CN117961100A - 一种用于金属粉末加工的电子束标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，包括：调节偏转装置，使电子束的束斑中心点与校准板的一个标记孔的中心点重合，记录此时电子束的束斑位置参数；以校准板上的标记孔为中心，生成动态校准子区域；在动态校准子区域内规划动态校准扫描路径；控制电子束以不同的扫描电流和扫描速度对动态校准扫描路径进行扫描，获得标记孔的聚焦参数和像差参数，即为标记孔的校准参数；重复上述步骤，直至获得校准板上所有标记孔的校准参数。通过对校准区域内的束斑进行静态校准和动态校准，标定状态贴近电子束斑的实际工作情况，解决了现有技术中单纯静态校准的可靠性不足问题，同时解决了高能量输出时聚焦和像差标定的问题。

Description

一种用于金属粉末加工的电子束标定方法

技术领域

本发明实施例涉及金属粉末加工技术领域，尤其涉及一种用于金属粉末加工的电子束标定方法。

背景技术

电子束选区熔化具有能量利用率高、无反射、功率密度高、扫描速度快、真空环境无污染、低残余应力等优点，特别适合活性、难熔、脆性金属材料的直接成形，在航空航天、生物医疗、汽车、模具等领域具有广阔的应用前景，但成形精度始终是限制其发展的重要因素。成形精度究其根本仍是电子束的品质，即束斑形状、大小及下束位置准确度。电子束扫描成形幅面边缘时需要大的偏转角度，理论上电子束的偏转角度是不受制约的，工程上制约电子束偏转角度的因素是扫描磁场的非均匀性引起的附加像散过大，超出了聚焦装置的矫正能力，造成束斑尺寸变大和形状畸变。束斑尺寸较大会导致能量不集中造成加工缺陷，束斑形状畸变和位置偏差会导致加工精度下降。因此，在加工之前，需要对束斑进行标定校准。根据既定位置的电子束形状、大小、位置，调整电子束发生装置的偏转和聚焦，使其达到预设状态，即束斑尽可能小且圆，位置偏差满足要求。此外，控制束斑在打印区域的任何位置实现精确定位和束斑形状尺寸均匀度，是通过电信号实现，其中束斑定位电信号变化幅度较大，而聚焦和像差电信号变化幅度很小，受电子***的阻抗影响，快速移动偏转下的电子束斑相较于静态下也会发生畸变，而聚焦和像差畸变较为严重，此情况会严重影响成形件的加工质量，因此亟待开发一种更为贴近实际工作状态下的束斑标定方法。

现有技术方案中，无论是手动标定还是基于拍摄成像的自动标定，均是在静态下依次对束斑进行逐点标定，即借助校准板一次下束单个束斑或多个束斑于校准板的标记孔不动，通过观察并调节束斑状态，使之尺寸、形状及亮度达到预设状态且与标记点重合。这种状态下的标定脱离了电子束的实际工作状况，标定可靠性不足。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，进而至少在一定程度上解决由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明提供一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，包括：

对电子束进行静态校准，静态校准包括：

调节偏转装置，使电子束的束斑中心点与校准板的一个标记孔的中心点重合，记录此时电子束的束斑位置参数；

调节聚焦装置，使电子束的束斑的尺寸与校准板的标记孔的尺寸相同；

调节像散装置，使电子束的束斑的形状与校准板的标记孔的形状相同；

对电子束进行动态校准，动态校准包括：

以校准板上的标记孔为中心，生成动态校准子区域；

在动态校准子区域内规划动态校准扫描路径；

控制电子束以不同的扫描电流和扫描速度对动态校准扫描路径进行扫描，获得标记孔的聚焦参数和像差参数，即为标记孔的校准参数；

重复上述步骤，直至获得校准板上所有标记孔的校准参数。

本发明中，校准板为金属板，校准板上有多个标记孔，多个标记孔在校准板上均匀阵列分布，相邻两个标记孔的间距为D；

本发明中，校准板为铝板。

本发明中，动态校准子区域为圆形，半径为δ，半径δ大于零且小于相邻两个标记孔的间距D。

本发明中，动态校准扫描路径的形状为圆形或中心对称的多边形。

本发明中，动态校准扫描路径的中心与标记孔的中心重合。

本发明中，扫描电流为P，扫描电流P满足以下公式（1）：

P∈（0，P_成形max）（1）

式中，P_成形max为电子束选区熔化成形零件的最大电流；

扫描速度记为V，扫描速度V满足以下公式（2）：

V∈（0，V_成形max）（2）

式中，V_成形max为电子束选区熔化成形零件的最大偏转扫描速度。

本发明中，控制电子束以扫描电流P和扫描速度V对动态校准扫描路径进行扫描时，

观察电子束束斑的形貌、明暗程度和扫描轨迹，调节像散装置和聚焦装置，将动态校准子区域内电子束束斑调至预设的圆度和预设大小，获得扫描电流P和扫描速度V对应的校准参数F=（a，b）；其中，a为聚焦参数，b为相差参数。

本发明中，扫描电流P至少包括三组，分别记为扫描电流P₁、扫描电流P₂、和扫描电流P₃；

扫描速度V至少包括三组，分别记为扫描速度V₁、扫描速度V₂、和扫描速度V₃。

本发明中，扫描电流P₁和扫描速度V₁为熔化实体结构材料所对应的扫描电流和扫描速度；

扫描电流P₂和扫描速度V₂为熔化网格结构材料所对应的扫描电流和扫描速度；

扫描电流P₃和扫描速度V₃为熔化支撑结构材料所对应的扫描电流和扫描速度。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明中，通过对校准区域内的束斑进行静态校准和动态校准，标定状态贴近电子束斑的实际工作情况，解决了现有技术中单纯静态校准的可靠性不足问题，同时解决了高能量输出时聚焦和像差标定的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中一种用于金属粉末加工的电子束标定方法的流程示意图；

图2示出本发明示例性实施例中一种用于金属粉末加工的电子束标定方法中校准板的结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中一种用于金属粉末加工的电子束标定方法中动态校准扫描路径形状为圆形的示意图；

图4示出本发明示例性实施例中一种用于金属粉末加工的电子束标定方法中动态校准扫描路径形状为正方形的示意图；

图5示出本发明示例性实施例中一种用于金属粉末加工的电子束标定方法中动态校准扫描路径形状为中心对称图形的示意图。

图中，1、校准板；2、标记孔；3、动态校准子区域；4、动态校准扫描路径。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，参考图1所示，该控制方法包括以下步骤：

步骤S101.对电子束进行静态校准。

步骤S102.对电子束进行动态校准。

步骤S103.重复上述步骤，直至获得校准板1上所有标记孔2的校准参数。

在步骤S101中，静态校准按照以下步骤实施：

步骤S1011.调节偏转装置，使电子束的束斑中心点与校准板1的一个标记孔2的中心点重合，记录此时电子束的束斑位置参数；

步骤S1012.调节聚焦装置，使电子束的束斑的尺寸与校准板1的标记孔2的尺寸相同；

步骤S1013.调节像散装置，使电子束的束斑的形状与校准板1的标记孔2的形状相同。

在步骤S102中，动态校准按照以下步骤实施：

步骤S1021.以校准板1上的标记孔2为中心，生成动态校准子区域3；

步骤S1022.在动态校准子区域3内规划动态校准扫描路径4；

步骤S1023.控制电子束以不同的扫描电流和扫描速度对动态校准扫描路径4进行扫描，获得标记孔2的聚焦参数和像差参数，即为标记孔2的校准参数。

本发明提供的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，通过对校准区域内的束斑进行静态校准和动态校准，标定状态贴近电子束斑的实际工作情况，解决了现有技术中单纯静态校准的可靠性不足问题，同时解决了高能量输出时聚焦和像差标定的问题。

可选的，在一些实施例中，校准板1为金属板，如铝板，成本较低。校准板1上有多个标记孔2，多个标记孔2在校准板1上均匀阵列分布，相邻两个标记孔2的间距为D；

可选的，在一些实施例中，动态校准子区域3为圆形，半径为δ，半径δ大于零且小于相邻两个标记孔2的间距D。

可选的，在一些实施例中，动态校准扫描路径4的形状为圆形。

可选的，在一些实施例中，动态校准扫描路径4的形状为正方形。

可选的，在一些实施例中，动态校准扫描路径4的形状为中心对称的多边形。

可选的，在一些实施例中，动态校准扫描路径4的中心与标记孔2的中心重合。通过动态校准扫描路径4的中心与标记孔2的中心重合，将动态校准扫描路径4的形状设计为中心对称的多边形，确保电子束斑能够以标记孔2为中心，对动态校准子区域3能够均匀扫描。

可选的，在一些实施例中，扫描电流为P，扫描电流P满足如公式（1）所示：

P∈（0，P_成形max）（1）

式中，P_成形max为电子束选区熔化成形零件的最大电流；

扫描速度记为V，描速度V满足如公式（2）所示：

V∈（0，V_成形max）（2）

式中，V_成形max为电子束选区熔化成形零件的最大偏转扫描速度。

可选的，在一些实施例中，控制电子束以扫描电流P和扫描速度V对动态校准扫描路径4进行扫描时，

观察电子束束斑的形貌、明暗程度和扫描轨迹，调节像散装置和聚焦装置，将动态校准子区域3内电子束束斑调至预设的圆度和预设大小，获得扫描电流P和扫描速度V对应的校准参数F=（a，b）；其中，a为聚焦参数，b为相差参数。

可选的，在一些实施例中，扫描电流P至少包括三组，分别记为扫描电流P₁、扫描电流P₂、和扫描电流P₃；

扫描速度V至少包括三组，分别记为扫描速度V₁、扫描速度V₂、和扫描速度V₃。

本发明中，扫描电流P₁和扫描速度V₁为熔化实体结构材料所对应的扫描电流和扫描速度；

扫描电流P₂和扫描速度V₂为熔化网格结构材料所对应的扫描电流和扫描速度；

扫描电流P₃和扫描速度V₃为熔化支撑结构材料所对应的扫描电流和扫描速度。

以电流P₁、速度V₁扫描第一个标记孔2附近的动态校准子区域3，进行动态校准，获得校准参数（a₁，b₁）；

以电流P₂、速度V₂扫描第一个标记孔2附近的动态校准子区域3，进行动态校准，获得校准参数（a₂，b₂）；

以电流P₃、速度V₃扫描第一个标记孔2附近的动态校准子区域3，进行动态校准，获得校准参数（a₃，b₃）；则第一个标记孔的束斑校准参数F1={ a₁₁，b₁₁），（a₁₂，b₁₂），（a₁₃，b₁₃）}；

在校准板1的第二个标记孔2重复步骤上述操作，获得第二个标记孔2的束斑校准参数F₂={ a₂₁，b₂₁），（a₂₂，b₂₂），（a₂₃，b₂₃）}；

……

在校准板1的第n个标记孔2重复上述操作，获得第n个标记孔2的束斑校准参数Fn={ a_n1，b_n1），（a_n2，b_n2），（a_n3，b_n3）}；

当完成所有n个标记孔2的校准后，得到整个成形区域的校准参数G={F₁，F₂，…，F_n}。

本发明提供的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，通过动态校准获取大束流下标定束斑所用的聚焦和像差参数。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，包括：

对电子束进行静态校准，所述静态校准包括：

调节偏转装置，使所述电子束的束斑中心点与校准板的一个标记孔的中心点重合，记录此时所述电子束的束斑位置参数；

调节聚焦装置，使所述电子束的束斑的尺寸与所述校准板的所述标记孔的尺寸相同；

调节像散装置，使所述电子束的束斑的形状与所述校准板的所述标记孔的形状相同；

对所述电子束进行动态校准，所述动态校准包括：

以所述校准板上的所述标记孔为中心，生成动态校准子区域；

在所述动态校准子区域内规划动态校准扫描路径；

控制所述电子束以不同的扫描电流和扫描速度对所述动态校准扫描路径进行扫描，获得所述标记孔的聚焦参数和像差参数，即为所述标记孔的校准参数；

重复上述步骤，直至获得所述校准板上所有标记孔的校准参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述校准板为金属板，所述校准板上有多个标记孔，多个所述标记孔在所述校准板上均匀阵列分布，相邻两个所述标记孔的间距为D。

3.根据权利要求2所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述校准板为铝板。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述动态校准子区域为圆形，半径为δ，所述半径δ大于零且小于所述相邻两个所述标记孔的间距D。

5.根据权利要求4所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述动态校准扫描路径的形状为圆形或中心对称的多边形。

6.根据权利要求5所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述动态校准扫描路径的中心与所述标记孔的中心重合。

7.根据权利要求6所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述扫描电流为P，所述扫描电流P满足以下公式（1）：

P∈（0，P_成形max）（1）

式中，P_成形max为电子束选区熔化成形零件的最大电流；

所述扫描速度记为V，所述扫描速度V满足以下公式（2）：

V∈（0，V_成形max）（2）

式中，V_成形max为电子束选区熔化成形零件的最大偏转扫描速度。

8.根据权利要求7所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述控制所述电子束以所述扫描电流P和所述扫描速度V对所述动态校准扫描路径进行扫描时，

观察所述电子束束斑的形貌、明暗程度和扫描轨迹，调节所述像散装置和所述聚焦装置，将所述动态校准子区域内所述电子束束斑调至预设的圆度和预设大小，获得所述扫描电流P和所述扫描速度V对应的校准参数F=（a，b）；其中，a为聚焦参数，b为相差参数。

9.根据权利要求8所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述扫描电流P至少包括三组，分别记为扫描电流P₁、扫描电流P₂、和扫描电流P₃；

所述扫描速度V至少包括三组，分别记为扫描速度V₁、扫描速度V₂、和扫描速度V₃。

10.根据权利要求9所述的一种用于金属粉末加工的电子束标定方法，其特征在于，所述扫描电流P₁和所述扫描速度V₁为熔化实体结构材料所对应的扫描电流和扫描速度；

所述扫描电流P₂和所述扫描速度V₂为熔化网格结构材料所对应的扫描电流和扫描速度；

所述扫描电流P₃和所述扫描速度V₃为熔化支撑结构材料所对应的扫描电流和扫描速度。