CN100349077C - 一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备 - Google Patents

Abstract

一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，涉及一种利用高能束流，对材料依层烧结或熔化沉积，实现分层实体制造的技术与装置。本发明的特点是电子束扫描控制装置可以控制电子束在指定区域内以图形投影方式快速扫描，均匀加热粉末。电子束每一次扫描选定成形区域的时间极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成形区域就已经扫描完成，经过一帧或多帧扫描，成形区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所需的温度，一起沉积到成形区域上，然后同步地降温。由于整体成形区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成形的精度和质量。

Description

一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备

技术领域

本发明涉及到一种利用高能束流，对材料依层烧结或熔化沉积，实现分层实体制造的技术与装置。

背景技术

零件的分层制造或称快速成形是解决单件、小批量功能零件快速、低成本制造的有效方法。目前的主要工艺是利用高能激光束或电子束进行逐点逐层的扫描，以熔化金属微粒，堆积成形。具体方法是选区烧结和熔覆两种。典型工艺是激光选区烧结(Journal of MaterialsProcessing Technology，2003，141(1))和激光工程化近成形(Proceedings of The 10thSolid Freeform Fabrication Symposium，University of Texas Austin，August 9-11，1999)。以及采用电子束的有电子束熔化(Rapid Prototyping Journal，2004 10(1))技术。

基于电子束的快速成形技术与基于激光的快速成形技术相比具有能量转换率和吸收率高、运行成本低、有利于金属材料烧结的真空环境等特点，特别是电子束扫描无惯性，可以数千赫兹、每秒数十米的速度扫描。

在前述的快速成形技术中，与本申请最接近的是上述电子束熔化技术。它也是一种选区烧结的工艺。先在成形区域铺上一层材料粉末，用电子束(对于其它工艺就是激光)将零件的横截面一次性、逐点或分区地扫描到到成形区域上，电子束焦点扫描到的地方材料粉末烧结并沉积，整个零件截面扫描完后，工作台下降一个层厚的高度，在成形区域铺上新的材料粉末层，进行下一层零件截面的扫描。如此反复直到整个零件烧结沉积完成。该方法的特点是在一个较短暂的时间内(如1秒)电子束(或激光)只加热整个成形区域中的一个局部，而且，材料粉末随电子束(或激光)焦点的移动而依次完成烧结并沉积在成形区域内。由于受到能量密度和材料烧结特性的限制，上述分层制造工艺为了通过一次扫描完成材料的烧结沉积，电子束或激光的扫描速度受到限制，只能逐点或分区加热，材料粉末也只能逐点或分区被烧结沉积。因此加热的均匀性较差，而且效率较低。由于材料受热不均匀，烧结过程产生较大的热应力。当加工完成后，零件内存在较大的残余应力。这些应力对零件的精度和力学性能都有不良影响。特别是烧结过程的热应力，严重时会导致零件翘曲、开裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实现电子束选区同步烧结工艺的三维分层制造设备，实现任意复杂曲线/区域的投影式扫描，使扫描区域内的粉末均匀受热，同步升温、同步烧结、同步降温，减小因温度和烧结不均匀而产生的内应力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种电子束选区同步烧结三维分层制造设备，包括真空室，设在真空室顶部的电子枪，分别与电子枪和真空室相连的真空系统以及为电子枪各部分供电的高压电源和控制各组成部分的控制计算机；在所述的真空室内设有铺粉平台，设置在铺粉平台上的粉末铺压装置和铺粉平台中心的活塞式成型缸以及设在铺粉平台上方的粉末供给装置；在所述的电子枪内从下至上依次设有扫描磁透镜、聚焦磁透镜、阳极和聚束极，其特征在于：该设备还包括用于实现电子束投影式扫描的控制电路，所述扫描控制电路由以下部分构成：通过控制指令传输线路连接于控制计算机的控制器，通过数据总线、地址总线和控制总线连接于控制器的存储器，通过数据总线与控制器连接的电子枪扫描磁透镜驱动电路，通过数据总线与控制器连接的电子枪聚束极电压调控电路，与控制计算机的一个电压信号输出端相连的工作频率控制电路；所述工作频率控制电路还通过其输出信号线路与控制器、电子枪扫描磁透镜驱动电路、电子枪聚束极电压调控电路相连；所述电子枪扫描磁透镜驱动电路均包括处于输入端位置并与控制器通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，以及与数模转换器输出端相连的功率放大器；所述电子枪聚束极电压调控电路包括处于输入端位置并与控制器通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，与数模转换器输出端相连的电压放大器，与数模转换器输出端和聚束极初始设定电压相连的电压叠加元件；所述工作频率控制电路包括一个电压-频率转换元件。

本发明所述的三维分层制造设备，其特征在于：该设备还包括使粉末材料预热的装置，所述装置包括设在真空室外的温控表，布置在粉末供给装置中并与温控表相连的温度传感器以及布置在粉末供给装置中并与温控表相连的电阻加热丝。

本发明提供的一种实现电子束选区同步烧结的工艺方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)控制计算机按照预先设定的主程序调用Z轴控制子程序，控制活塞式成形缸的活塞相对铺粉平台下降一个高度，该高度等于预先设定的铺粉厚度；

2)主程序调用供铺粉控制子程序，控制粉末供给装置输送出经过预热并且总量预先设定的粉末，然后控制粉末铺压装置将粉末送至所述活塞式成型缸上部空间内并铺平、压实，随后将多余粉末推入余料回收箱；

3)主程序调用扫描路径生成子程序，读取零件CAD模型一个截面的轮廓线信息，生成一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，控制电子束在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域预热，使材料粉末的温度同步升高到预先设定的值；

4)主程序再调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域内的粉末进行微烧结，将其固定住，防止其在随后的扫描步骤中脱离位置；

5)主程序再调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域的粉末进行烧结或熔化，使成形区域内粉末固结为一个层片，并与前一个相邻层片之间也发生固结；

6)主程序调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域内材料层的降温过程进行控制，使其以期望的速度降温；

7)主程序对零件CAD模型的下一个截面重复以上1)～6)个步骤，直至所有需要加工的层面加工完毕，即得到三维零件的形状。

上述步骤1～6，完成一层成形选区的加热、烧结或重熔并沉积的过程称为一个层片加工循环。上述步骤中的1～2构成一个粉末操纵循环，3～6即构成一个电子束投影式扫描循环。

在本发明所述的方法中，电子束投影式扫描循环中每一次投影的形状等于当前的零件截面图形。所述的每一帧投影由一组扫描路径组成，该组路径是一组平行线或一组偏置曲线，或者二者的混合，每条路径由离散点构成；扫描路径在宽度方向或离散点在直径方向上部分重叠，重叠的部分为所述宽度或直径的0％～100％。

采用上述设备和工艺方法后，电子束每一次扫描选定成形区域(即选区)的时间极短，由于扫描速度极快，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成形区域就已经扫描完成，因此称为投影式扫描方式。经过一帧或多帧扫描，成形区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所需的温度，一起沉积到成形区域上，然后同步地降温。由于整体成形区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成形的精度和质量。同时粉末预热装置提高投影式扫描的起始温度，有利于减小温度梯度，加快投影式扫描的速度。

附图说明

图1表示本发明中三维分层制造装置的系统构成。

图2表示粉末铺压装置和活塞式成型缸。

图3表示粉末预热装置的布置方式。

图4表示几种进行投影式扫描时可以采用的投影方式。

图5是本发明中电子束投影式扫描控制电路的构成框图。

图6表示电子束投影式扫描控制电路的控制程序流程图。

图7表示生成投影式扫描循环所需指令的程序流程图。

图8表示设备工艺控制主程序的流程图。

具体实施方式

本发明所提供的三维分层制造设备主要包括以下几部分：一个铺粉平台14，用于在铺粉过程中约束粉末；活塞式成型缸20，设在铺粉平台中心，缸中有可升降的活塞，活塞相对铺粉平台下降预先设定的高度后，所述成型缸上部即形成具有设定高度的狭窄空间；空间的高度等于欲构建的层的厚度；粉末铺压装置12，设在铺粉平台之上，能水平扫过铺粉平台将携带的粉末填充在成型缸上部空间内并将其铺平、压实，并将多余的粉末送入余料回收装置；粉末供给装置11，设在铺粉平台上方，用于存放和供给粉末；粉末回收装置，悬挂在铺粉平台两端，用于回收每次铺粉剩余粉末；真空室16，将上述装置包围进来，提供真空加工环境；电子枪4，设在真空室顶部，用于发射电子束对相继铺设在成型缸内的粉末层进行烧结或熔化；电子束投影式扫描控制电路，控制电子束的扫描路径和束流强度；真空系统5和6，使电子枪和真空室工作在适宜的真空度下；控制计算机10，存储有欲构建三维零件的三维CAD模型；为电子枪各部分供电的高压电源19和用于实现电子束投影式扫描的控制电路7。

电子束投影式扫描控制电路7是一个响应控制计算机的指令序列，控制电子束在粉末表面进行烧结的位置，同时控制电子束的束流强度，从而使电子束实现投影式扫描的装置，主要包括以下部分：控制器23，接受计算机指令，对整个电路各部分进行控制；电子枪扫描磁透镜驱动电路24、25，将控制器的控制信号转化为扫描磁透镜的驱动电流，控制电子束在粉末表面入射点的位置；电子枪聚束极电压调控电路26，将控制器的控制信号转化为一个电压信号并叠加在聚束极初始设定电压上，控制电子束的束流强度；工作频率控制电路27，在控制计算机的控制下，发出连续的脉冲信号，控制电子束投影式扫描电路的其他部分在指定的工作频率下工作，这个工作频率由控制计算机根据要求随时设定和改变；存储器，存储器中的存储空间与电子束在粉末表面的最大扫描区域构成映射关系，即在该扫描区域内选择一些节点，每个节点的二维坐标唯一对应存储器中一个地址空间，这个存储空间中存放两个值，x值和Y值，这两个值经驱动电路24、25变换输出后刚好使电子束在粉末表面的入射点等于该节点。

控制计算机向电子束投影式扫描控制电路发送的指令序列中的每个指令包含两个部分：指定电子束入射点二维坐标的部分，和指定电子束在该位置时束流强度的部分。所述控制电路按照指令控制电子束以要求的束流强度入射到粉末表面处于相应坐标的点。

控制计算机中运行扫描路径生成子程序，这个程序首先读入一个二维区域的轮廓线信息，并在轮廓线内用扫描路径填充，相邻扫描路径的间距小于预先设定的电子束斑的直径，且轮廓线和与之相邻的扫描路径的间距小于电子束斑半径；之后程序将每条扫描路径离散为一组等距的点，每两个相邻点的距离小于预设的电子束斑的直径，之后程序将这些点依照在扫描路径上的排列顺序存储在控制计算机中。

控制计算机中运行指令生成子程序，这个程序依序读取由上述步骤生成并存储的二维点坐标，在每个坐标后附加一个束流强度控制信号，生成指令向电子束投影式扫描控制电路发送，所述控制电路相继执行这些指令的结果是电子束在粉末表面相应的二维区域内依次扫过这些点。并依据指令对每点的电子束束流强度进行控制。由于每两个相邻点间距均小于电子束斑的直径，使得这个二维区域内的粉末全部被电子束加热、烧结或熔化。

上述过程中二维区域的轮廓线对应于存储在控制计算机中三维零件的一个截面的轮廓线。上述过程为一次投影式扫描中一帧投影的过程。

电子束斑扫过粉末表面一条曲线的速度实际上由电子束投影式扫描控制电路的工作频率决定，采用1MHz的工作频率即可在一秒钟内完成一百万个点的扫描，因此电子束投影式扫描控制电路可以控制电子束在极短的时间内完成对一个二维区域内粉末的加热、烧结或熔化，如0.1秒。

电子束在投影式扫描的方式下将能量分批(每一帧投影输入一批能量)输入粉末材料层，每批能量输入都通过电子束的高速扫描迅速完成，使粉末层温度均匀；分批能量输入使得温度阶梯式升高，这种策略有利于使粉末得到变化较为缓和的温度场和均匀的烧结效果，最终使得构建的三维零件内应力水平减小。

本设备中的以下部分构成粉末操纵装置：铺粉平台；活塞式成型缸；粉末供给装置；粉末铺压装置；余料回收装置。粉末操纵装置各部分均受控于控制计算机，按照预先设定的程序实现粉末操纵循环。

粉末预热装置包括温度传感器，用于检测粉末材料的温度；加热元件，用于对粉末材料加热；温度控制元件，用于对粉末的温度进行闭环控制。该装置的作用在于使粉末在电子束扫描前已经具有较高的温度，这有助于更快的烧结或熔化粉末材料，同时可以在构建的三维零件中得到更小的温度梯度分布：使选区同步烧结工艺取得更为理想的效果。

在本发明所述的电子束选区同步烧结工艺中，控制计算机按照预定的程序分别控制粉末操纵装置和电子束投影式扫描控制电路，在活塞式成型缸上成形区域内铺展一层粉末颗粒，并用电子束投影式扫描使之发生烧结或熔结，从而得到一个固结的层片；在该层片上铺设另一层粉末并用电子束进行新一轮投影式扫描，粉末层的厚度必须小于一个关键的厚度，以至于可以使电子束的部分能量到达下面相邻的层片并使所述层片上表面熔化，则新构建的层片将与前续层片在凝固后形成冶金结合。当相继烧结或熔化的层的形状对应于一个零件在相应高度上截面的形状时，则该方法得到的制件具有所述三维零件的形状。

上述步骤中电子束投影式扫描循环中，通过对填充曲线间距、电子束束流强度以及电子束扫描速度的控制实现不同的扫描效果(预热、微烧结、烧结、降温控制)。

电子束扫描的区域也成为成形区域。由于扫描速度极快，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成形区域就已经扫描完成，因此称为投影式扫描方式。而每一次完整的投影，即扫描整个零件截面的成形区域，称为一帧。

所述电子束投影式扫描中，每一帧投影由一组扫描路径组成，电子束依次快速扫过该组扫描路径后，即完成了这一帧的投影。

所述电子束投影式扫描中，每一帧投影所包含的扫描路径满足以下要求：电子束按照预先设定的参数完成所述投影后，投影区域内的材料均受到加热、烧结或熔化，且没有遗漏区域。

所述电子束投影式扫描的每一帧图形所覆盖区域的形状均等于零件当前的截面图形，而该图形内各处电子束的能量密度视成形工艺需要有所变化或保持一致。这种变化或保持一致在由主程序在生成指令的过程中根据预先设定的要求进行控制。

扫描路径的宽度即等于电子束斑在粉末表面上扫过直线或曲线后被加热或被熔化区域的宽度，或电子束斑照射粉末表面某点一段时间后被加热或熔化的区域的直径；相邻扫描路径在宽度方向或离散点在直径方向上无或可以部分重叠，重叠的部分为所述宽度或直径的0％～100％。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1所示为能实现电子束选区同步烧结工艺的三维分层制造设备。电子枪4位于真空成型室16上方，二者可由隔离阀9完全隔开或连通。电子枪室气压由真空系统5维持在接近10^-1Pa，真空成型室16气压由真空系统6维持在10^-3Pa量级。电源19在控制计算机10的控制下为电子枪4内的灯丝1、聚束极2、阳极3、以及聚焦磁透镜17提供电源。并且控制计算机通过对电源19调整电子束的强度、聚焦、以及开关等。扫描磁透镜18在控制计算机10的控制下，产生两个正交且变化的磁场控制电子束的扫描进而实现对电子束斑在粉末表面15上扫描区域形状、位置和扫描速度的控制。控制计算机10首先控制电子束投影式扫描控制电路7，所述电路的输出能量分别激发扫描磁透镜中两个方向的磁场，从而实现对电子束在两个方向上偏转和扫描的控制。真空成型室内设有铺粉平台14，铺粉平台14中心布置有活塞式成型缸20，在成型缸内的活塞22(在图2中示出)上方构建三维制件。粉末铺压装置12能够在铺粉平台14上水平移动并向活塞式成型缸内填充粉末以及铺平、压实。为了使电子束投影平面的高度不变，所述活塞能够垂直运动，其向下运动一定距离即可在成型缸内为粉末铺压装置提供相应高度的铺粉空间，粉末铺压装置每次铺粉后粉末表面的高度均相等。

在本实施例中，设备还包括一套粉末预热装置。粉末预热装置包括温控表52、温度传感器51、电阻加热丝50及它们之间的连线组成。电阻加热丝50和温度传感器51均设在粉末供给装置11内，二者均用陶瓷外套与粉末材料绝缘。温控表52设在真空室16外，从温度传感器获取当前温度，并控制电阻加热丝50的工作状态。

在本实施例中，温控表52对粉末材料的温度进行恒温控制，即将粉末温度控制在预先设定的上限温度和下限温度之间，当温度传感器检测到的温度低于下限温度时，则温控表使电阻加热丝的供电电源导通，电阻加热丝温度升高并对周围的粉末材料加热；当粉末温度高于上限温度时，则温控表断开电阻加热丝的供电电路，使粉末材料自然冷却。

在本实施例中，粉末预热装置仅对粉末供给装置粉末出口处的粉末进行温度控制，以减小所需功率和温度传感器、电阻加热丝的数量。

在一个推荐的实施例中，粉末铺压装置12由次级料斗40和压粉辊41本别实现对粉末材料的铺平和压实功能。如图2所示，次级料斗40底端开有直槽，粉末可以漏过。压粉辊41在平动的同时，还在步进电机(未画出)驱动下以一定角速度转动，将松散的粉末压实。次级料斗40和压粉辊41与工作平面14之间有一微小距离。压粉辊41与工作平面之间的距离小于次级料斗40与工作平面14之间的距离，以满足铺粉后进一步压实粉末的要求。

控制计算机中存储有三维零件按照从低到高依序排列的截面轮廓信息、截面厚度信息和填充曲线信息。控制计算机中运行的主程序调用一系列子程序控制设备的各个部分，实现选区同步烧结工艺，程序的执行过程将在后面详细说明。

图4为电子束投影式扫描的几种路径实施例。图4a中阴影区域为需要烧结或熔化的区域，对应于零件在当前高度上的截面图形。图4中列举了几种投影式扫描中电子束的扫描路径。其中，以一组平行线作为扫描路径的有图4中的b、c、d、g、h图。图4b中路径为垂直平行线，图4c中路径为倾斜平行线，图4d中路径为水平平行线，图4g中路径的间距增大，同时增大电子束焦点束斑，以降低电子束扫描的强度；图4h中路径间距进一步增大，并进一步降低束流强度，将即通过改变扫描路径的间距及能量输入密度来调整电子束的照射强度。这种扫描方式路径生成简单，但如果用来烧结、熔化粉末则得到的制件力学性能会有方向性。

图4e为以一组零件截面轮廓的偏置曲线来扫描整体成形区域。这种扫描方式可提高零件的表面精度和光洁度，且制件力学性能没有方向性，但路径生成方式复杂，总路径较长，因而会降低一次投影的速度。图4f表示采用平行线和轮廓偏移曲线混合的扫描方式，即在靠近轮廓的部分采用轮廓偏移曲线扫描1～10圈，在其余部分采用平行线扫描路径，两种方式综合使用可提高零件表面精度和光洁度，又可提高投影的速度。

每一层片加工循环中，可依照上述一种或多种扫描方式组合进行投影式扫描。在一个实施例中，第1～3帧投影式扫描用于预热成形区域，使粉末材料温度逐渐升高并保持温度的均匀性。第4帧投影式扫描用于微烧结成形区域，使表面的材料粉末发生微熔或微烧结，以便在后续烧结或重熔过程中保持在原位。第5帧投影式扫描则将成形区域内一定厚度的金属粉末充分烧结或熔化，并沉积。第6、7帧投影式扫描用于控制刚烧结的材料层的降温速度，使其以期望的速度均匀降低。

在其他实施例中，可根据实际情况改变各种用途的投影式扫描的帧数。

图5为电子束投影式扫描控制电路的一个具体实施方式。图中10为控制计算机，除10以外的部分构成电子束投影式扫描控制电路。电路包含控制器23，通过指令传输线路与控制计算机10连接，接受控制计算机指令，分析指令，并控制整个电路的运作；电子枪扫描磁透镜驱动电路24、25，通过数据传输线路与控制器23连接，分别控制电子束X、Y两个方向的偏转；电子枪聚束极电压调控电路26，通过另一组数据传输线路与控制计算机10连接，可对预先设定的聚束极电压进行调整，在工艺中按照要求改变电子束的束流强度；工作频率控制电路27，包含一个电压一频率转换元件，与控制计算机10的一个电压信号输出端相连，将控制计算机送来的一个电压信号转换成某一个频率的方波脉冲，输出至控制器23、电子枪扫描磁透镜驱动电路24、25、电子枪聚束极电压调控电路26作为电路的工作时序脉冲；存储器，存储器中的存储空间与电子束在粉末表面的最大扫描区域构成映射关系，即在该扫描区域内选择一些节点，每个节点的二维坐标唯一对应存储器中一个地址空间，这个存储空间中存放两个值，X值和Y值，这两个值经驱动电路24、25的转换后用于控制电子束X，Y方向的偏转，每个存储地址上的两个值经过这样的设置，以至于这两个值经24、25电路变换后输出使电子束偏转后在粉末表面的入射位置正好等于其存储地址所对应的节点。

在本实施例中，控制计算机10向工作频率控制电路输出0～5伏的电压信号，工作频率控制电路输出0～1000Hz的方波脉冲，作为整个电路的工作时序脉冲。

图6是电子束投影式扫描控制电路的工作流程，控制器23中运行一个程序，按照这个程序的控制，在步骤43中，这个程序根据工作频率信号对电路所处的工作状态作出判断，是否应当接收控制计算机10的指令；若判断结果为是，则进入下一步骤。步骤44中，程序首先提取指令中的二维坐标部分，经映射关系变换后在存储空间内寻找地址，这时有两种情况发生，步骤44a对这两种情况进行判断：一种是二维坐标经变换后正好得到一个地址值，这说明这个二维坐标正好对应与一个节点；对这种情况，程序执行步骤45，即直接提取该X值和Y值；另外一种情况是变换后得不到一个地址值，这说明这个二维坐标落入四个节点中间的区域；对这种情况，程序进入步骤46，提取四个相邻节点的X值和Y值，进行插值运算，运算后的结果作为需要的X值和Y值；步骤45、46后程序均进入步骤47，即提取指令中电子束束流强度控制值，按照要求变换后得到输出值；步骤48中，程序反复查询工作脉冲状态，判断时机是否合适，合适的时候则执行步骤48a，在步骤48a中，程序将这三个值分别向24、25、26三个电路的端口送出，这三个值在工作频率信号的控制下在合适的时间同时输出，控制电子束的运行；步骤49中，程序根据控制计算机10的指令信号状态，判断是否已经完成所有信号的输出，若是，则程序结束，若否，则转回执行步骤43。

其中工作脉冲发生电路的控制由控制计算机10来实现，在工艺过程中控制投影式扫描电路的工作频率，从而改变电子束投影的速度。

在本实施例中，电子束投影式扫描控制电路还可以包括另一个子电路，控制电子束聚焦磁透镜聚焦电流，在工艺过程中按照需要调整电子束的聚焦程度。

在本实施例中，每一个投影式扫描循环所需指令的生成过程如图7所示，在步骤28之前，必须在控制计算机10中已存在待制造零件的三维CAD模型，可以通过构建或输入的方式；在步骤28中，从模型的最高点或最低点开始，每降低(从最高点)或升高(从最低点)预先设定的高度就采集该模型相应高度横截面的轮廓信息，并将所有横截面轮廓信息及高度信息依序存储在控制计算机中。

步骤29中，控制计算机读取待制造横截面的轮廓信息，并根据预先设定的投影次数，在该轮廓内用扫描路径进行相应次数的填充，并将扫描路径进行离散化，每次填充的扫描路径均根据该次投影的不同用途和要求(预热、微烧结、烧结、降温)按照不同的样式生成，然后将所有这些投影信息依序存储在控制计算机10中。图2可以示例的说明一个完整的投影式扫描循环所包含的所有投影的信息，图中所示的示例中包含7次投影。

步骤30中，控制计算机读取待生成代码的投影，根据其用途和要求以及欲烧结材料的特性，确定电子束扫描的参数，并针对每一条扫描路径信息，生成一段控制代码，控制计算机10可以通过执行这些代码控制投影式扫描控制电路和电子枪而使电子束实现这一扫描；最终生成该投影所含所有扫描路径的代码。

步骤31中，判断是否已经生成本投影式扫描循环所包含的所有投影代码，若否，则继续执行步骤30，直至本投影式扫描循环所有投影的代码均以生成。

步骤32中，判断是否需要进行下一个横截面的代码生成，若是，则转去执行步骤29；若否，则本过程结束。步骤42代表本过程结束。

在一个实施例中，设备实现如图8所示的工艺过程。步骤33中，控制计算机主程序开始运行，对设备初始化，使各部分处在适宜的初始状态和位置。步骤34中，设备按照设定的层厚完成一个铺粉循环，这一循环通过控制计算机中运行的Z轴控制子程序和供铺粉子程序向粉末操纵装置发送指令实现。

步骤35中，控制计算机根据欲加工的零件截面，读取对应的指令，该组代码已由图5所示步骤生成并存储在控制计算机中。

步骤36中，控制计算机的主程序读取电子束投影式扫描控制电路控制指令中的一组(对应一个投影)，根据预先设定的参数，生成投影式扫描控制电路和电子枪的控制指令，并执行该组指令，使电子束依次扫过该投影的每条扫描路径，其效果是电子束对扫描区域的粉末均匀快速的输入了能量，根据指令对参数设定的不同，有可能使粉末温度升高或烧结或熔化。

步骤37中，主程序判断是否完成了属于该截面的所有投影，若是，则进入下一步骤；若否，则返回步骤36并指向下一组控制代码。

步骤38中，主程序判断是否完成了欲加工零件的所有截面，若是，则进入步骤39，结束该过程；若否，则返回步骤34执行。

Claims (5)

1.一种电子束选区同步烧结三维分层制造设备，包括真空室(16)，设在真空室顶部的电子枪(4)，分别与电子枪和真空室相连的真空系统(5、6)以及为电子枪各部分供电的高压电源(19)和控制各组成部分的控制计算机(10)；在所述的真空室内设有铺粉平台(14)，设置在铺粉平台上的粉末铺压装置(12)和铺粉平台中心的活塞式成型缸(20)以及设在铺粉平台上方的粉末供给装置(11)；在所述的电子枪内从下至上依次设有扫描磁透镜(18)、聚焦磁透镜(17)、阳极(3)和聚束极(2)，其特征在于：该设备还包括用于实现电子束投影式扫描的控制电路，所述扫描控制电路由以下部分构成：通过控制指令传输线路连接于控制计算机(10)的控制器(23)，通过数据总线、地址总线和控制总线连接于控制器(23)的存储器，通过数据总线与控制器(23)连接的电子枪扫描磁透镜驱动电路(24、25)，通过数据总线与控制器(23)连接的电子枪聚束极电压调控电路(26)，与控制计算机(10)的一个电压信号输出端相连的工作频率控制电路(27)；所述工作频率控制电路还通过其输出信号线路与控制器(23)、电子枪扫描磁透镜驱动电路(24、25)、电子枪聚束极电压调控电路相连；所述电子枪扫描磁透镜驱动电路(24、25)均包括处于输入端位置并与控制器(23)通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，以及与数模转换器输出端相连的功率放大器；所述电子枪聚束极电压调控电路(26)包括处于输入端位置并与控制器(23)通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，与数模转换器输出端相连的电压放大器，与数模转换器输出端和聚束极初始设定电压相连的电压叠加元件；所述工作频率控制电路(27)包括一个电压一频率转换元件。

2、按照权利要求1所述的三维分层制造设备，其特征在于：该设备还包括使粉末材料预热的装置，所述装置包括设在真空室外的温控表(53)，布置在粉末供给装置中并与温控表相连的温度传感器(51)以及布置在粉末供给装置中并与温控表相连的电阻加热丝(50)。

3、一种利用如权利要求1所述设备实现电子束选区同步烧结的工艺方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)控制计算机按照预先设定的主程序调用Z轴控制子程序，控制活塞式成形缸的活塞相对铺粉平台下降一个高度，该高度等于预先设定的铺粉厚度；

2)主程序调用供铺粉控制子程序，控制粉末供给装置输送出经过预热并且总量预先设定的粉末，然后控制粉末铺压装置将粉末送至所述活塞式成型缸上部空间内并铺平、压实，随后将多余粉末推入余料回收箱；

3)主程序调用扫描路径生成子程序，读取零件CAD模型一个截面的轮廓线信息，生成一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，控制电子束在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域预热，使材料粉末的温度同步升高到预先设定的值；

4)主程序再调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域内的粉末进行微烧结，将其固定住，防止其在随后的扫描步骤中脱离位置；

5)主程序再调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域的粉末进行烧结或熔化，使成形区域内粉末固结为一个层片，并与前一个相邻层片之间也发生固结；

6)主程序调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域内材料层的降温过程进行控制，使其以期望的速度降温；

7)主程序对零件CAD模型的下一个截面重复以上1)～6)个步骤，直至所有需要加工的层面加工完毕，即得到三维零件的形状。

4、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：电子束投影式扫描循环中每一次投影的形状等于当前的零件截面图形。

5、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：每一帧投影由一组扫描路径组成，该组路径是一组平行线或一组偏置曲线，或者二者的混合，每条路径由离散点构成；扫描路径在宽度方向或离散点在直径方向上部分重叠，重叠的部分大于所述宽度或直径的0％，小于等于所述宽度或直径的100％”。

Images