CN106001562B - 移动粉床式电子束快速成型装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种移动粉床式电子束快速成型装置，包括：设备控制系统；电子枪，用于发射电子束且能够控制聚焦和偏转扫描；第一驱动装置，用于驱动所述电子枪沿X轴方向直线运动；粉床，与所述设备控制系统连接且能够升降定位；第二驱动装置，用于驱动所述粉床沿Y轴方向直线运动；所述第一驱动装置和所述第二驱动装置相互配合以调整所述电子束与待加工区域的相对位置，使所述待加工区域位于所述电子束的中心轴线上。本发明提供的成型装置通过调整电子束与扫描区域的位置来减小电子束的偏转角度，能够提高成形精度和成形零件质量。

Description

移动粉床式电子束快速成型装置
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种移动粉床式电子束快速成型装置。
背景技术
增材制造技术又名3D打印或者快速成形技术。它是一种以数字模型文件为基础，运用金属粉末、金属丝材或可粘合性塑料等材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。快速成形制造技术被广泛用在模具制造、工业设计等领域，现正逐渐用于一些产品的直接制造,特别是一些高价值的应用(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)。
金属零部件快速成形制造方法主要有基于同步送粉的激光熔化沉积直接制造技术(Laser Melting Deposition，以下简称LMD技术)，激光选区熔化(Selective LaserMelting，以下简称SLM技术)、基于自动送丝的电子束熔丝增材制造技术(Electron BeamWire Melting，以下简称EBWM技术)、基于粉末床铺设的激光选区熔化增材制造技术(Selective Laser Melting，以下简称SLM技术)、电子束选区熔化成形(Electron BeamSelective Melting，以下简称EBSM技术)等方法。
其中，电子束选区熔化快速制造技术(EBSM)是指电子束在偏转线圈驱动下按预先规划的路径逐行扫描，熔化铺放的金属粉末，层层堆积，制造出需要的金属零件，该技术具有以下优点：
1)成形零件尺寸精度高，可不做任何后处理或简单的表面处理后经简单机械加工后形成最终使用状态，极大地缩短了产品开发周期；
2)电子束能够极细微的聚焦，束斑直径可达到0.1mm以下，扫描熔化速度可达8000mm/s，成形速度快；
3)电子束选区熔化技术可对粉床进行预热，使零件成形过程保持在一个较高的温度，降低了零件热应力引起的残余应力高、裂纹、变形等缺陷发生几率。
然而，现有电子束选区熔化成形技术都是通过偏转线圈实现电子束对一定区域内金属粉末精确扫描熔化成形。电子束经过偏转线圈后并不是完全垂直于工作表面，而是与竖直方向成一定夹角。随着电子束偏转角度的增大，电子束束流品质大幅下降，电磁校准已无法确保束流品质满足成形的需要。另外,电子束偏转角度增加粉床成形区域边缘部位的束斑有一定变形，导致熔池形状和能量分布发生偏差，从而造成成形零件精度和成形质量差。总之，在保证零部件制造精度和质量的前提下，单纯依靠电子束电磁偏转扫描不能生产较大尺寸的零部件。
发明内容
本发明的目的在于，解决电子束选区熔化成形技术成型精度和成型质量差的问题。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供一种移动粉床式电子束快速成型装置，包括：设备控制系统；电子枪，用于发射电子束且能够控制聚焦和偏转扫描；第一驱动装置，用于驱动所述电子枪沿X轴方向直线运动；粉床，与所述设备控制系统连接且能够升降定位；第二驱动装置，用于驱动所述粉床沿Y轴方向直线运动；所述第一驱动装置和所述第二驱动装置相互配合以调整所述电子束与待加工区域的相对位置，使所述待加工区域位于所述电子束的中心轴线上。
相较于现有技术，本发明提供的成型装置通过调整电子束与待加工区域的位置来减小电子束的偏转角度，有利于保证电子束束流品质，提高成形精度和成形零件质量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的移动粉床式电子束快速成型装置的正面剖视图。
图2是图1的部分放大图。
附图标记说明：1.真空成形室；2.粉床；3.粉床承载平台；4.粉床升降机构；5.第二电机；6.第二运动传动装置；7.第二直线运动导轨；8.铺粉装置；9.铺粉直线导轨；10.粉仓；11.阀门；12.真空泵机组；13.管道；14.真空系统温度压力传感器；15.第一电机；16.第一运动传动装置；17.第一直线运动导轨；18.电子枪；19.电子束发射装置；20.聚焦线圈；21.偏转线圈；22.设备控制系统。
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。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
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。
请一并参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的移动粉床式电子束快速成型装置的结构示意图。
移动粉床式电子束快速成型装置包括：设备控制系统22、电子枪18、第一驱动装置、粉床2、第二驱动装置、粉末供给和铺粉装置、真空成形室1以及真空泵机组12。
粉床2与设备控制系统22连接且具有升降定位功能。具体地，粉床2包括粉床升降机构4和粉床承载平台3，是粉床升降机构4带动所述粉床承载平台3升降。
电子枪18用于发射电子束且能精确控制聚焦和偏转扫描，在本实施例中，电子枪18包括偏转线圈21、聚焦线圈20和电子束发生装置19，聚焦线圈20位于电子束发生装置19的下方，偏转线圈21位于聚焦线圈20的下方。
粉床2和电子枪18分别装在可沿的Y轴、X轴直线运动的装置上以调整电子束与待加工区域的位置，使得每一个待加工区域(优选地，是每一个待加工区域的中心)都能位于电子枪发射的电子束的中心轴线上，从而减小电子束的偏转角度。粉床承载平台3的机械运动还能增加扫描范围。
在本实施例中，电子枪18在第一驱动装置的驱动下沿X轴方向直线运动。第一驱动装置包括第一直线运动导轨17、第一传动装置16和连接设备控制系统22的第一电机15。电子枪18安装在第一直线运动导轨17上，位于真空成形室1的顶部，并与真空成形室1相通。
粉床2在第二驱动装置的驱动下沿Y轴方向直线运动。第二驱动装置包括位于粉床2下方的第二直线运动导轨7、位于第二直线运动导轨7下方的第二运动传动装置6和连接设备控制系统22的第二电机5。第二电机5与第二运动传动装置6连接，第二运动传动装置6与第二直线运动导轨7啮合。粉床2和第二驱动装置均安装在真空成形室1的内部。
在本实施例中，第二直线运动导轨7包括1根位于粉床升降机4下方的导轨，第二运动传动装置6包括1个与导轨啮合的齿轮。齿轮和第二电机5连接。
粉末供给和铺粉装置包括粉仓10、铺粉直线导轨9、铺粉装置8。粉末供给和铺粉装置安装在真空成形室1的内部，可向粉床承载平台3铺粉。
粉仓10固定于铺粉装置8和铺粉直线导轨9的上方，用于定期向铺粉装置8内补给金属粉末。铺粉装置8安装在铺粉直线导轨9上，并在机械驱动装置带动下沿铺粉直线导轨9移动。铺粉直线导轨9安装在真空成形室1内。铺粉装置8对着粉床承载台3上的工作区域进行铺粉。
真空泵机组12包括各种连接设备控制系统22的抽真空设备、阀门11、真空系统温度压力传感器14和管道13，用于成形真空成形室1，以及对电子枪18所在的区域(即真空成形室1的顶部，也可看作是真空成形室1的一部分)抽真空。因此整个成型过程可在真空中进行。
设备控制系统22包括计算机、PLC可编程控制、数控系统以及电源系统。
优选地，粉床2和电子枪18的移动定位精度控制在2μm/500mm。
本发明提供的移动粉床式电子束(选区熔化)快速成型装置可有效减小电子束的偏转角度，保证了电子束束流品质和成形区域边缘部位的束斑形状，从而改善电子束扫描熔化成形时熔池形状和能量分布。
采用本发明提供的成型装置可生产零件尺寸比不具备粉床和电子束移动的功能的电子束选区熔化设备生产的零件尺寸大3倍以上，零件的制造尺寸达到无限大。
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)

1.一种移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，包括：
设备控制系统；
电子枪，用于发射电子束且能够控制聚焦和偏转扫描，所述电子枪由偏转线圈、聚焦线圈和电子束发生装置组成，所述聚焦线圈位于所述电子束发生装置的下方，所述偏转线圈位于所述聚焦线圈的下方；
第一驱动装置，用于驱动所述电子枪沿X轴方向直线运动；
粉床，与所述设备控制系统连接且能够升降定位；
第二驱动装置，用于驱动所述粉床沿Y轴方向直线运动；
所述第一驱动装置和所述第二驱动装置相互配合以调整所述电子束与待加工区域的相对位置，使每一所述待加工区域的中心位于所述电子束的中心轴线上以减小电子束的偏振角度。
2.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括第一直线运动导轨、第一运动传动装置和连接所述设备控制系统的第一电机，所述电子枪安装在所述第一直线运动导轨上，所述第一运动传动装置和所述第一电机控制所述电子枪移动。
3.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述第二驱动装置包括位于所述粉床下方的第二直线运动导轨、位于所述第二直线运动导轨下方的第二运动传动装置和连接所述设备控制系统的第二电机，所述第二电机与所述第二运动传动装置连接，第二运动传动装置与所述第二直线运动导轨啮合。
4.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述成型装置还包括真空成形室以及真空泵机组，所述电子枪安装在所述真空成形室的顶部，并与所述真空成形室相通，所述粉床和所述第二驱动装置安装在所述真空成形室内部。
5.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述成型装置还包括粉末供给和铺粉装置，所述粉末供给和铺粉装置包括粉仓、铺粉直线导轨、铺粉装置，所述粉末供给和铺粉装置用于向所述粉床的承载平台铺粉，所述粉仓固定于所述铺粉装置和所述铺粉直线导轨的上方，所述铺粉装置安装在所述铺粉直线导轨上，并可沿所述铺粉直线导轨直线运动。
6.如权利要求5所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述成型装置还包括真空成形室以及真空泵机组，所述粉末供给和铺粉装置安装在所述真空成形室内部。
7.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述设备控制系统包括：计算机、PLC可编程控制、数控系统以及电源系统。
8.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述粉床和所述电子枪分别装在可沿Y轴或X轴直线运动的装置上。
9.如权利要求1所述的移动粉床式电子束选区熔化成型装置，其特征在于，所述粉床和所述电子枪的移动定位精度为2μm/500mm。
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