一种用于电子束增材制造的同步冷却装置及方法

技术领域

本发明属于电子束增材制造领域，尤其是涉及一种基于电子束熔丝或者铺粉增材制造的同步冷却装置及方法。

背景技术

电子束增材制造是指通过电子束熔化预制的粉末或者其他材料，逐层沉积制造三维金属零件的一种新型制造方法。其概念自20世纪80年代后期被提出来后得到快速发展，现在已广泛应用于航空航天、生物医学以及微纳制造等多个领域。与传统加工工艺相比具有能量密度大、能量利用率高以及无污染等优点，前景广阔。

但由于电子束能量密度高，并且在真空环境中工作，散热只能通过基材传热和热辐射散热，因此容易导致热量聚集，对加工质量产生影响。表面质量;另一方面，易导致组织粗化，使得最终构件的性能恶化。对于大尺寸构件来说，随着沉积髙度的不断增加，热输入量不断增多，熔池与基板距离越来越大，导致散热距离增加，散热困难，过热现象也因此变得更加严重。

目前，已经有不少关于增材制造冷却装置和方法的技术，有的基于激光增材制造特点，提出向加工材料表面喷惰性气体或液氮的方式，使气体与构件直接接触，将热量快速导出。还有采用环形喷水装置对电弧增材构件的局部组织进行冷却，但由于电子束需要在真空环境下工作，而气体和水均会影响真空室内真空度，所以该冷却方式不适用于电子束增材制造。有的研究者针对电子東增材制造特点，提岀将液态金属镓通入水槽，使镓与构件直接接触进行散热，该方法能够保证在高真空度的前提下提高散热效率，但镓的价格昂贵，在增材过程中会有损耗，导致打印成本增加。并且镓能够与铝合金发生反应，导致铝合金脆化，具有一定的局限性。

发明内容

基于以上原因，本发明旨在提出一种用于电子束增材制造的同步冷却装置及方法，加速散热，防止晶粒粗化，提高生产效率，改善表面性能。

为达到预期目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于电子束增材制造的同步冷却装置，包括设置与工作台连接的滑动导杆以及与导杆相连的冷却装置，冷却装置和工作台通过导杆相连，随工作台同步移动，电子束增材制造时，冷却装置和电子束同时作用于试件上表面。

所述的冷却系统包括冷却箱、冷却液、冷却管、过渡器、喷头以及法兰卡箍，过渡器通过法兰卡箍与冷却箱的下端相连；所述的冷却箱内设置有水冷管，间隙放置有水冷块，水冷管中放置有水冷液，水冷液在水冷管中不渗漏。

进一步的，所述水冷块内部设有蛇形的水冷管。

一种用于电子束增材制造的同步冷却装置的同步冷却方法，具体包括以下步骤：

步骤一、电子束增材制造前准备：将待加工工件固定于工作台上，进行抽真空处理。步骤二、实施电子束增材制造：在增材制造过程中，一般是通过熔丝进行的，电子枪固定不动，通过工作台的移动完成增材制造过程。由于冷却系统是与工作台相连的，因此能够随工作台同步运动。

进一步的，步骤二中，当待加工工件不要冷却时，控制喷头不喷出冷却液即可，当需要冷却时，可以控制其打开。

本发明所述的一种用于电子束增材制造的同步冷却装置能够在真空环境中实现柔性的接触传热，一方面解决了真空环境下散热难的问题，另一方面，与刚性接触相比，柔性接触面积较大，散热效率显著提髙；并且冷却方法为同步冷却，效果不随增材增材构件的高度增加而减弱，能够始终保持较髙的散热效率；该方法不仅能够减少热累积，抑制晶粒粗化，还节约了散热时间，提高了电子束增材技术的生产效率，改善了加工工件的表面质量。

附图说明

构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

附图中的图1为本发明提出的一种用于电子束增材制造的同步冷却装置的结构示意图。

附图中的图2为本发明提出的一种用于电子束增材制造的同步冷却装置的冷却系统结构示意图。

1-真空室，2-电子枪，3-电子束，4-送丝机构，5-试件，6-横向加工台，7-纵向加工台，8-排气系统，9-滑动导杆，10-冷却箱，11-法兰卡箍，12-过渡器，13-喷头，1101-水冷液，1102-水冷管。