一种用于金属材料3D打印局部温度控制系统

摘要

本发明公开了一种用于金属材料3D打印局部温度控制系统，旨在对打印过程中的金属材料的待冷却部位进行及时的温度控制，以控制熔融金属的冷却过程，从而获得所需要的金相组织。本发明在现有3D打印技术打印头旁附加了一种局部温度控制装置，该装置将采用气体流动的方法对正在冷却的金属部分进行热量交换，通过控制气流的流量与温度，达到对局部金属组织冷却过程速度的控制，得到所需的金相组织，还可通过在打印过程中动态改变气体流量与温度，优化金属成形件的力学性能分布，改善力学性能。本发明适用于送粉式、送丝式的各种金属3D打印方法。

主权项

一种用于金属材料3D打印局部温度控制系统，其特征是，利用流动的冷却气体与金属基体接触降温，通过调节气体流量与温度控制冷却过程，所述的流动的冷却气体是惰性气体；结构表征为：包括局部冷却装置，该局部冷却装置又包括冷却室5、气体入口3、气体出口4，利用冷却室将冷却气体与外部隔离开来，气体入口是冷却气体进入冷却室的入口，气体出口是冷却气体流出冷却室的出口，包括水冷装置11，使热的冷却气体冷却到需要温度供再利用，并防止过热气体对气体循环装置其他部件的损害；包括抽气泵，使得在冷却室的气体出口处形成负压，将冷却室内冷却气体抽出冷却室，包括气体流量调节阀10，用于控制气体流量；以上局部冷却装置、水冷装置、抽气泵、气体流量调节阀通过管路依次串接形成气体的循环系统；包括红外温度传感器，安装于冷却室的出口侧，用于检测金属冷却后金属的温度T₃；包括两个气体温度传感器，分别检测气体入口、出口的温度T₁、T₂，包括上位机，设置了以下参数：熔融点的温度T₄、打印台移动过一个冷却室长度的时间t、冷却气体比热容c_气、金属的比热容c_金、气体密度ρ_气、处于冷却室中的待冷却金属的质量m、冷却室和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率η；包括主控制器，其输入端分别与外温度传感器、气体温度传感连接，其输出端连接水冷装置中的控制器、抽气泵、气体流量调节阀，主控制器通过通信电缆与上位机相连，获取计算所需的数据；主控制器根据采集到的温度数据以及上位机提供的数据，按照以下公式算法确定气体的流量值q_气：其中：c_气、c_金分别为冷却气体和金属的比热容，ρ_气为考虑温度的气体的密度，t为打印台移动过一个冷却室长度的时间，m为处于冷却室中的待冷却金属的质量，η为考虑到装置和金属与外部的热量交换后得到的热传导效率，(T₄‑T₃)/t表征了所需要的冷却速度，T₄、t恒定，T₃是控制的对象；以上通过求解q_气得到气体流量大小；随着q_气的变化，T₂会随之变化，在控制算法中加入了T₂的反馈；所述主控制器根据金属需要的冷却速度控制流量大小。