[發明專利]一種3D打印仿真模擬用金屬材料熱收縮參數測量裝置

在審

• 申請號: 201810191360.2
• 申請日: 2018-03-08
• 公開（公告）號: CN108152107A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 吳文恒;朱德祥;張亮;盧林;楊啟云;宋佳;王濤;何貝貝;龍倩蕾
• 申請（專利權）人: 上海材料研究所
• 主分類號: G01N1/32
• 分類號: G01N1/32
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 褚明偉

本發明涉及3D打印仿真模擬用金屬材料熱收縮參數測量裝置，包括數據采集分析系統、位移傳感器、滑塊、螺栓、熱電偶及T型槽，所述T型槽用于盛裝金屬熔體，所述滑塊位于T型槽內，且可沿T型槽滑動，所述螺栓連接在滑塊上，使用時螺栓伸入金屬熔體內部，金屬熔體凝固收縮時通過螺栓帶動滑塊滑動，所述位移傳感器與滑塊連接，用于采集滑塊的位移數據，所述熱電偶設置在T型槽內，用于采集T型槽內熔體溫度變化數據，所述數據采集分析系統與位移傳感器及熱電偶連接，接收采集到的溫度數據與位移數據，并進行處理，最終確定金屬凝固過程中的溫度與位移關系曲線，從而表征金屬材料的熱收縮參數。本發明可用于金屬及其合金的熱收縮參數的測量。

技術領域

本發明涉及一種3D打印仿真模擬用金屬材料熱收縮參數測量裝置，屬于增材制造數值仿真模擬技術領域。具體為滿足增材制造領域仿真模擬計算、建模過程中所需材料參數的測量數據的采集。

背景技術

增材制造技術發展至今，由于其在制造結構復雜、材料昂貴的金屬零部件以及小批量定制生產方面所具有的獨特優勢，金屬3D打印技術已經引起了世界范圍內的學術界、工業界的廣泛關注，其加工零件制品也已成功應用于航空、航天、醫療等領域。

在金屬3D打印過程中，金屬粉末材料在高能聚焦熱源的作用下快速熔化，隨之冷卻凝固成型，在這一急速加熱與冷卻的過程中，熔融金屬與已凝固金屬層之間的熱物理過程以及與金屬粉末之間的交互作用、熔體內部的對流效應、熔體表面的熱輻射效應、凝固過程中熔體內氣體的擴散與逃逸行為，以及凝固過程金屬材料局部收縮問題，都會對最終的3D打印制件的顯微組織和力學性能具有至關重要的影響。

3D打印過程中的金屬熔體熱物理交互過程往往在微觀的尺度上進行，它們之間的相互作用也非常復雜，通過傳統的檢測手段很難對其進行觀察研究。這一點嚴重制約了對當前金屬3D打印過程中顯微組織控制、內部缺陷形成以及3D打印制件變形開裂等問題的本質認識。

近年來，隨著材料科學與計算技術的不斷發展，計算機模擬技術也越來越受到關注。通過集成計算與模擬技術，可以直觀地求解3D打印工藝過程中所涉及的溫度、熱應力等問題，比如溫度場的分布、熔池尺寸、凝固冷卻速率、熱應力分布以及內部殘余應力大小與分布等。這些熱物理過程參數信息對于研究3D打印過程中材料微觀組織演化、內部缺陷形成、結構變形以及它們之間的相互耦合作用機理等方面，都具有至關重要的參考作用。

模擬仿真技術在3D打印工藝優化方面已經受到國內外越來越多的關注，逐漸發展成為解決3D打印制件殘余應力、變形及開裂等瓶頸問題的核心方法之一，而模擬仿真計算結果高度依賴于所輸入的材料參數的準確與否，因此，通過實驗測量金屬材料的熱力學參數顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種3D打印仿真模擬用金屬材料熱收縮參數測量裝置。通過本發明裝置能夠測量金屬熔體的熱收縮參數，為后續的3D打印仿真模擬，數據建模等過程提供基礎數據。

本發明的核心思路為：通過位移傳感器測量滑塊隨著金屬熔體凝固過程中的位移，并同時測量熔體溫度的變化，然后數據采集分析系統根據溫度-位移曲線，經過后續數據分析處理，得到金屬材料的熱收縮相關參數。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種3D打印仿真模擬用金屬材料熱收縮參數測量裝置，包括數據采集分析系統、位移傳感器、滑塊、螺栓、熱電偶及T型槽，所述T型槽用于盛裝金屬熔體，所述滑塊位于T型槽內，且可沿T型槽滑動，所述螺栓連接在滑塊上，使用時螺栓伸入金屬熔體內部，金屬熔體凝固收縮時通過螺栓帶動滑塊滑動，所述位移傳感器與滑塊連接，用于采集滑塊的位移數據，所述熱電偶設置在T型槽內，用于采集T型槽內熔體溫度變化數據，所述數據采集分析系統與位移傳感器及熱電偶連接，接收采集到的溫度數據與位移數據，并進行處理。

在本發明的一個實施方式中，所述T型槽下方設置有水冷基座。