增減混合裝備上的溫度調(diào)控技術(shù)最新進(jìn)展

增減混合3D打印設(shè)備，有其獨(dú)到的使用場(chǎng)景。但相關(guān)技術(shù)，存在諸多難題。例如溫度調(diào)控技術(shù)。


一、激光送粉的近凈成形技術(shù)：

是直接能量沉積技術(shù)的一種。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：

1)      激光束的能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材的熱影響較小，引起工件的變形小；

2)      控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；

3)      激光熔覆涂層與基材之間形成冶金結(jié)合，且生成組織細(xì)小。這些特點(diǎn)使得激光近凈成形技術(shù)近十年來(lái)在材料表面改性、增材制造與修復(fù)再制造等方面受到高度的重視。

二、混合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：

基于激光送粉的近凈成形與五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心裝備的結(jié)合，形成了獨(dú)特的增減混合五軸聯(lián)動(dòng)增材裝備。結(jié)合兩種工藝的優(yōu)勢(shì)，使用一套控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)混合的特殊工藝，將直接能量沉積技術(shù)的工藝適應(yīng)性大幅提高。國(guó)際上有很多著名的機(jī)床公司有類似的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)也有較為成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，在裝備和工藝方面研究較為深入企業(yè)。

三、溫度調(diào)控的作用：

增減混合裝備技術(shù)，并非簡(jiǎn)單的兩種工藝混合，同時(shí)要解決異種工藝的協(xié)調(diào)控制工藝，直接能量沉積技術(shù)的固有技術(shù)問(wèn)題。其中無(wú)論控形和控性，對(duì)于因能量輸入輸出引起的溫度變化加以監(jiān)視和控制，都是非常有意義的事情。

（１）溫度控制的作用一，降低裂紋敏感性：

裂紋是大面積激光熔覆和大件增材制造技術(shù)中比較棘手的問(wèn)題。熔覆層中存在殘余應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的原因。由于激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化而基體微熔，熔覆層和基體材料間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過(guò)程中，形成的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致，熔覆層受到周圍環(huán)境(處于冷態(tài)的基體) 的約束，因此在熔覆層中形成拉應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。試驗(yàn)表明，在熔覆前對(duì)零件或者基板進(jìn)行預(yù)熱和熔覆后的在線近似回火處理均會(huì)顯著降低裂紋敏感性。

（２）溫度控制的作用二，提高溫度梯度，控制凝固組織形貌：

有研究表明，基板預(yù)熱溫度越低, 激光沉積成形過(guò)程中基板與覆材的溫差越大 ,使得該方向的溫度梯度越高 ,則易于形成細(xì)長(zhǎng)密集的近似并行生長(zhǎng)的枝晶 .基板預(yù)熱溫度越高 ,激光沉積成形過(guò)程中基板與覆材的溫差越小, 使得該方向的溫度梯度越低;而較慢的散熱過(guò)程使得凝固過(guò)程相對(duì)放緩, 使得枝晶在高溫凝固過(guò)程中會(huì)有更多的時(shí)間長(zhǎng)得粗壯,凝固組織從而容易形成等軸晶。

控制激光金屬直接成形過(guò)程環(huán)境溫度，可以控制零件內(nèi)部組織為柱狀晶且定向生長(zhǎng)，即成形程是一個(gè)定向凝固的過(guò)程。

目前主要使用高速凝固法(HRS)和液態(tài)金屬冷卻法(LMC)兩種鑄造工藝制備鎳基單晶高溫合金。對(duì)于第三代鎳基單晶高溫合金, 相比HRS工藝, LMC工藝顯著降低合金的一次枝晶間距和顯微孔洞的(鑄態(tài)孔和固溶孔)體積分?jǐn)?shù), 而合金的共晶體積分?jǐn)?shù)有所增加。激光直接能量沉積技術(shù)近似配合溫度控制，原理近似LMC工藝，可實(shí)現(xiàn)單晶合金的制備。使用特殊的材料配合溫度控制，則可以制備非晶合金。

四、五軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的空間溫度調(diào)控系統(tǒng)：

空間的溫度監(jiān)控包括加熱系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)�；�礎(chǔ)溫控系統(tǒng)包括加熱裝置，隔熱裝置，冷卻裝置，每種裝置都帶有溫度測(cè)量?jī)x器，將數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整各部位的溫度。其中加熱裝置最高可達(dá)到表面400℃，升溫過(guò)程在1小時(shí)以內(nèi)。隔熱裝置主要隔斷工作臺(tái)內(nèi)部器件的熱量傳導(dǎo)，保證電子元件和運(yùn)動(dòng)部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。冷卻裝置采用水或者液態(tài)氣體，配合主軸上端的氣體冷卻可實(shí)現(xiàn)快速局部和整體制冷。

上圖集成在工作臺(tái)上的基礎(chǔ)溫度控制系統(tǒng)。

上圖采用外部移動(dòng)的加熱裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件整體溫度保持。