一种双侧移动热源协同增材制造方法

本发明涉及增材制造技术，尤其是一种热源协同的增材制造技术，具体地说是一种双侧移动热源协同的增材制造方法。

背景技术：

1、增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景。

2、然而，现有增材制造技术普遍采用单侧移动热源加热正在沉积的材料，材料在单侧移动热源作用下反复经历非同步的极端高温和快速冷却。剧烈且不均匀的物理、化学变化导致材料厚度方向大而不均的热、相变应力不断累积，致使构件在增材制造过程中就产生极大变形，严重时构件甚至与面板脱离进而难以完成制造。此外，当构件内应力超过材料本身所能承受的极限强度时，构件将面临开裂和结构失效等严重制造缺陷。因此，现有单侧移动热源加热方法从原理上必然产生大而不均的应力，导致构件变形大、缺陷多，严重制约了航空航天等领域高端装备的高质高精增材制造。

3、调控温度场是控制增材制造应力和变形的重要方法，国内外企业界、学术界围绕增材制造过程中温度场的调控开展了大量的科学研究和技术研发工作。1)支撑结构及路径优化：cn202310282050.2、cn202211361480.5等专利提出基于预测结果对增材制造的单侧移动热源路径和支撑结构进行联合优化进而控制残余应力和变形，但该方法仍旧采用单侧移动热源，原理上难以避免厚度方向大而不均的残余应力；2)提高制造环境温度：cn202010992847.8等专利提出将增材制造装置放置于高温环境中，实现构件整体均匀预热缓冷，降低增材制造过程中的成形热应力，进而有效抑制材料开裂；3)基板加热：cn202010217603.2等提出对用于增材制造的基板进行加热，降低构件厚度方向的温度梯度进而减小残余应力水平。上述方法引入了除单侧移动热源外的整体热源，但受限于材料保形和与基板的粘合约束，即整体热源无法加热至材料的熔融温度，整体热源加热温度必然远低于单侧移动热源的温度，仍旧存在构件厚度方向的温度梯度，进而仍难以避免大而不均的残余应力。

4、cn202311438122.4提出通过在基板背面增加一个移动热源来减小基板本身的翘曲变形，进而减少基板变形对构件的影响。该方法仅考虑了基板两侧的温度场平衡，虽然有助于基板在增材制造过程中保持形状稳定，但由于基板上的温度低于构件，因此即使施加了基板背部的移动热源仍难以完全消除构件厚度方向的温度梯度，进而仍难以避免构件大而不均的残余应力。综上所述，现有方法难以控制构件大而不均的残余应力，进而难以实现航空航天等领域高端装备的高质高精增材制造。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有单侧热源增材制造过程中构件反复经历非同步的极端高温和快速冷却导致残余应力大而不均的问题，提出了一种双侧移动热源协同的增材制造方法，在已沉积材料的上下两侧分别施加移动热源，通过协同调控双侧移动热源的作用范围、功率密度等参数，形成沿构件中心面呈“镜像”分布的温度场，保证材料在反复加热融化、冷却相变的过程中始终保持应力平衡，进而大幅减小厚度方向的热、相变应力，从而显著抑制构件的变形，实现高质高精增材制造。

2、本发明的技术方案为：

3、一种双侧移动热源协同增材制造方法，其特征在于构件逐层增材过程中，在已制造材料的上下两侧分别施加移动热源，其中一侧移动热源随增材路径移动并加热已制造的表层材料和正在增加的材料，施加另一移动热源加热已制造材料的另一侧，所述另一移动热源与前述移动热源在已制造材料两侧独立移动，协同调控双侧移动热源的作用范围、功率密度等参数实现协同增材制造。

4、所述移动热源是作用于材料表面或内部一定区域内的加热功率在空间中的作用范围发生变化的热源。

5、所述双侧移动热源的施加原理可以是热空气等热对流加热原理，也可通过红外辐照、激光辐照等热辐射加热原理，也可通过热喷嘴、热滚轮、热压头、热模具等热传导加热原理，也可以通过接触或非接触式的射频、感应或微波馈能形成材料内部热源；根据材料两侧的热边界条件及参数例如环境温度、对流耗散系数、模具比热容、传热系数等选取合适的加热方式，保证已沉积材料两侧热源直接作用于材料表面或内部。

6、所述双侧移动热源在材料两侧移动方法按照以下方法实施，定义δl1为已制造零件材料沉积点沿增材轨迹切线方向的曲率半径，获取所述沉积点沿厚度方向延长线与零件另一侧表面的交点，过该交点作平行于沉积点增材轨迹切线方向的参考线，δl2为所述交点沿所述参考线的曲率半径；当δl1＝δl2时，双侧热源加热功率作用范围同步并形成沿已制造材料中心面对称的温度场，当δl1≥δl2时，弧长增量为δl1一侧的移动热源作用范围和功率密度大于弧长增量为δl2一侧的移动热源，当δl1≤δl2时，弧长增量为δl1一侧的移动热源作用范围和功率密度小于弧长增量为δl2一侧的移动热源。

7、本发明的有益效果是：

8、本发明针对复合材料固化成型明显优势在于：现有单侧移动热源加热增材制造方法原理上必然导致零件两侧极大的温差，进而形成大而不均的残余应力，最终导致零件制造难、精度低、性能差。本发明提出双侧移动热源协同增材制造新方法，在构件两侧形成沿中心面呈“镜像”分布的温度场，保证材料在反复加热融化、冷却相变的过程中始终保持应力平衡，进而大幅减小厚度方向的热、相变应力，从而显著抑制构件的变形，实现高质高精增材制造。

9、本发明突破传统单侧移动热源增材制造方法的原理局限，提出一种双侧移动热源协同的增材制造方法，在已沉积材料的上下两侧分别施加移动热源，其中一侧移动热源随材料沉积路径移动并加热正在沉积的材料，施加另一移动热源加热已沉积材料的另一侧，所述另一移动热源与前述移动热源在已沉积材料两侧独立移动，协同调控双侧移动热源的作用范围、功率密度等参数实现协同增材制造。本方法可在材料逐层沉积过程中，构件两侧形成沿中心面呈“镜像”分布的温度场，保证材料在反复加热融化、冷却相变的过程中始终保持应力平衡，进而大幅减小厚度方向的热、相变应力，从而显著抑制构件的变形，实现高质高精增材制造。

技术特征：

1.一种双侧移动热源协同增材制造方法，其特征在于：构件逐层增材过程中，在已制造材料的上下两侧分别施加移动热源，其中一侧移动热源随增材路径移动并加热已制造的表层材料和正在增加的材料，施加另一移动热源加热已制造材料的另一侧，所述另一移动热源与前述移动热源在已制造材料两侧移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述移动热源是作用于材料表面或内部一定区域内的加热功率在空间中的作用范围发生变化的热源。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述双侧移动热源为热空气热对流热源；或

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述双侧移动热源在材料两侧移动方法按照以下方法实施，定义δl1为已制造零件材料沉积点沿增材轨迹切线方向的曲率半径，获取所述沉积点沿厚度方向延长线与零件另一侧表面的交点，过该交点作平行于沉积点增材轨迹切线方向的参考线，δl2为所述交点沿所述参考线的曲率半径；当δl1＝δl2时，双侧热源加热功率作用范围同步并形成沿已制造材料中心面对称的温度场，当δl1≥δl2时，弧长增量为δl1一侧的移动热源作用范围和功率密度大于弧长增量为δl2一侧的移动热源，当δl1≤δl2时，弧长增量为δl1一侧的移动热源作用范围和功率密度小于弧长增量为δl2一侧的移动热源。

技术总结一种双侧移动热源协同增材制造方法，其特征在于：构件逐层增材过程中，在已制造材料的上下两侧分别施加移动热源，其中一侧移动热源随增材路径移动并加热已制造的表层材料和正在增加的材料，施加另一移动热源加热已制造材料的另一侧，所述另一移动热源与前述移动热源在已制造材料两侧独立移动，协同调控双侧移动热源的作用范围、功率密度等参数实现协同增材制造。本发明突破传统单侧热源增材制造方法的原理局限，在构件两侧形成沿中心面呈“镜像”分布的温度场，保证材料在制造过程中始终保持应力平衡，进而大幅减小厚度方向应力，从而显著抑制构件的变形，实现高质高精增材制造。技术研发人员：李迎光,刘舒霆,郭嘉炜,何锐涛受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27