CN105750548B - 电子束金属喷射增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子束金属喷射增材制造装置，其包括：容置金属丝材的容器，其由高熔点材料制成；发射电子束的电子枪；和所述电子枪电连接的偏转控制***，其控制所述电子枪发射的电子束偏转加热所述容器使金属丝材熔化成液态，或加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态；及连通所述容器、且朝向工作台的喷嘴，其将液态的金属喷射至所述喷射区域；所述容器、所述喷嘴及所述工作台均设置于真空室内。所述电子束金属喷射增材制造装置降低了金属增材制造对材料的要求，可获得高材料利用率及成型效率，成型质量可靠，获得的零件的性能也可与原材料接近。本发明另外提供一种电子束金属喷射增材制造方法。

Description

电子束金属喷射增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种电子束金属喷射增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成型，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或者熔丝，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，特别是一些高价值应用，比如髋关节、牙齿或一些飞机零部件。随着该技术日益成熟，目前已经越来越广泛地用于零部件的直接制造。

在金属部件制造方面，主要有激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光同轴送粉直接制造、电子束熔丝成型(EBAM)、电子束熔化成型(EBM)等方法。目前，这几种方法都存在着不同程度的局限性，其中采用激光为热源的增材制造方法和电子束熔化成型均采用粉末为成型原材料，粉末制造难度大，且容易污染、不易保存、使用成本高、效率也较为低下；而电子熔丝成型采用金属丝材作为成型原材料，一般采用熔滴过渡或直接将金属丝材送入熔池，其中熔滴过渡由于液态金属的飞溅造成成型精度和零件表面质量较差，尽管成形速度快，但成型精度较低，难以成型制造精度较高的零件，仅能用于零件毛坯的制造。因此，为了推进增材制造技术的快速应用，有必要在兼顾成型精度的前提下，降低原材料成本，提高成型速度。

发明内容

基于此，本发明提供一种电子束金属喷射增材制造装置及方法，以有效解决现有技术存在的问题。

一种电子束金属喷射增材制造装置，其包括：

容置金属丝材的容器，其由高熔点材料制成；

发射电子束的电子枪；

和所述电子枪电连接的偏转控制***，其控制所述电子枪发射的电子束偏转加热所述容器使金属丝材熔化成液态，或加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态；及

连通所述容器、且朝向工作台的喷嘴，其将液态的金属喷射至所述喷射区域；

所述容器、所述喷嘴及所述工作台均设置于真空室内。

本发明一较佳实施方式中，所述电子枪具有控制电子束偏转的电磁偏转***，所述电磁偏转***和所述偏转控制***电连接。

本发明一较佳实施方式中，还包括为所述电子枪提供高电压的高压电源，所述高压电源电连接于所述电子枪。

本发明一较佳实施方式中，还包括控制所述电子枪和所述高压电源的参数控制***，所述参数控制***电连接于所述电子枪和所述高压电源。

本发明一较佳实施方式中，所述参数控制***控制所述电子枪发射的电子束的高压、束流、聚焦电流。

本发明一较佳实施方式中，还包括承载所述金属丝材的丝盘及输送所述金属丝材至所述容器的送丝机构。

本发明一较佳实施方式中，还包括控制所述送丝机构和所述工作台的运动控制***，所述运动控制***电连接于所述送丝机构和所述工作台。

本发明一较佳实施方式中，还包括用于人机交互的人机界面，所述人机界面电连接于所述偏转控制***、所述参数控制***及所述运动控制***。

一种电子束金属喷射增材制造方法，其包括如下步骤：

S101、利用偏转控制***控制电子枪发射电子束偏转加热设置于真空室内的容器，使输送至所述容器内的金属丝材熔化成液态，并加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态；

S103、利用运动控制***控制设置于真空室内的工作台按照待加工零件的分层切片路径规划进行运动；

S105、控制设置于真空室内、连通所述容器、且朝向所述工作台的喷嘴将液态的金属喷射至所述喷射区域。

本发明一较佳实施方式中，所述运动控制***依据待加工零件的分层切片厚度确定输送所述金属丝材至所述容器内的速度。

本发明一较佳实施方式中，所述偏转控制***依据所述金属丝材的输送速度及待加工零件的成型速度确定所述电子枪发射的电子束的参数。

相对于现有技术，本发明提供的电子束金属喷射增材制造装置降低了金属增材制造对材料的要求，精度不再和材料的物理尺度直接相关，成型精度主要取决于喷嘴的尺寸和形状，材料利用率可达到100％；而且，由于电子束功率可以很大(如可达到几十千瓦)，从而能够实现零件的高效率成型。同时，由于液态金属的过热现象不太严重，各种易挥发元素烧损极少，最终获得的零件的性能可与原材料接近。此外，在真空环境中成型，无需任何保护气体，成型质量可靠。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的电子束金属喷射增材制造装置的组成示意图；

图2为本发明第二实施例提供的电子束金属喷射增材制造方法的流程图；

图3为采用图2所示电子束金属喷射增材制造方法的加工过程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种电子束金属喷射增材制造装置100，其包括容置金属丝材的容器10，其由高熔点材料制成；发射电子束的电子枪20；和所述电子枪20电连接的偏转控制***30，其控制所述电子枪20发射的电子束偏转加热所述容器10使金属丝材熔化成液态，或加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态；及连通所述容器10、且朝向工作台40的喷嘴50，其将液态的金属喷射至所述喷射区域；所述容器10、所述喷嘴50及所述工作台40均设置于真空室60内。

所述电子束金属喷射增材制造装置100利用电子枪20发射的电子束加热容器10，使容器10中的金属丝材熔化成液体，当液态金属充满容器10时，容器10上部送入的金属丝材起到活塞的作用，使液态金属受压由喷嘴50喷出，喷嘴50或工作台40按照待加工零件的分层切片路径规划路径行走，最终获得所要成型的零件，由此可降低金属增材制造对材料的要求，精度不再和材料的物理尺度直接相关，成型精度主要取决于喷嘴50的尺寸和形状，材料利用率可达到100％；而且，由于电子束功率可以很大(如可达到几十千瓦)，从而能够实现零件的高效率成型。同时，由于液态金属的过热现象不太严重，各种易挥发元素烧损极少，最终获得的零件的性能可与原材料接近。此外，所述容器10、所述喷嘴50及所述工作台40均设置于真空室60内，即待加工零件在真空环境中成型，无需任何保护气体，成型质量可靠。

本实施例中，所述容器10由难熔金属材料制作而成，当然，并不局限于此，也可以由耐高温陶瓷材料制作而成，只要能在大功率电子束的加热作用下不被熔化，且能使容置于其中的金属丝材受热熔化成液态即可。

本实施例中，所述电子枪20具有控制电子束偏转的电磁偏转***25，所述电磁偏转***25和所述偏转控制***30电连接，所述偏转控制***30依据不同的波形分配熔化金属丝材和熔融或预热液态金属待喷射区域的能量分布。具体地，所述电磁偏转***25在所述偏转控制***30的控制下，通过电磁作用使所述电子枪20发射的电子束产生高速偏转，实现电子束的大部分能量用于加热容器10使金属丝材熔化，同时分出部分能量加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态，从而使所述喷嘴50喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属达到冶金结合。

可以理解的是，为实现所述容器10和所述喷嘴50的连通，所述喷嘴50和所述容器10可以直接连接贯通或者通过中间件(如导管)实现相互贯通。同时，所述喷嘴50的出口尺寸也可以根据实际需要进行设计。

本实施例中，所述电子束金属喷射增材制造装置100还包括高压电源28、参数控制***70、丝盘15、送丝机构18、运动控制***80及人机界面90。其中，所述高压电源28为所述电子枪20提供工作所需的高电压，其电连接于所述电子枪20。所述参数控制***70电连接于所述电子枪20和所述高压电源28，其控制所述电子枪20和所述高压电源28；具体地，用于实现控制所述电子枪20发射的电子束的各个参数，如高压、束流、聚焦电流等，从而保障能量的输入功率和控制电子束的输入形态。所述丝盘15承载金属丝材，所述送丝机构18输送所述金属丝材至所述容器10；具体地，所述送丝机构18包括两个对置的轮子(图未标示)，所述金属丝材穿设于两个轮子之中，并随两个轮子的转动而朝所述容器10移动，从而实现输送。所述运动控制***80电连接于所述送丝机构15和所述工作台40，用于控制所述送丝机构15和所述工作台40，即控制所述工作台40和所述送丝机构15之间的协调运动，确保获得所需的零部件形状；具体地，控制所述送丝机构15将金属丝材朝所述容器10输送，或者根据待加工零件的加工需要，控制所述工作台40移动。所述人机界面90用于人机交互，其电连接于所述偏转控制***30、所述参数控制***70及所述运动控制***80，可以理解的是，所述人机界面90负责操作人员与所述电子束金属喷射增材制造装置100之间的交互，操作人员通过所述人机界面90完成所述电子束金属喷射增材制造装置100的所有操作动作。

请参阅图2，本发明第二实施例提供一种电子束金属喷射增材制造方法，其包括如下步骤：

S101、利用偏转控制***30控制电子枪20发射电子束偏转加热设置于真空室60内的容器10，使输送至所述容器10内的金属丝材熔化成液态，并加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态。

可以理解的是，所述偏转控制***30依据不同的波形分配熔化金属丝材和熔融或预热液态金属待喷射区域的能量分布。具体地，所述偏转控制***30控制所述电磁偏转***25，通过电磁作用使所述电子枪20发射的电子束产生高速偏转，实现电子束的大部分能量用于加热容器10使金属丝材熔化，同时分出部分能量加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态，从而使所述喷嘴50喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属达到冶金结合。

S103、利用运动控制***80控制设置于真空室60内的工作台40按照待加工零件的分层切片路径规划进行运动。

本实施例中，所述工作台40为三维工作台，即其可以在X、Y、Z三个方向移动，进一步地，还可以分别绕X轴、Y轴和Z轴旋转。

S105、控制设置于真空室60内、连通所述容器10、且朝向所述工作台40的喷嘴50将液态的金属喷射至所述喷射区域。

本实施例中，待加工零件的加工过程中，所述运动控制***80控制所述工作台40运动，而喷嘴50则静止不动，可以理解的是，并不局限于此，所述运动控制***80也可以控制所述喷嘴50运动，而所述工作台40静止不动；或者所述运动控制***80控制所述工作台40和所述喷嘴50均运动，只要能有效实现待加工零件的按照待加工零件的分层切片路径规划成型即可。

本实施例中，所述运动控制***80依据待加工零件的分层切片厚度确定输送所述金属丝材至所述容器10内的速度。同时，所述偏转控制***30依据所述金属丝材的输送速度及待加工零件的成型速度确定所述电子枪20发射的电子束的参数。

请参阅图3，为采用所述电子束金属喷射增材制造方法的加工过程示意图。具体地，待加工零件模型设计完毕，输出为分层切片和路径规划软件支持的格式(如STL等)，然后进行分层切片；切片完毕后依据工艺要求路径规划，并生成相应文件；所述电子束金属喷射增材制造装置100读取路径规划文件，依据路径行走程序驱动工作台40运动，同时驱动送丝机构15输送金属丝材，也同时开启电子枪20；喷嘴50逐层喷射液态的金属，逐层进行待加工零件成型，完成喷射后即沉积获得所要获得的零件；零件沉积完毕后，取出零件进行后处理，这些后处理包括热处理、补充机械加工、抛光等，最终获得合格的零件。

可以理解的是，所述电子束金属喷射增材制造方法步骤简单、易于操作实现，适于推广应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电子束金属喷射增材制造装置，其特征在于，包括：

容置金属丝材的容器，其由高熔点材料制成；容器上部送入的金属丝材起到活塞的作用，使液态金属受压由喷嘴喷出；

发射电子束的电子枪；

和所述电子枪电连接的偏转控制***，其控制所述电子枪发射的电子束偏转加热所述容器使金属丝材熔化成液态，和加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态，所述偏转控制***依据不同的波形分配熔化金属丝材和熔融或预热液态金属待喷射区域的能量分布，所述偏转控制***控制所述电子枪的电磁偏转***，通过电磁作用使所述电子枪发射的电子束产生高速偏转，实现电子束的大部分能量用于加热所述容器使金属丝材熔化，同时分出部分能量加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态，从而使所述喷嘴喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属达到冶金结合；及

连通所述容器、且朝向工作台的喷嘴，其将液态的金属喷射至所述喷射区域；

所述容器、所述喷嘴及所述工作台均设置于真空室内；

还包括承载所述金属丝材的丝盘及输送所述金属丝材至所述容器的送丝机构，所述送丝机构包括两个对置的轮子，所述金属丝材穿设于两个轮子之中，并随两个轮子的转动而朝所述容器移动；

还包括控制所述送丝机构和所述工作台的运动控制***，所述运动控制***电连接于所述送丝机构和所述工作台，控制所述工作台和所述送丝机构之间的协调运动，确保获得所需的零部件形状。

2.如权利要求1所述的电子束金属喷射增材制造装置，其特征在于，所述电子枪具有控制电子束偏转的电磁偏转***，所述电磁偏转***和所述偏转控制***电连接。

3.如权利要求1所述的电子束金属喷射增材制造装置，其特征在于，还包括为所述电子枪提供高电压的高压电源，所述高压电源电连接于所述电子枪。

4.如权利要求3所述的电子束金属喷射增材制造装置，其特征在于，还包括控制所述电子枪和所述高压电源的参数控制***，所述参数控制***电连接于所述电子枪和所述高压电源。

5.如权利要求4所述的电子束金属喷射增材制造装置，其特征在于，所述参数控制***控制所述电子枪发射的电子束的高压、束流、聚焦电流。

6.如权利要求4所述的电子束金属喷射增材制造装置，其特征在于，还包括用于人机交互的人机界面，所述人机界面电连接于所述偏转控制***、所述参数控制***及所述运动控制***。

7.一种电子束金属喷射增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、利用偏转控制***控制电子枪发射电子束偏转加热设置于真空室内的容器，使输送至所述容器内的金属丝材熔化成液态，并加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态，所述偏转控制***依据不同的波形分配熔化金属丝材和熔融或预热液态金属待喷射区域的能量分布，所述偏转控制***控制所述电子枪的电磁偏转***，通过电磁作用使所述电子枪发射的电子束产生高速偏转，实现电子束的大部分能量用于加热所述容器使金属丝材熔化，同时分出部分能量加热喷射区域，使所述喷射区域达到微熔状态，从而使所述喷嘴喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属达到冶金结合；

S103、利用运动控制***控制设置于真空室内的工作台按照待加工零件的分层切片路径规划进行运动；所述运动控制***控制所述送丝机构和所述工作台之间的协调运动，确保获得所需的零部件形状；

S105、控制设置于真空室内、连通所述容器、且朝向所述工作台的喷嘴将液态的金属喷射至所述喷射区域，容器上部送入的金属丝材起到活塞的作用，使液态金属受压由喷嘴喷出，所述金属丝材穿设于所述送丝机构的两个轮子之中，并随两个轮子的转动而朝所述容器移动。

8.如权利要求7所述的电子束金属喷射增材制造方法，其特征在于，所述运动控制***依据待加工零件的分层切片厚度确定输送所述金属丝材至所述容器内的速度。

9.如权利要求8所述的电子束金属喷射增材制造方法，其特征在于，所述偏转控制***依据所述金属丝材的输送速度及待加工零件的成型速度确定所述电子枪发射的电子束的参数。