一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法技术

一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法，包括3D打印装置，3D打印装置喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置和熔池形貌在线监测装置；熔池形貌在线监测装置输出和中控系统输入连接，中控系统输出通过磁场控制系统和外加磁场发生装置控制输入连接；熔池形貌在线监测装置监测熔池形貌特征，将信息实时传输中控系统；中控系统分析并与理想熔池形貌进行对比，实时调整参数，将调整指令传输至磁场控制系统，磁场控制系统执行指令，改变外加磁场发生装置中电流的大小和方向，外加磁场发生装置施加局部的磁场约束熔池形貌,并提供磁压力促进层间结合，同时还对熔池搅拌；本发明专利技术降低了增材制造成本，提高了层间结合强度，改善了成形质量和成形精度。

【技术实现步骤摘要】
一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法
本专利技术属于金属增材制造
，具体涉及一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法。
技术介绍
金属增材制造技术因其独特的工艺优势，在复杂构件的制造领域获得了越来越多的应用。现有的金属增材制造技术在成形具有复杂悬垂特征的构件时仍存在许多挑战，目前主要有两种增材制造悬垂特征构件成形模式。对于采用固定或单自由度基板的增材制造模式，在重力的作用下熔池下垂甚至脱落，导致层间结合强度降低。因此，支撑结构辅助成形成为加工该类悬垂结构件最普遍的方法之一。然而，由于支撑结构需要定制，增加了生产成本，降低了制造效率，而且去支撑后还无法保证悬垂结构的精度和质量。对于具有多自由度基板的增材制造模式，通过对基板的准确旋转/移动，前序打印层可为熔池提供支撑，从而避免熔池下垂，但由于层间压力只有重力，导致层间润湿性不足，同时缺乏熔池搅拌作用。为了提高打印件的成形精度和成形质量，涌现出了一些采用外加磁场实现无支撑加工悬垂结构件的增材制造方法和设备。中国专利(公告号为CN108621420A)中，公开了一种磁力辅助成形3D打印成形装置及方法，分别将上电磁平台固接于3D打印机顶部，下电磁平台安装于成形平台正下方，使其对打印的悬臂结构施加的竖直向上的磁力平衡竖直向下的重力，最终使熔池在空中稳定悬浮固化成形。中国专利(公告号为CN109703018A)中，公开了一种无支撑磁悬浮式全方位3D打印系统及方法，利用布置在打印系统上方或下方的电磁铁阵列给整个打印部件提供向上的磁力，用来平衡悬垂结构的重力，然后采用多个打印头从多个方位向打印基体喷射或沉积打印材料。中国专利(公告号为CN109759587A)中，公开了一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，采用平移或转动工件的方法，使悬垂结构件的沉积面始终处于水平，达到稳定熔池的目的。上述三种方法都能够在无支撑辅助情况下改善悬垂结构件的成形质量和成形精度，但也都存在一定的不足之处。中国专利(公告号为CN108621420A)中的电磁平台与熔池之间的距离较大，所以磁场强度衰减较快，降低了控制灵敏度，而且只能形成竖直向上的磁力，导致熔池的润湿性不足，容易产生球化效应和分层现象。中国专利(公告号为CN109703018A)采用磁悬浮模式将整个打印件悬空，需要提供的磁场强度相对较大，所以仅限于成形质量较轻的打印件,也无法对熔池进行搅拌。中国专利(公告号为CN109759587A)中不存在磁压力，只有重力提供层间压力，导致层间结合强度不足，同时缺乏熔池的搅拌作用，不利于熔池中的气泡逃逸以及合金元素的均匀分布。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备和方法，不仅能节约成本，提高工件的致密度，还能保证成形质量和成形精度。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，包括3D打印装置1，3D打印装置1成形具有悬垂特征的打印件7，形成熔池9，3D打印装置1的喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置3和熔池形貌在线监测装置2，3D打印装置1的喷嘴位于熔池9的上方，与熔池9一起移动；熔池形貌在线监测装置2的输出和中控系统4的输入连接，中控系统4的输出通过磁场控制系统5和外加磁场发生装置3的控制输入连接；熔池形貌在线监测装置2用于在线监测熔池9的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统4；中控系统4用于分析熔池9的形貌特征，并与理想的熔池形貌进行对比，实时调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统5，磁场控制系统5执行来自中控系统4的指令，实时改变外加磁场发生装置3中电流的大小和方向，外加磁场发生装置3用于施加局部的磁场约束熔池9的形貌。所述的外加磁场发生装置3包括三组相互垂直的磁感应线圈，每组磁感应线圈通过一个电机3-3安装在磁隔离罩3-1上，磁隔离罩3-1的出口处配备集磁器3-2；每组磁感应线圈能够绕着各自的中心轴旋转，通过调节电机3-3的转速控制磁场的旋转速度，从而搅拌熔池9。所述的磁感应线圈由相间缠绕着的线圈3-4和冷却铜管3-5组成，通过调节线圈3-4中的电流大小和方向能够获得任意强度和方向的磁场，冷却铜管3-5通过循环冷却水对相邻线圈3-4的表面进行降温。利用一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备的方法，包括以下步骤：步骤1)：通过计算机CAD软件对具有悬垂结构特征的打印件7建立三维模型，并利用增材制造系统软件对三维模型进行切片分层和路径规划；步骤2)：3D打印装置1的喷嘴按预设路径成形具有悬垂特征的打印件7，形成熔池9；外加磁场发生装置3在熔池9周围施加预设方向和强度的磁场，熔池9中流动的液态金属在外加磁场下受电磁力作用，电磁力对熔池9的控制表现为：一是平衡熔池9受到的重力，还对熔池9产生了磁压力，对熔池9起约束成形的作用，提高了熔池9的润湿性以及熔池9与上一打印层的结合强度；二是线圈3-4在电机3-3的转动作用下，实现了磁场的自旋，通过调节电机3-3的转速改变熔池9的搅拌速率，提高熔池9的流动性和熔覆性；步骤3)：熔池形貌在线监测装置2在线监测熔池9的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统4分析；若形貌特征属于理想熔池范围，则重复步骤2)；若形貌特征偏离理想范围，则调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统5执行，通过改变磁感应线圈中的电流大小和方向，从而达到理想熔池形貌特征范围，然后重复步骤2)；步骤4)：重复步骤2)-3)直至整个打印件成形完毕。所述的步骤3)中熔池形貌在线监测装置2采用激光位移传感器、或高速摄像机等监测仪器。一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备的方法，还能够用于修复具有悬垂特征的零件。本专利技术有益效果为：1.本专利技术与辅助支撑3D打印方法相比，有效避免了去支撑后打印件变形等问题，在降低生产成本的基础上，也保证了成形质量和成形精度。2.本专利技术外加磁场发生装置仅在局部熔池周围施加磁场约束，与磁悬浮式相比，大大降低了所需磁场强度，而且可打印的范围也不再受工件重量影响；局部旋转磁场对熔池存在一定的搅拌作用，有助于熔池底部的气泡及时逸出，提高打印件的致密度，同时也有助于熔池中合金元素的均匀分布以及形核，达到弥散强化和细晶强化的目的。3.本专利技术外加磁场发生装置可以对熔池施加任意所需强度和大小的磁场，与单方向磁场相比，熔池中形成的电磁力不仅可以平衡重力，还对熔池有磁压力，提高了熔池的润湿性和层间结合强度。4.本专利技术外加磁场发生装置仅通过改变磁感应线圈中的电流大小和方向便可改变熔池周围的磁场强度，方便快捷，控制灵敏。5.本专利技术外加磁场发生装置配备磁隔离罩和集磁器，不仅降低了磁场对丝材或粉材的影响，同时还降低磁场的衰减程度，保证在熔池周围形成足够的磁场强度。附图说明图1为本专利技术实施例设备的示意图。图2为本专利技术中的外加磁场发生装置和在线监测熔池形貌装置的安装示意图。图3为本专利技术中的外加磁场发生装置的内部结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，包括3D打印装置(1)，其特征在于：3D打印装置(1)成形具有悬垂特征的打印件(7)，形成熔池(9)，3D打印装置(1)的喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置(3)和熔池形貌在线监测装置(2)，3D打印装置(1)的喷嘴位于熔池(9)的上方，与熔池(9)一起移动；熔池形貌在线监测装置(2)的输出和中控系统(4)的输入连接，中控系统(4)的输出通过磁场控制系统(5)和外加磁场发生装置(3)的控制输入连接；熔池形貌在线监测装置(2)用于在线监测熔池(9)的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统(4)；中控系统(4)用于分析熔池(9)的形貌特征，并与理想的熔池形貌进行对比，实时调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统(5)，磁场控制系统(5)执行来自中控系统(4)的指令，实时改变外加磁场发生装置(3)中电流的大小和方向，外加磁场发生装置(3)用于施加局部的磁场约束熔池(9)的形貌。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，包括3D打印装置(1)，其特征在于：3D打印装置(1)成形具有悬垂特征的打印件(7)，形成熔池(9)，3D打印装置(1)的喷嘴两侧安装有外加磁场发生装置(3)和熔池形貌在线监测装置(2)，3D打印装置(1)的喷嘴位于熔池(9)的上方，与熔池(9)一起移动；熔池形貌在线监测装置(2)的输出和中控系统(4)的输入连接，中控系统(4)的输出通过磁场控制系统(5)和外加磁场发生装置(3)的控制输入连接；熔池形貌在线监测装置(2)用于在线监测熔池(9)的形貌特征，并将信息实时传输给中控系统(4)；中控系统(4)用于分析熔池(9)的形貌特征，并与理想的熔池形貌进行对比，实时调整参数，并将调整指令传输至磁场控制系统(5)，磁场控制系统(5)执行来自中控系统(4)的指令，实时改变外加磁场发生装置(3)中电流的大小和方向，外加磁场发生装置(3)用于施加局部的磁场约束熔池(9)的形貌。


2.根据权利要求1所述的一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，其特征在于：所述的外加磁场发生装置(3)包括三组相互垂直的磁感应线圈，每组磁感应线圈通过一个电机(3-3)安装在磁隔离罩(3-1)上，磁隔离罩(3-1)的出口处配备集磁器(3-2)；每组磁感应线圈能够绕着各自的中心轴旋转，通过调节电机(3-3)的转速控制磁场的旋转速度，从而搅拌熔池(9)。


3.根据权利要求2所述的一种磁约束加工悬垂结构件的增材制造设备，其特征在于：所述的磁感应线圈由相间缠绕着的线圈(3-4)和冷却铜管(3-5)组成，通过调节线圈(3-4)中的电流大小和方向能够获得任意强度和方向的磁场，冷却铜管(3-5)通过循环冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄科，李新志，常天行，井龑东，方学伟，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61