一种模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备

摘要

本发明公开一种模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备，涉及高温差状态下金属增材制造领域，其包括：箱体；高速低温气流发生装置，其与箱体内部相连通；烟尘尾气过滤系统，箱体内部、烟尘尾气过滤系统、外界大气依次连通；多轴增材制造运动机构，其设置于箱体内部，3D打印装置设置于其上；多物理量采集系统，其设置于箱体内部，且其包括温度检测装置、气流检测装置、压力检测装置及烟尘检测装置；控制器，高速低温气流发生装置、烟尘尾气过滤系统、多轴增材制造运动机构、温度检测装置、气流检测装置、压力检测装置以及烟尘检测装置均与控制器通信连接。该增材制造平台装备能够实现极地环境下的增材制造成形加工工艺探索和产品性能测试工作。

说明书

技术领域

本发明涉及高温差状态下金属增材制造领域，特别是涉及一种模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备。

背景技术

增材制造，又称“3D打印技术”，是指运用计算机软件建立零件的三维模型，通过特定打印技术以逐层熔凝堆积的方法将离散材料(粉末、液体、丝材等)加工成形的一种低损耗叠层加工技术。通常为了能够保证成型产品的质量，增材制造的宏观环境，通常在25℃以上的空间，并且尽可能采用密闭或者低环流风的区域内，进行激光同轴送粉，电弧熔丝等增材制造工作。随着国家海洋战略向深海和两极拓展，在极地环境(高速低温气流)下，大量装备需要进行增材制造的意义凸显出来，但是目前缺乏对应的研究平台。

因此，如何提供一种能够用于模拟极地环境下的增材制造成形加工工艺探索和产品性能测试工作的增材制造平台成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备，以实现极地环境下的增材制造成形加工工艺探索和产品性能测试工作。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备，包括：箱体；用于产生高速低温气流的高速低温气流发生装置，其与所述箱体内部相连通；烟尘尾气过滤系统，所述箱体内部、所述烟尘尾气过滤系统、外界大气依次连通；多轴增材制造运动机构，其设置于所述箱体内部，3D打印装置设置于所述多轴增材制造运动机构上；多物理量采集系统，其设置于所述箱体内部，且其包括用于检测温度的温度检测装置、用于检测气流的气流检测装置、用于检测压力的压力检测装置及用于检测烟尘的烟尘检测装置；控制器，所述高速低温气流发生装置、所述烟尘尾气过滤系统、所述多轴增材制造运动机构、所述温度检测装置、所述气流检测装置、所述压力检测装置以及所述烟尘检测装置均与所述控制器通信连接。

优选地，所述箱体包括外部壳体和镶嵌于所述外部壳体内部的保温舱，所述高速低温气流发生装置和所述烟尘尾气过滤系统均与所述保温舱内部相连通，所述多轴增材制造运动机构和所述多物理量采集系统均设置于所述保温舱内部。

优选地，所述高速低温气流发生装置包括换热器、超低温冷水机以及高速气流发生装置，所述高速气流发生装置包括高速风机、拉瓦尔喷管以及气流表，所述高速风机与所述拉瓦尔喷管的一端相连通、以产生高速气流，所述气流表与所述拉瓦尔喷管相连通、以检测所述高速气流大小，所述拉瓦尔喷管的另一端与所述换热器相连通、以将所述高速气流输入所述换热器内，所述超低温冷水机与所述换热器相连通、以向所述换热器输送冷却水，所述换热器与所述箱体内部连通、以将换热后的所述高速气流输送至所述箱体内部，所述换热器、所述超低温冷水机、所述高速风机以及所述气流表均与所述控制器通信连接。

优选地，所述换热器包括循环风机和多个换热鳍片，所述循环风机的进风侧与所述拉瓦尔喷管远离所述高速风机的一端相连通，多个所述换热鳍片并排设置于所述循环风机的出风侧，各所述所述换热鳍片均与所述超低温冷水机相连通，所述循环风机与所述控制器通信连接。

优选地，所述烟尘尾气过滤系统包括防尘罩、负压抽循动力机构、残渣滤除装置及多孔滤芯，所述箱体上设置有出气口，所述出气口的外侧设置有一端与所述出气口相连通的所述防尘罩，所述防尘罩的另一端与所述负压抽循动力装置的进气口相连通，所述负压抽循动力装置的出气口与所述残渣滤除装置以及所述多孔滤芯依次连通，所述负压抽循动力装置与所述控制器通信连接。

优选地，所述负压抽循动力机构为负压风机。

优选地，所述多轴增材制造运动机构包括XYZ三轴运动机构和变位机，所述XYZ运动机构包括Y向直线模组、两个X向直线模组以及两个Z向直线模组，所述X向直线模组、所述Y向直线模组、所述Z向直线模组三者两两相互垂直，两个所述X向直线模组与两个所述Z向直线模组二者一一对应，且各所述Z向直线模组均与其所对应的X向直线模组的X向滑座固定连接，Y向直线模组的两端分别与两个Z向直线模组的Z向滑座固定连接，所述3D打印装置设置于所述Y向直线模组的Y向滑座上，所述变位机设置于两个所述Z向直线模组之间，且所述变位机设置于所述Y向直线模组的正下方，所述X向直线模组、所述Y向直线模组以及所述Z向直线模组均与所述控制器通信连接。

优选地，所述温度检测装置为温度传感器，所述气流检测装置为气流传感器，所述压力检测装置为压力传感器，所述烟尘检测装置为烟尘传感器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备高速低温气流发生装置对箱体内部空气进行冷却和加速，使箱体内部达到极地条件，多物理量采集系统及控制器配合实现箱体内部温度稳定可调，多轴增材制造运动机构实现极地条件下的增材制造成形加工，同时成形过程中产生的烟尘通过烟尘尾气过滤系统去除，如此设置，该模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备实现了极地环境下的增材制造成形加工工艺探索和产品性能测试工作，为总结极地环境下增材制造成形规律提供了可靠平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的高速气流发生装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的烟尘尾气过滤系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的换热器的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的多轴增材制造运动机构的结构示意图。

附图标记说明：100、模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备；1、高速气流发生装置；101、高速风机；102、拉瓦尔喷管；103、气流表；2、保温舱；3、烟尘尾气过滤系统；301、防尘罩；302、负压抽循动力机构；303、残渣滤除装置；304、多孔滤芯；4、多轴增材制造运动机构；401、X向直线模组；402、Y向直线模组；403、Z向直线模组；404、变位机；5、换热器；501、换热鳍片；502、循环风机；6、控制器；7、超低温冷水机；8、多物理量采集系统；9、3D打印装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够实现极地环境下的增材制造成形加工工艺探索和产品性能测试工作的模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示，本实施例提供一种模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备100，包括：箱体；用于产生高速低温气流的高速低温气流发生装置，其与箱体内部相连通；烟尘尾气过滤系统3，箱体内部、烟尘尾气过滤系统3、外界大气依次连通；多轴增材制造运动机构4，其设置于箱体内部，3D打印装置9设置于多轴增材制造运动机构4上；多物理量采集系统8，其设置于箱体内部，且其包括用于检测温度的温度检测装置、用于检测气流的气流检测装置、用于检测压力的压力检测装置及用于检测烟尘的烟尘检测装置；控制器6，高速低温气流发生装置、烟尘尾气过滤系统3、多轴增材制造运动机构4、温度检测装置、气流检测装置、压力检测装置以及烟尘检测装置均与控制器6通信连接。如此设置，该增材制造平台装备能够实现极地环境下的增材制造成形加工工艺探索和产品性能测试工作。

于本实施例中，具体地，箱体包括外部壳体和镶嵌于外部壳体内部的保温舱2，保温舱2用于减缓箱体内外空气换热，保温舱2与箱体内部形状一致，且保温舱2由低传热的保温材料制成，高速低温气流发生装置和烟尘尾气过滤系统3均与保温舱2内部相连通、以对保温舱2内部气体进行处理，多轴增材制造运动机构4和多物理量采集系统8均设置于保温舱2内部。

于本实施例中，具体地，高速低温气流发生装置包括换热器5、超低温冷水机7以及高速气流发生装置1，如图2所示，高速气流发生装置1包括高速风机101、拉瓦尔喷管102以及气流表103，高速风机101的一端与外界大气相连通、另一端与拉瓦尔喷管102的一端相连通、以产生高速气流，气流表103与拉瓦尔喷管102相连通、以检测高速气流大小，拉瓦尔喷管102的另一端与换热器5相连通、以将高速气流输入换热器5内，超低温冷水机7与换热器5相连通、以向换热器5输送冷却水，高速气流与冷却水在换热器5内进行换热，高速气流温度降低形成高度低温气流，换热器5与箱体内部连通、以将换热后的高速气流输送至箱体内部，换热器5、超低温冷水机7、高速风机101以及气流表103均与控制器6通信连接。具体地，超低温冷水机7为装备提供-50℃～-20℃的超低温水，保证保温舱2内环境温度达到极地环境温度条件。需要说明的是，超低温冷水机7和拉瓦尔喷管102的具体结构均属于现有技术，在此不再赘述。

于本实施例中，具体地，如图3所示，换热器5包括循环风机502和多个换热鳍片501，循环风机502的进风侧与拉瓦尔喷管102远离高速风机101的一端相连通，多个换热鳍片501并排设置于循环风机502的出风侧，各换热鳍片501均与超低温冷水机7相连通，循环风机502与控制器6通信连接，循环风机502驱动拉瓦尔喷管102产生的高度气流向换热鳍片501运动，高速气流在穿过换热鳍片501的过程中与换热鳍片501进行热交换来实现温度降低。

于本实施例中，具体地，如图4所示，烟尘尾气过滤系统3包括防尘罩301、负压抽循动力机构302、残渣滤除装置303及多孔滤芯304，箱体上设置有出气口，出气口的外侧设置有一端与出气口相连通的防尘罩301，防尘罩301的另一端与负压抽循动力装置的进气口相连通，负压抽循动力装置的出气口与残渣滤除装置303以及多孔滤芯304依次连通，负压抽循动力装置与控制器6通信连接。具体使用过程中，废渣经过负压抽循动力机构302驱动后，沉积在残渣滤除装置303，废气经过多孔滤芯304滤除。

于本实施例中，残渣滤除装置303为过滤网。

于本实施例中，具体地，负压抽循动力机构302为负压风机。

于本实施例中，具体地，如图5所示，多轴增材制造运动机构4包括XYZ三轴运动机构和变位机404，变位机404具体选用两轴变位机404，XYZ运动机构包括Y向直线模组402、两个X向直线模组401以及两个Z向直线模组403，X向直线模组401、Y向直线模组402、Z向直线模组403三者两两相互垂直，两个X向直线模组401与两个Z向直线模组403二者一一对应，且各Z向直线模组403均与其所对应的X向直线模组401的X向滑座固定连接，Y向直线模组402的两端分别与两个Z向直线模组403的Z向滑座固定连接，3D打印装置9设置于Y向直线模组402的Y向滑座上，变位机404设置于两个Z向直线模组403之间，且变位机404设置于Y向直线模组402的正下方，X向直线模组401、Y向直线模组402以及Z向直线模组403均与控制器6通信连接。3D打印装置9的具体结构属于现有技术，在此不再赘述。具体使用过程中，3D打印模型成型于两轴变位机404上，打印过程中，两轴变位机404驱动3D打印模型转动，使得3D打印装置9能够更好、更快地完成3D打印模型的打印。

X向直线模组401、Y向直线模组402以及Z向直线模组403结构相同，X向直线模组401、Y向直线模组402以及Z向直线模组403均包括电机、丝杠、滑轨以及可滑动地设置于滑轨上的滑座，滑座可滑动地设置于滑轨上，丝杠与滑座螺纹连接，电机与丝杠传动连接。使用时中，电机驱动丝杠转动，丝杠转动使得滑座沿滑轨的长度方向移动。

于本实施例中，具体地，温度检测装置为温度传感器，气流检测装置为气流传感器，压力检测装置为压力传感器，烟尘检测装置为烟尘传感器。控制器6具体为PLC控制器。

具体工作过程中，本实施例提供的模拟极地条件深冷状态下的增材制造平台装备100启动后，通过控制器6设定保温舱2内部温度(高速低温气流温度)、气流流速(高度低温气流)及压力，控制器6接收多物理量采集系统8采集的各项数据，闭环控制高速风机101、换热器5及超低温冷水机7启动，使保温舱2内环境达到设定值，之后启动多轴增材制造运动机构4进行增材制造成形加工。在多轴增材制造运动机构4工作的同时控制器6不断接收多物理量采集传感器系统采集的数据，处理之后与设定值进行比较并控制相应设备的启停，实现温度、气流及压力的闭环控制。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。