调节的加热元件构成。本技术利用红外相机对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOY平面的温度场云图，解决了传统热电偶智能进行简单点测量的缺点，对整个成形过程进行连续监控，并实时调整整个加工区域的温度场，确保在加工过程中整个加工区域的温度场恒定。本技术通过四周均匀分布的测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的加热系统进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定。本技术系统集温度场监控系统、加热系统、温度控制系统为一体。在加工过程中温度控制实现PID参数自动调节，当局部温度偏离设计温度时能通过调整相应加热模块的开启、关闭、功率调节实现温度的自动调节。本技术的主要原理为，在构件的加工过程中，利用红外相机及成形缸四周的测温热电偶（可同时开启或单独开启）对加工过程进行实时监控并获得整个系统内的温度场信息。将获得的温度场信息反馈给控制系统，将该信息进行量化处理并通过控制系统对各个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，其特征在于，该系统包括温度场监控系统、加热系统和控制系统；所述温度场监控系统包括红外相机和测温热电偶，所述加热系统包括侧面加热系统、底面加热系统和冷却系统；所述红外相机位于腔体内顶部，观测角度对准成型缸上表面，用于对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOZ平面的温度场云图，并提供给控制系统；所述测温热电偶均匀分布在成型缸的四周，用于对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图；所述底面加热系统固定在升降活塞和基板之间，并保证底面加热系统上表面水平，侧面加热系统分布在成型缸四周，侧面温度控制系统用于作为主要的热源进行温度场的控制调节；所述冷却系统由包裹在侧面加热系统外侧包裹的冷却层构成，其作用在于加工完成后对成型缸的冷却及避免加工过程中腔体内部过热；所述控制系统分别与侧面加热系统以及底面加热系统通过控制信号连接，控制系统用于分别或同时控制温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，以及底面加热系统的开启、关闭、功率调节。

【技术特征摘要】
1.一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，其特征在于，该系统包括温度场
监控系统、加热系统和控制系统；所述温度场监控系统包括红外相机和测温热电偶，所述加
热系统包括侧面加热系统、底面加热系统和冷却系统；
所述红外相机位于腔体内顶部，观测角度对准成型缸上表面，用于对整个成形区域进
行实时监控获取整个成形区域XOZ平面的温度场云图，并提供给控制系统；所述测温热电偶
均匀分布在成型缸的四周，用于对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ
及YOZ平面的温度点阵分布图；
所述底面加热系统固定在升降活塞和基板之间，并保证底面加热系统上表面水平，侧
面加热系统分布在成型缸四周，侧面温度控制系统用于作为主要的热源进行温度场的控制
调节；
所述冷却系统由包裹在侧面加热系统外侧包裹的冷却层构成，其作用在于加工完成后
对成型缸的冷却及避免加工过程中腔体内部过热；
所述控制系统分别与侧面加热系统以及底面加热系统通过控制信号连接，控制系统用
于分别或同时控制温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，以及底面加
热系统的开启、关闭、功率调节。
2.根据权利要求1所述的用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，其特征在于，所
述侧面加热系统由分布于成形缸的四周的四个侧面加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽敏，李方志，曾晓雁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42