一种强化3D打印工件的装置及方法

一种强化3d打印工件的装置及方法
技术领域
1.本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种强化3d打印工件的装置及方法。

背景技术：

2.3d打印(3dp)是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(aec)、汽车，航空航天等都有了广泛的应用。但由于3d打印技术的成型特点，一般其打印工件内部及表面会有较多微小的孔隙和缺陷，这大大降低了材料的使用性能。电磁感应加热技术是一种利用电磁感应原理将电能转化成热能的技术，利用电磁感应加热从金属内部直接加热，这个过程可以一定程度上释放金属工件的残余应力并且可以加大材料的塑性。然后通过表面强化处理技术可以很大程度提升打印工件的力学性能，但大多数表面强化技术比如超声喷丸等可能会在工件表面形成较大的粗糙度，甚至造成工件的表面损伤，并且喷丸一般只能对简单外形的工件进行处理，对于一些工件尖端和极限位置以及特定形状的超材料则不能进行很好的强化处理。超声空化是指当超声波能量足够高时，存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的现象。在此期间会产生大量的空化气泡并且溃灭瞬间形成极大的压力，以此来冲击强化处理金属表面。但是与传统表面强化处理技术相比，虽然此技术没有工件形状的限制，并且不会在被处理工件表面造成大的损伤，但是不能否认超声空化处理强度相对较低。

技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于电磁感应加热和超声空化联合强化3d打印工件的装置及方法，电磁感应加热和超声空化联合可以高效地修复复杂的3d打印件的表面及内部的微小孔洞及缺陷，并且可以强化被处理工件的表面，提升工件的力学性能。
4.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
5.一种强化3d打印工件的装置，包括超声波组件、电磁组件和工作腔室；所述工作腔室内部装有液体介质，处理工件固定安装于工作腔室内并浸没于所述液体介质中；所述超声波组件包括超声波辐射头，所述超声波辐射头具有声波辐射面，用于向工作腔室内辐射超声波；所述电磁组件包括缠绕于工作腔室表面的感应线圈，以及与所述感应线圈连接的脉冲电流控制器，接通脉冲电流控制器可使感应线圈通入脉冲电流，由于电磁感应，工件内部产生涡流并开始加热。
6.上述方案中，所述液体介质为水。
7.上述方案中，所述工作腔室采用非金属耐高温材料。
8.上述方案中，所述声波辐射面与工件上表面平行，且距离工件上表面0.7-0.9mm。
9.上述方案中，所述超声波组件还包括与所述超声波辐射头相连的超声波变幅杆、与所述超声波变幅杆相连的超声波换能器、与所述超声波换能器相连的超声波发生器。
10.相应的，本发明还提出一种强化3d打印工件的方法，包括以下步骤：
11.s1、将工件固定于工作腔室内，向工作腔室中加液体介质直至浸没工件；在工作腔室表面缠绕感应线圈，将感应线圈与脉冲电流控制器连接；安装超声波组件，使超声波辐射头位于工件的正上方；
12.s2、接通脉冲电流控制器，使感应线圈通入脉冲电流，由于电磁感应，工件内部产生涡流并开始加热，周围的液体介质同时对工件进行冷却；
13.s3、接通超声波组件产生超声波，超声波传入所述液体介质中，使得液体介质中产生超声波空化效应，超声空化在工件表面及内部产生空化泡，空化泡溃灭生成的微射流和冲击波，联合电磁感应加热，共同对工件表面进行强化。
14.上述方法中，步骤s1中，超声波辐射头的超声波辐射面与工件的上表面平行设置，处理距离控制在0.7-0.9mm。
15.上述方法中，步骤s2中，针对不同材料的工件，通过建立温度场的控制方程，根据控制方程调整脉冲电流参数从而精确控制工件加热温度，以实现不同材料下的最适合加热温度的控制；所述温度场的控制方程如下：
[0016][0017]
式中，ρ：材料密度；
[0018]
c：材料比热；
[0019]
λ：材料的导热系数；
[0020]
t：工件的瞬态温度，是与位置及时间有关的函数，即
[0021]
t＝t(x,y,z,t)，t为时间，x,y,z为笛卡尔坐标；
[0022]qv
：热源的强度，计算公式为：
[0023][0024]
式中，感生电流面密度。
[0025]
上述方法中，步骤s2中，所述脉冲电流参数包括脉冲电流的大小和频率，脉冲电流的大小范围在30-50a，频率范围在8-15khz。
[0026]
上述方法中，步骤s3中，超声波振幅范围在30-50微米，超声波频率范围在20khz-23khz。
[0027]
本发明的有益效果在于：
[0028]
本发明利用电磁感应加热从金属打印工件内部直接加热，污染小，热效率较高，同时由于工件是浸没在液体介质中，加热的同时对工件进行冷却，这个过程可以一定程度上释放金属打印工件的残余应力以及修复内部一些微小的孔洞，并且可以加大材料的塑性；与此同时，利用超声空化产生大量的空化泡来冲击材料表面，不仅可以强化材料，而且可以促进一些孔洞的愈合，对缺陷进行一定程度的修复。因此，极大的提升了3d打印件的应用领域和范围。
[0029]
针对不同材料的工件，通过建立以上温度场的控制方程，根据控制方程调整脉冲电流参数从而精确控制工件加热温度，以实现不同材料下的最适合加热温度的控制。
[0030]
本发明强化3d打印工件的装置通过电磁感应加热和超声空化联合作用，可以实现对3d打印的桁架等形状复杂的3d金属打印件表面的强化作用，扩大了3d打印件的工程应用领域和范围。且该装置易于操作，强化处理效率高。
附图说明
[0031]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0032]
图1是本发明强化3d打印工件的装置的整体结构主视图；
[0033]
图2是本发明强化3d打印工件的装置的部分结构轴测图；
[0034]
图3是本发明强化3d打印工件的装置的部分结构剖视图；
[0035]
图4是电磁感应加热和超声空化联合强化原理示意图。
[0036]
图中：11、超声波辐射头；111、声波辐射面；12、超声波变幅杆；13、超声波换能器；14、超声波发生器；21、感应线圈；22、脉冲电流控制器；30、工作腔室；31、液体介质；40、工件；50、支撑装置；60、涡流；70、空化泡。
具体实施方式
[0037]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0038]
如图1-3所示，为本发明实施例提供的一种强化3d打印工件的装置，包括超声波组件、电磁组件和工作腔室30。
[0039]
工作腔室30内部装有液体介质31，处理工件40固定安装于工作腔室30内并浸没于液体介质31中。
[0040]
超声波组件包括依次相连的超声波辐射头11、超声波变幅杆12、超声波换能器13和超声波发生器14。超声波辐射头11具有声波辐射面111，近距离安装于工件40上方，用于向工作腔室30内辐射超声波。超声波换能器13与超声波发生器14连接，用于将超声波发声器的高频振荡电信号转换成纵向机械振动的超声波，并传递给超声波变幅杆12；超声波变幅杆12用于将超声波机械振动的质点位移或速度放大，并传递给超声波辐射头11，由超声波辐射头11传入液体介质31中。
[0041]
电磁组件包括缠绕于工作腔室30表面的感应线圈21，以及与感应线圈21连接的脉冲电流控制器22，脉冲电流控制器22为感应线圈21提供脉冲电流。
[0042]
本发明强化3d打印工件的装置通过电磁感应加热和超声空化联合作用，可以实现对3d打印的桁架等形状复杂的3d金属打印件表面的强化作用，扩大了3d打印件的工程应用领域和范围。且该装置易于操作，强化处理效率高。
[0043]
进一步优化，液体介质31为水。
[0044]
进一步优化，工作腔室30采用非金属耐高温材料，其本身不会产生感应热。优选石英材料做成的透明腔室，便于观察强化过程。
[0045]
进一步优化，声波辐射面111与工件40上表面平行，且距离工件40上表面0.7-0.9mm。
[0046]
进一步优化，超声波换能器13和超声波辐射头11的连接端面中心可加工有螺纹，分别通过双头螺柱与超声波变幅杆12连接。
[0047]
进一步优化，感应线圈21采用铜线圈，截面为圆形，直径为4mm，并以1mm距离等间距的缠绕在透明腔室表面。
[0048]
进一步优化，工件40通过螺柱固定在工作腔室30底部。
[0049]
进一步优化，强化3d打印工件的装置还包括支撑装置50，超声波组件、电磁组件和工作腔室30分别通过螺纹螺柱安装于支撑装置50上。
[0050]
相应的，本发明还提出了一种强化3d打印工件40的方法，包括以下步骤：
[0051]
s1、将工件40固定于工作腔室30内，向工作腔室30中加液体介质31直至浸没工件40；在工作腔室30表面缠绕感应线圈21，将感应线圈21与脉冲电流控制器22连接；安装超声波组件，使超声波辐射头11位于工件40的正上方；
[0052]
s2、接通脉冲电流控制器22，使感应线圈21通入脉冲电流，由于电磁感应，工件40内部产生涡流60并开始加热，周围的液体介质31同时对工件40进行冷却；
[0053]
s3、接通超声波发声器的电源，使超声波组件产生超声波，超声波传入液体介质31中，使得液体介质31中产生超声波空化效应，超声空化在工件40表面及内部产生空化泡70，空化泡70溃灭生成的微射流和冲击波，联合电磁感应加热，共同对工件40表面进行强化。
[0054]
本发明的电磁组件可以通过电磁感应在被处理工件40内产生涡流60，并从材料内部直接加热，污染小，热效率较高；同时由于工件40是浸没在液体介质31中，加热的同时液体介质31也可以对工件40进行很好的冷却，避免其温度过高而影响工件40的原有形貌及性能，并且可以通过调节脉冲电流控制器22来调节感应线圈21的电流大小和频率，间接控制工件40加热温度。在工件40被加热同时通过液体介质31冷却，工件40的塑性会有所提高，并释放一定的残余应力，也可以促成一些3d打印件的微孔洞的愈合。与此同时，通过超声波组件进行超声空化作用，超声空化可以对加热工件40表面产生均匀而强烈的冲击作用，实现冲击表面的塑性变形，植入残余压应力，强化处理表面，并促进表面及浅层的微孔洞愈合，提升处理工件40的硬度，并且不会造成处理工件40表面的严重损伤。相反由于3d打印件的表面相对较为粗糙，超声空化处理还可以改善表面质量。
[0055]
上述方法中，超声波振幅越大，频率越大，超声波产生的能量越强，振动效果越好，然而表面强化过强也可能造成表面损伤；脉冲电流大小和频率也需要经过实验确定，以保证可以精确控制温度区间：
[0056]
脉冲电流参数包括脉冲电流的大小和频率，脉冲电流的大小范围在30-50a，频率范围在8-15khz；
[0057]
超声波振幅范围在30-50微米，超声波频率范围在20khz-23khz；
[0058]
超声波辐射面111距离工件40的最佳处理距离在0.7-0.9mm。
[0059]
上述方法中，可以通过调节脉冲电流控制器22来调节感应线圈21的电流大小和频率，间接控制工件40加热温度。其具体原理如下：
[0060]
当感应线圈21中通入某一频率的交变电流，交变电流在感应线圈21附近产生交变磁场，由楞次定律，金属工件40在交变磁场会产生阻碍外加磁场变化的感应电势，进而产生感应电流，并生成热量，实现金属工件40的加热。
[0061]
电磁感应定律可表述如下:
[0062][0063]
式中e：感生电动势；
[0064]
穿过导体的磁通量；
[0065]
t：时间。
[0066]
从式(1)中可以看出，工件40的感生电动势正比于横截面上的磁通变化率，负号表示电动势的方向。若工件40横截面上存在闭合回路，在感应电势的作用下，工件40横截面上产生感应电流i，称为涡流60，涡流60克服电阻做功就会产生焦耳热:
[0067]
q＝i2r
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
式中q：电流产生的焦耳热；
[0069]
r：闭合回路中的电阻；
[0070]
△
t:感应时长。
[0071]
由于涡流60集中分布在导体表面，感应加热升温时属于非稳态导热过程，因此需要建立温度场的瞬态方程，根据能量守恒定律可知，在单位时间内，物体外部传导的热量和内部热源提供的热量之和等于物体内部的热和一部分温度升高需要的热量。感应加热中工件的瞬态温度是与位置及时间有关的函数，即:
[0072]
t＝t(x,y,z,t)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0073]
式中x,y,z为笛卡尔坐标。
[0074]
涡流60作为内热源，其强度(单位体积发热功率)为：
[0075][0076]
式中，qv：热源的强度；
[0077]
感生电流面密度；
[0078]
ρ：材料密度。
[0079]
则可以得到温度场的控制方程：
[0080][0081]
式中，ρ：材料密度；
[0082]
c：材料比热；
[0083]
λ：材料的导热系数；
[0084]
t：工件的瞬态温度，是与位置及时间有关的函数，见公式(3)；
[0085]qv
：热源的强度，见公式(4)。
[0086]
针对不同材料的工件40，通过建立以上温度场的控制方程，根据控制方程调整脉冲电流参数从而精确控制工件40加热温度，以实现不同材料下的最适合加热温度的控制。3d打印工件40在边加热边冷却的过程中不仅可以修复孔洞和微小缺陷，而且可以释放一定的残余应力，此外加热过程中可以一定程度上使得材料塑性提高，更利于冲击强化，对于3d打印件的超材料结构，超声空化通过产生大量的空化气泡溃灭，来冲击整个工件40，并且气泡可以全面强化工件40，不受工件40的形状影响，通过产生塑性应变并引入残余压应力来强化工件40。
[0087]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0088]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：

1.一种强化3d打印工件的装置，其特征在于，包括超声波组件、电磁组件和工作腔室；所述工作腔室内部装有液体介质，处理工件固定安装于工作腔室内并浸没于所述液体介质中；所述超声波组件包括超声波辐射头，所述超声波辐射头具有声波辐射面，用于向工作腔室内辐射超声波；所述电磁组件包括缠绕于工作腔室表面的感应线圈，以及与所述感应线圈连接的脉冲电流控制器，接通脉冲电流控制器可使感应线圈通入脉冲电流，由于电磁感应，工件内部产生涡流并开始加热。2.根据权利要求1所述的强化3d打印工件的装置，其特征在于，所述液体介质为水。3.根据权利要求1所述的强化3d打印工件的装置，其特征在于，所述工作腔室采用非金属耐高温材料。4.根据权利要求1所述的强化3d打印工件的装置，其特征在于，所述声波辐射面与工件上表面平行，且距离工件上表面0.7-0.9mm。5.根据权利要求1所述的强化3d打印工件的装置，其特征在于，所述超声波组件还包括与所述超声波辐射头相连的超声波变幅杆、与所述超声波变幅杆相连的超声波换能器、与所述超声波换能器相连的超声波发生器。6.一种强化3d打印工件的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置进行，包括以下步骤：s1、将工件固定于工作腔室内，向工作腔室中加液体介质直至浸没工件；在工作腔室表面缠绕感应线圈，将感应线圈与脉冲电流控制器连接；安装超声波组件，使超声波辐射头位于工件的正上方；s2、接通脉冲电流控制器，使感应线圈通入脉冲电流，由于电磁感应，工件内部产生涡流并开始加热，周围的液体介质同时对工件进行冷却；s3、接通超声波组件产生超声波，超声波传入所述液体介质中，使得液体介质中产生超声波空化效应，超声空化在工件表面及内部产生空化泡，空化泡溃灭生成的微射流和冲击波，联合电磁感应加热，共同对工件表面进行强化。7.根据权利要求6所述的一种强化3d打印工件的方法，其特征在于，步骤s1中，超声波辐射头的超声波辐射面与工件的上表面平行设置，处理距离控制在0.7-0.9mm。8.根据权利要求6所述的一种强化3d打印工件的方法，其特征在于，步骤s2中，针对不同材料的工件，通过建立温度场的控制方程，根据控制方程调整脉冲电流参数从而精确控制工件加热温度，以实现不同材料下的最适合加热温度的控制；所述温度场的控制方程如下：式中，ρ：材料密度；c：材料比热；λ：材料的导热系数；t：工件的瞬态温度，是与位置及时间有关的函数，即t＝t(x,y,z,t)，t为时间，x,y,z为笛卡尔坐标；q
v
：热源的强度，计算公式为：
式中，感生电流面密度。9.根据权利要求8所述的一种强化3d打印工件的方法，其特征在于，步骤s2中，所述脉冲电流参数包括脉冲电流的大小和频率，脉冲电流的大小范围在30-50a，频率范围在8-15khz。10.根据权利要求6所述的一种强化3d打印工件的方法，其特征在于，步骤s3中，超声波振幅范围在30-50微米，超声波频率范围在20khz-23khz。

技术总结

本发明涉及一种强化3D打印工件的装置及方法，装置包括包括超声波组件、电磁组件和工作腔室；工作腔室内部装有液体介质，处理工件固定安装于工作腔室内并浸没于液体介质中；超声波组件包括超声波辐射头，超声波辐射头具有声波辐射面，用于向工作腔室内辐射超声波；电磁组件包括缠绕于工作腔室表面的感应线圈，以及与感应线圈连接的脉冲电流控制器；通过电磁感应加热和超声空化联合作用，可以实现对3D打印的桁架等形状复杂的3D金属打印件表面的强化作用。本发明通过电磁感应加热和超声空化联合可以高效地修复复杂的3D打印件的表面及内部的微小孔洞及缺陷，并且可以强化被处理工件的表面，提升工件的力学性能。提升工件的力学性能。提升工件的力学性能。