(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)【申请公布号】CN110520299A
(43)【申请公布日】20191129

(21)【申请号】201880023655.7
(22)【申请日】20180404
(30)【优先权数据】2017901251_20170406_AU
(71)【申请人】 易福仁科技私人有限公司 ; 【地址】 澳大利亚,贝维尤 ;
(72)【发明人】 拜伦·约翰·肯尼迪 ; 史蒂文·皮特·卡米莱里 ; 莱伊尔·道格拉斯·恩伯里 ; 塞尔文·詹姆斯·拉维恩 ; 托比·约翰·杰瑞特 ;
(74)【专利代理机构】北京高沃律师事务所 11569【代理人】张琳丽 ;
(51)【Int.CI.】 B33Y 50/02 (2006.01) ; B33Y 10/00 (2006.01) ; B33Y 30/00 (2006.01) ; B33Y 40/00 (2006.01) ; C23C 24/00 (2006.01) ; B29C 64/20 (2006.01) ; B29C 64/393 (2006.01) ;

(54)【发明名称】喷涂沉积装置
(57)【摘要】本发明涉及通过喷涂沉积生产3D物体的装置。该装置具有粉末输送管线A,用于将夹带在载气中的喷涂材料流输送至喷嘴(第一流)。该装置还具有工艺管线B,其用于将气流输送至喷嘴(第二流)。该装置还具有喷涂喷嘴8。该装置使得对所述第一流的压力和温度参数进行实时控制,但不对所述第二流的这些参数进行实时控制。所述两个流合并以将喷涂材料从喷嘴8推进至基体来形成3D物体。

【权利要求书】


1.通过喷涂沉积生产3D物体的装置,该装置具有:

·第一管线,其设置成将夹带在载气中的喷涂材料流输送至喷嘴(第一流);

·第二管线,其设置成将气流输送至所述喷嘴(第二流);及

·喷涂喷嘴;

所述装置使得对所述第一流的压力和温度参数进行实时控制,但不对所述第二流的这些参数进行实时控制,并且,所述两个流合并以将喷涂材料从所述喷嘴推进至基体来形成3D物体。

2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述第一管线包括感测装置,用于感测所述第一管线中的气流参数。

3.根据权利要求1或2所述的装置,其中,所述第一管线包括喷涂材料进料器,用于将喷涂材料送至通过所述第一管线移动的气体中。

4.根据权利要求1、2或3所述的装置,其中,所述装置包括用于所述第一管线中的气体的压力和温度传感器,并且这些传感器将读数发送至电子控制器,该电子控制器响应于所述读数对所述第一管线中的气体的压力和温度进行调节,以使喷涂材料离开所述喷嘴时具有所需的喷涂特性。

5.根据权利要求4所述的装置,其中,所述控制器控制送入通过所述第一管线移动的气体中的喷涂材料的量。

6.根据前述任一权利要求所述的装置,其中,所述第一和第二管线从共同的贮存器接收气体。

7.根据权利要求6所述的装置,其中,具有过滤器,其在气体进入所述贮存器之前对气体进行过滤。

8.根据前述任一权利要求所述的装置,其中,在每种情况下所述气体都包括压缩空气。

9.根据权利要求8所述的装置,其中,所述压缩空气在进入所述第一和第二管线之前通过除湿器。

10.根据权利要求1所述的装置,其中:

a)所述第一管线包括喷涂材料进料器,用于将喷涂材料送至通过所述第一管线移动的气体中;

b)具有用于所述第一管线中的气体的压力和温度传感器,并且这些传感器将读数发送至电子控制器,该电子控制器响应于所述读数对所述第一管线中的气体的压力和温度进行调节,以使喷涂材料离开所述喷嘴时具有所需的喷涂特性;

c)所述控制器控制送入通过所述第一管线移动的气体中的喷涂材料的量;

d)所述第一和第二管线从共同的贮存器接收气体;

e)具有过滤器,其在气体进入所述贮存器之前对气体进行过滤;

f)在每种情况下所述气体都包括压缩空气;及

g)所述压缩空气在进入所述第一和第二管线之前通过除湿器。

11.根据权利要求10所述的装置,其中,所述喷嘴为会聚-发散式喷嘴,其设置成接收夹带有喷涂材料的空气,并就增大其速度、降低其压力和降低其温度来转变该空气。

12.根据权利要求11所述的装置,其中,该装置包括加热器,其设置成加热所述第二流。

【说明书】


喷涂沉积装置

【0001】技术领域

【0002】本发明涉及用于形成3D物体的喷涂沉积装置。

【0003】背景技术

【0004】采用冷喷涂技术形成3D物体是众所周知的。采用的喷涂材料涉及到金属、陶瓷、聚合物或任何其他合适的颗粒。将喷涂材料分层施加到3D基体上,以最终形成所需要的形状。在一些已知的系统中,由于需要引入和控制超音速喷涂粉末流,所以导致冷喷涂工艺很复杂。这样就对控制沉积过程的计算机化系统提出了很高的要求。

【0005】在一些系统中,冷喷涂涉及到使用高速(例如,300-1200m/s)气体射流,以将1-50μm的粉末颗粒加速到基体上。这些颗粒以超音速接触基体并发生塑性变形,在撞击时结合。随着颗粒继续轰击系统,它们会“堆叠”起来形成目标3D形状。如果使用适当的控制参数,则在颗粒之间形成的结合会非常强,从而有助于生产高质量的产品。

【0006】一些已知的冷喷涂系统涉及到:

【0007】·加热加压气体源,以向喷涂颗粒提供动能;

【0008】·粉末供给系统,为喷涂提供颗粒;

【0009】·会聚-发散式施用喷嘴,以使颗粒达到所需要的超音速(例如,可通过De Laval实现);

【0010】·用于接收颗粒的基体;及

【0011】·电子控制系统,以监测和调节喷涂参数(例如,速度和温度)。、

【0012】这些部件的配置方式及其操纵过程变量的方式决定了是具有低压喷嘴系统还是高压喷嘴系统。这些已知的系统具有输送高速气流的主管线或工艺管线及通过次级气流的方式将来自进料器的喷涂粉末输送至该主气流的“输送管线”。该工艺管线布置在喷嘴最狭窄点之前,换言之,布置在其上游上。粉末输送管线可位于喷嘴上游(对于高压系统)或下游(对于低压系统)。

【0013】低压系统使得可以使用较简单的控制特征、较便宜的设备和较高的系统可移植性。然而,由于次优粒子速度,相对较低的沉积速率和喷涂材料在基体上较低质量的沉积可能会抵消这些益处。

【0014】高压系统通常需要高压压缩气体,以将粉末自粉末进料器输送至喷嘴。已知氦气在高压冷喷涂技术中表现良好,但其价格相对昂贵。虽然存在氦气回收系统,但这些系统很复杂,并且只能适度有限地延长所使用的氦气的寿命。氮(例如,液氮)通常较便宜但性能不佳。高压冷喷涂可用于诸如军事和航空铸造等高容限作业及修理作业。依赖纯净的、零湿度工艺气体(例如,液氮)是惯例做法。

【0015】通常优选高压冷喷涂系统,因为高压冷喷涂系统往往会产生非常高的颗粒速度,从而形成更好的沉积并产生更好的成品质量。粉末在喷嘴高压侧上的注入可使颗粒撞击速度最大化,并使不良变化最小化。这种系统可以消除文丘里管中的湍流混合区域。去除通常存在于低压系统中的文丘里管可减少颗粒速度的不良变化。这就是说,高压系统由于控制系统的波动仍会遭受沉积速度的变化。这些波动可使沉积过程变得无法预测。

【0016】在冷喷涂系统中,撞击前的颗粒速度通常是一个重要的变量。没有足够高的速度,颗粒不会结合,而速度太高,颗粒会破坏已经沉积的颗粒。为了保持较高的工艺性能,通常须保持较高的颗粒撞击速度。这样可以改善最终的材料性能及沉积效率。理想的冷喷涂系统将获得稳定的喷射流,其可以在颗粒沉积范围内以恒定的高速度将喷涂颗粒输送至基体上。

【0017】流体的速度与其流量密切相关。在该领域内,存在一个已知的关于通过De Laval喷嘴1的质量流量的方程:

【0018】

【0019】其中,

【0020】 单元:kg/s

【0021】p0=喷嘴贮存器压力,单元:Pa

【0022】A*=喷嘴喉部面积,单元:m2

【0023】

【0024】T0=喷嘴贮存器温度,单元:K

【0025】γ=气体绝热膨胀率

【0026】R=比气体常数

【0027】参照上述方程,如果已知喷嘴的几何结构、气体压力、气体温度和几个常数,则可以确定质量流量。由于这种可计算的关系,某些已知的冷喷涂系统集中于提供和/或控制最合适的温度、压力、喷嘴尺寸或这些参数的特定配置或控制。

【0028】为获得理想结果,通过测定流量以及调节温度和压力来调节通过高压冷喷涂系统的工艺气体的质量比率。通常,(喷涂粉末与工艺气体之间的) 质量比率保持在5%左右。这可以通过测定气体质量比率并通过测定通过主工艺管线的气体流量、以及调节来自粉末进料器的喷涂材料的输送来实现。

【0029】粉末输送管线中的气压被保持在预定水平上,以保证向喷嘴供给的喷涂粉末是恒定的。喷涂材料进料器具有较小直径的喷射器管,以便使粉末进料管中的气体速度最大化。申请人发现,尽管进行了这样的预设,但是通过喷射器的流仍会发生显著变化。这就会影响粒子速度,从而影响沉积的一致性。

【0030】典型的高压冷喷涂技术方案要测定主工艺管线的温度、压力和质量流量,并对这些进行控制,有时也要测定并控制粉末输送管线的。提供用于进行这种测定和控制的设备是资源密集且价格昂贵的。

【0031】发明目的

【0032】本发明一优选实施例的目的在于提供喷涂沉积装置,其中,调节喷涂材料进料管线中的气流以实现良好沉积。尽管这适用于优选实施例,但应该理解的是,本发明的目的本身仅仅是提供一种有用的选择。因此,优选实施例的优点的任何对象都不应被视为对更广泛地表达的权利要求的限制。

【0033】定义

【0034】本文件中使用的有关特征或步骤的组合的术语“包括”不排除存在其他未指定特征或步骤的可能。因此,该术语是包含性的,而非排他性的。

【0035】与在沉积之前设置参数完全不同,“实时”控制涉及在基体上进行有效喷涂沉积的同时对参数进行调节。

【0036】发明内容

【0037】根据本发明的一个方面,提供通过喷涂沉积生产3D物体的装置,该装置具有:

【0038】·第一管线,其设置成将夹带在载气中的喷涂材料流输送至喷嘴(第一流);

【0039】·第二管线,其设置成将气流输送至所述喷嘴(第二流);及

【0040】·喷涂喷嘴;

【0041】所述装置使得对所述第一流的压力和温度参数进行实时控制,但不对所述第二流的这些参数进行实时控制,并且,所述两个流合并以将喷涂材料从所述喷嘴推进至基体来形成3D物体。

【0042】可选地,所述第一管线包括感测装置,用于感测所述第一管线中的气流参数。

【0043】可选地,所述第一管线包括喷涂材料进料器,用于将喷涂材料送至通过所述第一管线移动的气体中。

【0044】可选地,所述装置包括用于所述第一管线中的气体的压力和温度传感器,并且这些传感器将读数发送至电子控制器,该电子控制器响应于所述读数对所述第一管线中的气体的压力和温度进行调节,以使喷涂材料离开所述喷嘴时具有所需的喷涂特性。

【0045】可选地,所述控制器控制送入通过所述第一管线移动的气体中的喷涂材料的量。

【0046】可选地,所述第一和第二管线从共同的贮存器接收气体。

【0047】可选地,具有过滤器,其在气体进入所述贮存器之前对气体进行过滤。

【0048】可选地,所述气体包括压缩空气。

【0049】可选地,所述压缩空气在进入所述第一和第二管线之前通过除湿器。

【0050】可选地,所述喷嘴为会聚-发散式喷嘴,其设置成接收夹带有喷涂材料的空气,并就增大其速度、降低其压力和降低其温度来转变该空气。

【0051】可选地,所述装置包括加热器,其设置成加热所述第二流。

【0052】附图简要说明

【0053】下面将参照图1通过示例方式对本发明的一些优选实施例进行描述,其中,图1以示意性方式示出了用于形成3D物体的冷喷涂装置。

【0054】具体实施方式

【0055】该装置具有电动机驱动的空气压缩机1,空气压缩机1吸入并压缩大气空气。然后通过自排式(auto-draining)过滤器2对空气进行过滤,并将其贮存在贮存器3中,贮存器3的尺寸设计成减小由压缩机1的循环动作引起的压力变化。接下来在空气链上的是制冷型除湿器4,该除湿器4从贮存器3接收空气并对其进行除湿。此时的空气适于用作工艺气体。然后,将空气分成两股气流,每股都有其自身的路径。

【0056】第一条路径是粉末输送管线A,其将空气供给至喷涂粉末进料部。该粉末输送管线A包括可控降压元件5、流量传感器6和粉末进料器7。喷涂粉末自进料器7被送至空气流,并通过同轴注射器(未示出)输送至超音速喷嘴8。

【0057】第二条路径是主工艺管线B,该主工艺管线B供给用于向喷涂颗粒提供速度的工艺气体流(本情况下为空气)。该工艺管线包括压力控制装置9 (例如,用于根据需要降低空气的压力)和气体加热器10。该加热器对空气加热,以提供其所需水平的能量。

【0058】来自粉末输送管线A的空气+喷涂粉末与来自主工艺管线的被提供能量的空气在喷嘴进口8a前会聚。在优选实施例中,喷嘴8为De Laval型会聚-发散式喷嘴,足以将来自工艺管线的低速-高压-高温空气转变为其出口 8b处的高速-低温-低压空气。从喷嘴发出的高速粉末流用于对基体进行冷喷涂,以形成目标3D物体。

【0059】在图中所示的优选实施例中,如果输送管线A中的压力高于主工艺管线B中的压力,则来自输送管线A的输送粉末的空气将只流入喷嘴注射器,从而只流入喷嘴8。为此,提供了压力控制装置9,其调节(例如,降低) 主工艺管线B中的空气压力,使得粉末可以从粉末输送管线A输送至喷嘴注射器。

【0060】压力控制装置9可手动调节,使得操作人员可以对其进行设置,以减小压缩机压力变化的影响。通常,该元件不需要是伺服机械式的。

【0061】优选实施例的一个重要方面在于控制冷喷涂装置的方式。可包括伺服机械压力调节器的降压元件5通过来自电子控制器11的信号进行控制。该控制器具有以软件实现的调谐的比例-积分-微分(PID)功能。

【0062】控制器11将来自流量传感器6的流动压力测量信号作为一个输入,并将外部信号作为另一输入。流量传感器6、降压元件5和控制器11一起形成控制系统。该系统能够将通过输送管线A的输送粉末的气体的流量(flow rate)控制为特定流量。参照输入至控制器11的外部信号调节该流量。

【0063】通过控制通过粉末输送管线A的输送粉末的气体的流量,可以使喷涂粉末流量保持在最小水平之上,在该最小水平下,粉末将阻塞或次优地输送至注射器和喷嘴。使输送粉末的气体与工艺气体(本情况下为空气)的比率最小化是重要的,以使供给至喷嘴8的气体的温度最大化。这是通过利用加热器10加热工艺气体实现的。由此,混入供给至喷嘴8的总气体中的输送粉末的气体占的比例越大,气体温度就越低,喷射的喷涂粉末的最终速度就越慢。

【0064】在优选实施例中,冷喷涂装置具有功能良好的控制系统,该控制系统依赖于最少数量的感测和控制特征,同时保持较高水平的控制和稳定性。已知的高压冷喷涂技术方案测定并控制主工艺管线的气体温度、压力及流量,有时也要测定并控制粉末输送管线的。发明人发现,至少在优选实施例中,简化控制系统具有比许多已知装置提高的稳定性的有益效果,这是因为有较少的控制系统进行“搜索”及彼此竞争。

【0065】在优选实施例中,准确的气体流量对于实现高质量的材料输出是至关重要的。在这种情况下,通过将流量严格控制为特定值以保持一致的粒子速度来实现高质量的输出。

【0066】在优选实施例中,通过粉末输送管线A的空气不被加热,即,将喷涂粉末输送至喷嘴注入点的空气不被加热。另一方面,主工艺管线B中的空气被加热至较高水平,以为颗粒通过喷嘴8时的加速提供足够的能量。因此,粉末输送管线中的空气与主工艺管线中的空气之间会产生温差。当较冷输送管线A的过高流量与主工艺管线B的较热空气结合时,其会降低喷嘴进口处的气体温度。这就会导致喷涂颗粒速度的降低。质量差的结果是对颗粒速度的控制不佳所导致的;因此,希望稳定并限制流过喷射管的空气的最大流速。优选实施例就是这样做的。

【0067】在进给粉末/空气的情况下,优选实施例确保在将粉末输送至喷嘴时有最低水平的空气流通过粉末输送管线A以润滑粉末。可以设置质量比率下限(此下限下流体发生堵塞)及质量比率上限(此上限下喷嘴温度过度冷却)。位于此下限以上和上限以下的理想设置用作控制系统中的目标值,该控制系统继而能够通过测定体积流量或质量流量并使用可控压力降将空气流稳定至最佳流量来控制空气流。

【0068】为了简化控制系统,优选实施例仅实时控制粉末输送管线A的参数。这与现有技术不同,现有技术是集中于实时控制主工艺管线的参数。虽然在装置进行冷喷涂时不对主工艺管线中的空气流的参数进行调节,但当然可以事先将其调节/设置到必要的值。

【0069】由于喷嘴的几何结构是已知的,主工艺管线的气体压力和温度也是已知的,因此可以确定质量流量。利用该知识,通过设置(与控制完全不同) 部件参数来计算主工艺管线B中的质量流量。这些参数包括空气温度(例如,通过加热器10)、空气压力和压降(例如,元件5处)中的一个或多个。设置这些参数使得可以在开环控制的意义上预测和调节质量流量,而无需直接对其进行测定和控制。

【0070】优选地,以会聚-发散式超音速喷嘴的性能作为用于确定离开喷嘴8的喷涂材料的参数的一个参数。在优选实施例中,实时调节通过粉末输送管线A的流量对于过程稳定是很重要的。因此,对流量进行严格实时控制是实现平滑连续喷涂工艺性能的唯一要求,而无需复杂的温度和压力控制。

【0071】消除对主工艺管线B的实时控制的一个优点在于,与其他情况相比,可以使用更低流量的传感器。

【0072】在优选实施例中,期望确保送至喷嘴8的空气的压力和温度具有较小时变。时变部分地通过输送管线B上的储气器3来限制,该储气器3减少了气压波动。如果不控制或避免波动,则时变变化可导致所产生的喷涂颗粒速度发生不期望的波动,从而降低所生产的3D物体的质量。

【0073】通过仅控制粉末输送管线A上的空气流,并允许通过进气压力、设定温度和喷嘴几何结构来确定主工艺管线B中的空气流,可以消除或减少系统中的搜索(hunting)和不稳定性。系统成本也可相对较低,仅涉及粉末进料侧上的一个小流量的控制系统,而没有主工艺管线B上的压力控制。

【0074】对粉末输送管线A上的空气参数的实时控制可有效实现冷喷涂系统的稳定。在优选实施例中,控制器11用于改变空气压力,以实现确定的最佳流量。这有助于使粉末输送管线A的压力低于主工艺管线B的压力,并有助于使喷嘴8处的空气温度变化尽可能地低。

【0075】控制粉末输送管线A而不是主工艺管线B也是有用的,因为粉末输送管线中的小波动对系统稳定性具有较高的相对影响。

【0076】在优选实施例中,经发现,通过在粉末输送部具有30.5bar的压力,并在喷嘴注射器的出口处具有30bar的压力-压降为0.5bar,可以实现从喷嘴 8流出的有用的喷涂材料流量。假设存在系统波动,在该波动中,(由于某种原因)喷嘴注射器处的压力由30bar降低到29.5bar,则压降加倍至1bar。最终的流量从0.71K上升到1K,增加了约50%。这种1.7%的小压力变化(对于30bar为0.5bar)可使粉末输送流显著增加50%。这种高灵敏度表明对粉末输送管线的压力进行严格有效控制有利于实现系统稳定性。

【0077】虽然优选实施例使用空气作为工艺气体,但,在其他实施例中,也可以使用替代气体,例如,液氮或氦。空气是优选的,因为它可以在使用时被连续压缩,而不必高度压缩在瓶内,这意味着出射温度不是低温的,与其他情况相比,可以使用较小的加热器。这可以通过降低能耗进一步降低工艺成本。

【0078】在优选实施例中,该装置利用小型传感器测定通过粉末进料器7和注射器的气体流量,并控制压降元件5以保持粉末输送管线A中理想的喷涂颗粒质量流量。

【0079】虽然已通过示例方式对本发明的一些优选实施例作了描述,但,应理解的是,在不脱离所附权利要求的范围的情况下,可以进行修改和改进。

【说明书附图】


【0001】


图1