CN106064273A - 电子束复合增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合增材制造技术领域，具体提供了一种电子束复合增材制造方法，是利用电子束复合增材制造设备进行加工件制造的。制造过程中，对加工件进行成型的电子束熔融堆叠加工(即3D打印)及对加工件进行精加工的机械加工，处于同一个真空腔体及回转台上，可以有效避免现有技术在二次加工时无法精确定位坐标的问题，获得精度较高的加工件；且可避免完全成型后部分面无法加工以及薄壁结构件加工时无支撑面造成变形等缺点，也易于操作实现。

Description

电子束复合增材制造方法
技术领域
本发明涉及复合增材制造技术领域，尤其涉及一种电子束复合增材制造方法。
背景技术
在复合增材制造技术领，目前存在的金属增材制造方法，主要分为两大类，即采用粉末熔融烧结，如激光选区熔敷(烧结)、电子束选区熔融；和采用金属丝材熔融堆叠，如电子束熔丝成型技术。然而无论何种方法成型出来的零件，都存在形状误差大、表面光洁度不高的问题。对此，通常的方法是采用传统的二次加工方法进行处理，但是，在工艺性上又存在很多难点，导致应用受到局限。另一种方法是目前市场上逐步出现的激光熔敷+铣削的复合式加工方法，但是由于激光本身的特点，使其应用也受到一定局限。
熔丝成型技术在成型速度快、工艺较简单方面较其他几种存在优势，但该技术采用熔滴过渡或者直接将丝材送入熔池，其中熔滴过渡或熔丝由于来不及熔融造成断丝等，可能存在表面光洁度不足，产品尺寸精度存在误差等缺陷，难以制造出精度较高的零件，仅能用于毛坯的制造。传统生产工艺则将金属熔融打印技术成型的零件，再放入机床进行二次加工以达到要求精度。但此工艺存在：零件参考点由于坐标变化无法精确定位、完全成型后部分面无法加工以及薄壁结构件加工时无支撑面造成变形等缺点。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种电子束复合增材制造方法。
一种电子束复合增材制造方法，其包括如下步骤：
S101：将三维实体零件模型图经切片分层处理后的分层数据导入控制系统中，所述控制系统根据分层数据计算出每一层电子束在工作平面内将要沉积的路径；
S102：对真空腔体进行抽真空，所述控制系统按照指定速度控制设置于所述真空腔体内的回转台运动，使设置于所述真空腔体内的电子枪发出的电子束按照分层数据指定的沉积路径运动，同时所述控制系统控制所述电子枪采用指定的束流、聚焦电流参数对金属丝材加热熔融堆积，同时所述控制系统控制设置于所述真空腔体内的送丝机构按照指定的速度将金属丝材送入熔融区域；
S103：所述控制系统控制所述电子枪将电子束焦点位置提升，并控制所述回转台沿竖直方向的Z轴运动提高相应高度，然后按照步骤S102进行下一层的熔融堆积直至零件堆积完成；
S104：根据设计参数熔融金属丝材，沉积堆叠设计的尺寸后，暂停所述电子枪发出电子束及所述送丝机构传送金属丝材；
S105：停止对所述真空腔体进行抽真空，开启惰性气体循环装置的气体保护管路，向所述真空腔体充入惰性气体至所述真空腔体内达到预定压强值；
S106:所述回转台按照设计路径运动，开启机械加工装置进行机械加工，并开启所述惰性气体循环装置的吹气冷却管路对所述机械加工装置的刀头进行冷却，直至达到规定尺寸精度，暂停机械加工，并停止所述惰性气体循环装置的吹气冷却管路；
S107：对所述真空腔体进行抽真空，待所述真空腔体内的真空度达到预定值后开启所述电子枪，所述回转台返回沉积扫描坐标点继续下一步沉积；
S108：重复步骤S102-步骤S107直至加工过程全部完成。
本发明一较佳实施方式中，所述电子束复合增材制造方法熔融堆积第一层在不锈钢基板上进行。
本发明一较佳实施方式中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或其混合气。
本发明一较佳实施方式中，利用真空泵组对所述真空腔体进行抽真空，所述真空泵组、所述回转台、所述送丝机构、所述电子枪、所述惰性气体循环装置及所述机械加工装置均电连接于所述控制系统。
本发明一较佳实施方式中，所述回转台可在水平面内沿X轴方向和Y轴方向直线运动、可沿竖直方向的Z轴直线运动、且可分别绕A轴和C轴旋转。
本发明一较佳实施方式中，所述送丝机构将金属丝材输送至所述回转台。
本发明一较佳实施方式中，所述电子枪朝向所述回转台，发出电子束对所述送丝机构前端的金属丝材进行加热，使金属丝材熔融堆叠形成近似形体于所述回转台。
本发明一较佳实施方式中，所述气体保护管路朝向处于机械加工位的所述回转台，为所述回转台提供惰性气体保护，所述吹气冷却管路朝向所述机械加工装置的刀头，对所述刀头进行冷却。
本发明一较佳实施方式中，所述刀头为铣刀。
本发明一较佳实施方式中，所述A轴和所述C轴相互垂直。
相对于现有技术，本发明提供的电子束复合增材制造方法中，对加工件进行成型的电子束熔融堆叠加工(即3D打印)及对加工件进行精加工的机械加工，处于同一个工作腔体及回转台上，可以有效避免现有技术在二次加工时无法精确定位坐标的问题，获得精度较高的加工件；且可避免完全成型后部分面无法加工以及薄壁结构件加工时无支撑面造成变形等缺点，也易于操作实现。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例提供的电子束复合增材制造方法所利用的设备的示意图；
图2为所述电子束复合增材制造方法的流程图。
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。
本发明提供一种电子束复合增材制造方法，其主要利用如图1所示电子束复合增材制造设备100进行制造，所述电子束复合增材制造设备100包括：真空腔体10、回转台20、送丝机构30、电子枪40、惰性气体循环装置50、机械加工装置60及控制系统(图未示)。
所述真空腔体10可密封形成封闭结构。所述回转台20设置于所述真空腔体10内，其可在水平面内沿X轴方向和Y轴方向直线运动，由此可通过X轴和Y轴的移动来调节所述回转台20的位置，本实施例中，所述回转台20在水平面上可移动到熔融堆积加工位(即3D打印位)和机械加工位(即精细加工位)；所述回转台20可沿竖直方向的Z轴直线运动，由此可以调节所述回转台20的竖直高度；所述回转台20还可分别绕A轴和C轴(图未示)旋转，由此可以调节所述回转台20的不同朝向。优选地，所述A轴和所述C轴相互垂直。本实施例中，所述A轴和所述C轴分别平行于X轴和Y轴。
所述送丝机构30设置于所述真空腔体10内，用于将金属丝材31输送至所述回转台20。
所述电子枪40设置于所述真空腔体10内，且朝向所述回转台20，其发出电子束对所述送丝机构30前端的金属丝材31进行加热，使金属丝材31熔融堆叠形成近似形体于所述回转台20。
所述惰性气体循环装置50和所述真空腔体10相通。所述机械加工装置60对所述近似形体进行机械加工，获得符合规定尺寸精度。本实施例中，所述惰性气体循环装置50包括所述机械加工过程中对所述回转台20进行惰性气体保护的气体保护管路51及对所述机械加工装置60的刀头61进行冷却的吹气冷却管路53。具体地，所述气体保护管路51连通所述真空腔体10，且其出口朝向处于机械加工位的所述回转台20，由此，在机械加工过程中可将惰性气体喷向所述回转台20，实现对所述回转台20进行惰性气体保护；所述吹气冷却管路53延伸至所述机械加工装置60，且其出口朝向所述刀头61，由此，在机械加工过程中可向所述刀头61进行吹气，对所述刀头61进行冷却散热。
优选地，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或其混合气。所述机械加工装置60的刀头61为进行铣削加工的铣刀。
所述控制系统和所述回转台20、所述送丝机构30、所述电子枪40、所述惰性气体循环装置50、所述机械加工装置60及所述真空泵组80电连接，控制所述回转台20、所述送丝机构30、所述电子枪40、所述惰性气体循环装置50、所述机械加工装置60及所述真空泵组80工作。
本实施例中，所述电子束复合增材制造设备100还包括连通所述真空腔体10的真空泵组80，所述真空泵组80对所述真空腔体10进行抽真空；所述真空泵组80电连接于所述控制系统，由所述控制系统控制工作。可以理解的是，所述真空泵组80和所述真空腔体10相连通，且连接处密封，以确保所述真空腔体10的密封性。
所述电子束复合增材制造设备100将电子束熔融沉积与机械加工减材相结合，填补了电子束复合增材领域的空白，在兼顾真空环境电子束高质量高速沉积的同时，实现了同一工作室内采用类似惰性气体循环方式，带走机械加工过程产生的多余热量，为机械加工刀头的正常使用提供了条件。
请参阅图2，本发明提供的电子束复合增材制造方法具体包括如下步骤：
S101：将三维实体零件模型图经切片分层处理后的分层数据导入控制系统中，所述控制系统根据分层数据计算出每一层电子束在工作平面内将要沉积的路径。
由此，所述控制系统可控制所述回转台20、所述送丝机构30及所述电子枪40根据所生成的路径及具体的加工要求工作。
可以理解的是，此时所述回转台20在所述控制系统的控制下，处于熔融堆积加工的位置。
S102：对真空腔体10进行抽真空，所述控制系统按照指定速度控制设置于所述真空腔体10内的回转台20运动，使所述真空腔体10内的电子枪40发出的电子束按照分层数据指定的沉积路径运动，同时所述控制系统控制所述真空腔体10内的所述电子枪40采用指定的束流、聚焦电流参数对金属丝材加热熔融堆积，同时所述控制系统控制所述真空腔体10内的送丝机构30按照指定的速度将金属丝材送入熔融区域。
熔融的金属丝材根据沉积路径堆积第一层，本实施例中，所述电子束复合增材制造方法熔融堆积第一层在不锈钢基板上进行。
可以理解的是，所述控制系统控制所述真空泵组80对所述真空腔体10进行抽真空，使所述真空腔体10内部形成符合要求的真空加工环境。
S103：所述控制系统控制所述电子枪40将电子束焦点位置提升，并控制所述回转台20沿竖直方向的Z轴运动提高相应高度，然后按照步骤S102进行下一层的熔融堆积直至零件堆积完成。
可以理解的是，电子束焦点位置提升可以为下一层的熔融堆积做准备。
S104：根据设计参数熔融金属丝材，沉积堆叠设计的尺寸后，暂停所述电子枪40发出电子束及送丝机构30传送金属丝材。
S105：停止对所述真空腔体10进行抽真空，开启惰性气体循环装置50的气体保护管路51，向所述真空腔体10充入惰性气体至所述真空腔体10内达到预定压强值。
优选地，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或其混合气。
S106:所述回转台20按照设计路径运动，开启机械加工装置70进行机械加工，并开启所述惰性气体循环装置50的吹气冷却管路53对所述机械加工装置60的刀头进行冷却，直至达到规定尺寸精度，暂停机械加工，并停止所述惰性气体循环装置50的吹气冷却管路53。
可以理解的是，此时所述回转台20在所述控制系统的控制下，处于机械加工的位置。
S107：对所述真空腔体10进行抽真空，待所述真空腔体10内的真空度达到预定值后开启所述电子枪40，所述回转台20返回沉积扫描坐标点继续下一步沉积。
S108：重复步骤S102-步骤S107直至加工过程全部完成。
本实施例中，所述电子束复合增材制造方法堆积完成后，或者在上一层与下一层的熔融堆积之间进行机械加工，可以有效地提高加工零件的尺寸精度。
可以理解的是，本发明中，所述电子束复合增材制造方法由真空泵组80提供了熔融堆积过程的真空环境，并由惰性气体循环装置50提供了机械加工过程的气体环境。
相对于现有技术，本发明提供的电子束复合增材制造方法中，对加工件进行成型的电子束熔融堆叠加工(即3D打印)及对加工件进行精加工的机械加工，处于同一个工作腔体及回转台上，可以有效避免现有技术在二次加工时无法精确定位坐标的问题，获得精度较高的加工件；且可避免完全成型后部分面无法加工以及薄壁结构件加工时无支撑面造成变形等缺点，也易于操作实现。
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 (10)

1.一种电子束复合增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：将三维实体零件模型图经切片分层处理后的分层数据导入控制系统中，所述控制系统根据分层数据计算出每一层电子束在工作平面内将要沉积的路径；
S102：对真空腔体进行抽真空，所述控制系统按照指定速度控制设置于所述真空腔体内的回转台运动，使设置于所述真空腔体内的电子枪发出的电子束按照分层数据指定的沉积路径运动，同时所述控制系统控制所述电子枪采用指定的束流、聚焦电流参数对金属丝材加热熔融堆积，同时所述控制系统控制设置于所述真空腔体内的送丝机构按照指定的速度将金属丝材送入熔融区域；
S103：所述控制系统控制所述电子枪将电子束焦点位置提升，并控制所述回转台沿竖直方向的Z轴运动提高相应高度，然后按照步骤S102进行下一层的熔融堆积直至零件堆积完成；
S104：根据设计参数熔融金属丝材，沉积堆叠设计的尺寸后，暂停所述电子枪发出电子束及所述送丝机构传送金属丝材；
S105：停止对所述真空腔体进行抽真空，开启惰性气体循环装置的气体保护管路，向所述真空腔体充入惰性气体至所述真空腔体内达到预定压强值；
S106:所述回转台按照设计路径运动，开启机械加工装置进行机械加工，并开启所述惰性气体循环装置的吹气冷却管路对所述机械加工装置的刀头进行冷却，直至达到规定尺寸精度，暂停机械加工，并停止所述惰性气体循环装置的吹气冷却管路；
S107：对所述真空腔体进行抽真空，待所述真空腔体内的真空度达到预定值后开启所述电子枪，所述回转台返回沉积扫描坐标点继续下一步沉积；
S108：重复步骤S102-步骤S107直至加工过程全部完成。
2.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述电子束复合增材制造方法熔融堆积第一层在不锈钢基板上进行。
3.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或其混合气。
4.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，利用真空泵组对所述真空腔体进行抽真空，所述真空泵组、所述回转台、所述送丝机构、所述电子枪、所述惰性气体循环装置及所述机械加工装置均电连接于所述控制系统。
5.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述回转台可在水平面内沿X轴方向和Y轴方向直线运动、可沿竖直方向的Z轴直线运动、且可分别绕A轴和C轴旋转。
6.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述送丝机构将金属丝材输送至所述回转台。
7.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述电子枪朝向所述回转台，发出电子束对所述送丝机构前端的金属丝材进行加热，使金属丝材熔融堆叠形成近似形体于所述回转台。
8.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述气体保护管路朝向处于机械加工位的所述回转台，为所述回转台提供惰性气体保护，所述吹气冷却管路朝向所述机械加工装置的刀头，对所述刀头进行冷却。
9.如权利要求8所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述刀头为铣刀。
10.如权利要求1所述的电子束复合增材制造方法，其特征在于，所述A轴和所述C轴相互垂直。
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