本發(fā)明涉及金屬成形件的3D打印領(lǐng)域，具體涉及局部打印部位的溫度控制。

背景技術(shù)：
近年，3D打印在世界范圍內(nèi)興起，正在快速改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和生活方式，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視并積極推廣該技術(shù)。隨著3D打印技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用3D直接制造金屬零件成為了制造業(yè)發(fā)展的新方向。目前用于金屬零件的3D打印的方法很多，基本的原理在于逐點(diǎn)添加熔融的金屬到基體上，加工出當(dāng)前層的輪廓，然后垂直移動(dòng)至下一個(gè)打印層，設(shè)備調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢?，F(xiàn)有的3D打印機(jī)成型的金屬零件存在一個(gè)問(wèn)題，即缺少對(duì)金屬結(jié)晶過(guò)程的控制，因而不易獲得需要的金相組織，機(jī)械性能和熱學(xué)性能還不能很好滿足直接使用的要求，必須經(jīng)后處理方可得到改善。在3D打印中，由于其處于打印點(diǎn)的熔融金屬的體積微小，傳熱效率高，說(shuō)明對(duì)打印點(diǎn)局部的熔融金屬的冷卻速度的控制具有可行性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了當(dāng)前3D打印所存在的力學(xué)性能方面的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種對(duì)金屬材料3D打印局部冷卻速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方法以改善。為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用的方案是：一種用于金屬材料3D打印局部溫度控制系統(tǒng)，其特征是，利用流動(dòng)的冷卻氣體與金屬基體接觸降溫，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量與溫度控制冷卻過(guò)程，所述的流動(dòng)的冷卻氣體是惰性氣體；結(jié)構(gòu)表征為：包括局部冷卻裝置，該局部冷卻裝置又包括冷卻室5、氣體入口3、氣體出口4，利用冷卻室將冷卻氣體與外部隔離開(kāi)來(lái)，氣體入口是冷卻氣體進(jìn)入冷卻室的入口，氣體出口是冷卻氣體流出冷卻室的出口，包括水冷裝置11，使熱的冷卻氣體冷卻到需要溫度供再利用，并防止過(guò)熱氣體對(duì)氣體循環(huán)裝置其他部件的損害；包括抽氣泵，使得在冷卻室的氣體出口處形成負(fù)壓，將冷卻室內(nèi)冷卻氣體抽出冷卻室，包括氣體流量調(diào)節(jié)閥10，用于控制氣體流量；以上局部冷卻裝置、水冷裝置、抽氣泵、氣體流量調(diào)節(jié)閥通過(guò)管路依次串接形成氣體的循環(huán)系統(tǒng)；包括紅外溫度傳感器，安裝于冷卻室的出口側(cè)，用于檢測(cè)金屬冷卻后金屬的溫度T3；包括兩個(gè)氣體溫度傳感器，分別檢測(cè)氣體入口、出口的溫度T1、T2，包括上位機(jī)，設(shè)置了以下參數(shù)：熔融點(diǎn)的溫度T4、打印臺(tái)移動(dòng)過(guò)一個(gè)冷卻室長(zhǎng)度的時(shí)間t、冷卻氣體比熱容c氣、金屬的比熱容c金、氣體密度ρ氣、處于冷卻室中的待冷卻金屬的質(zhì)量m、冷卻室和金屬與外部的熱量交換后得到的熱傳導(dǎo)效率η；包括主控制器，其輸入端分別與外溫度傳感器、氣體溫度傳感連接，其輸出端連接水冷裝置中的控制器、抽氣泵、氣體流量調(diào)節(jié)閥，主控制器通過(guò)通信電纜與上位機(jī)相連，獲取計(jì)算所需的數(shù)據(jù)；主控制器根據(jù)采集到的溫度數(shù)據(jù)以及上位機(jī)提供的數(shù)據(jù)，按照以下公式算法確定氣體的流量值q氣：其中:c氣、c金分別為冷卻氣體和金屬的比熱容，ρ氣為考慮溫度的氣體的密度，t為打印臺(tái)移動(dòng)過(guò)一個(gè)冷卻室長(zhǎng)度的時(shí)間，m為處于冷卻室中的待冷卻金屬的質(zhì)量，η為考慮到裝置和金屬與外部的熱量交換后得到的熱傳導(dǎo)效率，(T4-T3)/t表征了所需要的冷卻速度，T4、t恒定，T3是控制的對(duì)象；以上通過(guò)求解q氣得到氣體流量大?。浑S著q氣的變化，T2會(huì)隨之變化，在控制算法中加入了T2的反饋；所述主控制器根據(jù)金屬需要的冷卻速度控制流量大小。所述的冷卻室，是由隔離板6形成的通道，整個(gè)冷卻室殼體采用耐熱材料。在冷卻室的氣體出口旁的擋板下端增加一段防漏圓弧，以防止冷卻室內(nèi)的氣體泄漏到冷卻室外。有益效果本發(fā)明在現(xiàn)有3D打印技術(shù)上，通過(guò)對(duì)打印點(diǎn)附近剛形成的金屬組織的冷卻速度進(jìn)行控制，可以獲得所需要的金相組織，以獲得所需要的力學(xué)性能，并且可在整個(gè)打印過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變氣體流量，使整個(gè)金屬零件的力學(xué)性能分布得到優(yōu)化，采用本方法獲得的3D打印金屬件將具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，采用了本發(fā)明的3D打印機(jī)集成了熱處理功能，也可提高成形件的生產(chǎn)效率。打印過(guò)程中在線調(diào)節(jié)氣體流量，使不同部位具有不同金相組織。附圖說(shuō)明附圖1是局部冷卻裝置結(jié)構(gòu)原理圖。附圖2是冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理圖。附圖3控制系統(tǒng)硬件圖。附圖4是控制系統(tǒng)原理圖。數(shù)字標(biāo)記：1為打印頭，2為打印層，3為冷卻氣體進(jìn)口，4為冷卻氣體出口，5為冷卻室，6為冷卻室隔離板，7為防漏圓弧，8為紅外溫度傳感器，9為局部冷卻裝置，10為流量調(diào)節(jié)閥，11為水冷裝置，12為抽氣泵。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。如附圖1是局部冷卻裝置原理圖，在打印頭1旁附加一個(gè)局部冷卻裝置9，打印點(diǎn)的金屬熔融后，隨著打印臺(tái)的移動(dòng)進(jìn)入到該裝置的冷卻室5中，利用冷卻氣體帶走冷卻室內(nèi)的熱量，冷卻氣體從3進(jìn)入從4排出，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量來(lái)控制局部的冷卻速度以獲得需要的金相組織。為了防止冷卻氣體四處游散，冷卻室四周設(shè)有了隔離板6，盡量減少隔離板底部與打印金屬層的垂直距離，同時(shí)通過(guò)在冷卻氣體出口4施加負(fù)壓吸氣的辦法使氣體產(chǎn)生流動(dòng)，在出氣口旁的擋板下端增加一段防漏過(guò)渡圓弧7，采用這種方法，可使冷卻室的密封效果符合要求。為了更好實(shí)現(xiàn)控制，局部冷卻裝置進(jìn)出氣口設(shè)置氣體溫度傳感器分別得到溫度T1、T2，在裝置出口側(cè)設(shè)置紅外溫度傳感器檢測(cè)金屬冷卻后的溫度T3，連同熔融點(diǎn)的溫度T4一并傳入主控制器，主控制器能根據(jù)這幾個(gè)溫度以及金屬、氣體的熱力學(xué)參數(shù)，依照金屬需要的冷卻速度控制流量大小。利用氣體與金屬之間熱交換的平衡，冷卻氣體流量簡(jiǎn)便的計(jì)算方法為：其中c氣、c金分別為冷卻氣體和金屬的比熱容，ρ氣為考慮溫度的氣體的密度，t為打印臺(tái)移動(dòng)過(guò)一個(gè)冷卻室長(zhǎng)度的時(shí)間，m為處于冷卻室中的待冷卻金屬的質(zhì)量，η為考慮到裝置和金屬與外部的熱量交換后得到的熱傳導(dǎo)效率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。(T4-T3)/t表征了所需要的冷卻速度，由于T4、t恒定，T3是控制的對(duì)象。通過(guò)求解q氣得到氣體流量大小。隨著q氣的變化，T2會(huì)隨之變化，因此在控制算法中加入了T2的反饋，如附圖4所示。冷卻氣體通過(guò)循環(huán)裝置循環(huán)，采用了抽氣泵以形成負(fù)壓，采用氣體流量調(diào)節(jié)閥以控制氣體流量。從出氣口抽出的熱氣進(jìn)入到抽氣泵以前經(jīng)過(guò)水冷降溫，以防止對(duì)泵造成危害。通過(guò)控制水冷可以控制新鮮冷卻氣體的溫度。通過(guò)在打印過(guò)程中根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)氣體流量，可在金屬零件的不同部位實(shí)現(xiàn)不同的金相組織，從而使金屬零件各個(gè)部位具有不同的力學(xué)性能。附圖1表述了局部冷卻裝置的大致結(jié)構(gòu)，局部冷卻裝置可按照附圖1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，需要采用耐熱材料，如陶瓷等。裝置的進(jìn)、出氣口與圖2中的冷卻循環(huán)系統(tǒng)出、進(jìn)氣口相連接。為保證良好隔離效果，隔離板7底部與打印金屬層的垂直距離應(yīng)當(dāng)最多不超過(guò)冷卻室高度的1/20，隔離板厚度不小于冷卻室寬度的1/4。附圖2表示了整個(gè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的組成。冷卻系統(tǒng)管道采用金屬或其他耐熱材料以保證不因氣體的高溫而破壞。抽氣泵12根據(jù)需要選用，它可在在氣流進(jìn)口形成負(fù)壓，在氣流出口形成微小正壓，如果需要的氣體流量較小，也可采用微型抽氣泵。流量閥10推薦采用性能比較高的數(shù)字型氣體流量控制器，可以由主控制器向其輸入數(shù)字量信號(hào)以精確控制流量。對(duì)更新后冷卻氣體的溫度控制通過(guò)水冷裝置11來(lái)完成，水冷裝置中的控制器通過(guò)調(diào)整流量調(diào)節(jié)冷卻氣體的溫度。冷卻裝置出進(jìn)口溫度T2、T1的采集可以采用管道溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍至少應(yīng)滿足0-200℃，圖1中的傳感器8采用紅外溫度傳感器，用以測(cè)量冷卻后金屬溫度T4，應(yīng)當(dāng)注意為其增加隔熱裝置，并且同打印金屬層保持一定安全距離。整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)如圖3所示，具體的控制過(guò)程為：主控制器首先根據(jù)采集到的溫度數(shù)據(jù)以及上位機(jī)提供的必要數(shù)據(jù)，按照設(shè)計(jì)方案中得到的下式粗略估計(jì)氣體理想的流量值q氣：然后，根據(jù)紅外傳感器的反饋T3，按照?qǐng)D4所示的方法，利用T3與T’3的誤差，采用一定的控制算法如模糊算法、PID算法等，對(duì)q氣的值進(jìn)行精確修正，并將相應(yīng)的控制指令傳入氣體流量控制閥，由其完成對(duì)氣體流量的控制。隨著打印過(guò)程的進(jìn)行，可以根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的信息動(dòng)態(tài)調(diào)整理想冷卻速度，從而調(diào)整q氣使金屬不同的部位具有不同的金相組織，用以改善力學(xué)性能。圖3中，主控制器通過(guò)總線與上位機(jī)通信，獲取氣體、金屬屬性信息，獲取熔融點(diǎn)的溫度以及需要的冷卻速度；通過(guò)傳感器獲得實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到氣體流量，再驅(qū)動(dòng)氣體流量控制閥。主控制器還有一個(gè)功能是控制水冷裝置以控制冷卻氣體溫度。圖4中T1、T2為冷卻裝置進(jìn)出氣口氣體溫度，T3為金屬冷卻后的溫度，T4為打印熔融點(diǎn)的溫度。T’3為根據(jù)T4和給定冷卻速度所得到的金屬冷卻后的理想溫度。算法采用了帶T3反饋的閉環(huán)控制算法。