CN106563805A - 增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增材制造装置，其包括真空成形腔体及设置于所述真空成形腔体内的粉床、升降机构及供粉机构，及设于真空成形腔体上方的电子枪，电子枪具有多个呈阵列分布的电子束发射单元，粉床连接于升降机构，升降机构驱动粉床精确升降和定位，供粉机构向粉床供粉和铺粉，电子束发射单元发射电子束对粉床上铺设的粉末进行精确的熔化扫描成形。增材制造装置使用具有阵列分布电子束发射单元的电子枪，控制不同阵列位置的电子束发射单元对粉床的不同区域进行精确扫描成形，可保证电子束束流品质，对应负责一个区域，使各区域通过有效衔接，从而在保证零件成形精度和质量的前提下，实现大尺寸零部件的快速制造。另外提供的增材制造方法易于操作实现。

Description

增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成形技术，是一种以三维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。增材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)。

金属零部件增材制造方法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、电子束熔丝成形(EBAM)、粉床式电子束选区熔化成形(EBM)等方法。这几种方法都不同程度存在着局限性，比如几种采用激光为热源的增材制造方法和电子束选区熔化成形都是采用金属粉末作为成形原材料，这些方法成型精度高，但不能制造较大尺寸的零件。电子束熔丝成形采用金属丝材作为成形原材料，尽管成形速度快，但成形精度较低，难以成形制造精度较高的零件，仅能用于零件毛坯的制造。

为了制造精度高、质量可靠的金属零部件，通常选用粉床式电子束选区熔化成形技术，主要具有以下优点：

其一、成形零件尺寸精度高，经简单的表面处理和机械加工后达到最终使用状态，可有效缩短产品开发周期；其二、电子束能够极细微的聚焦，扫描熔化速度可达8000mm/s，成形速度快；其三、电子束可对粉床进行预热，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、变形等缺陷的发生几率。

但是，现有粉床式电子束选区熔化成形技术都是通过偏转线圈实现单一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，越靠近粉床边缘，夹角越大。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，粉床边缘成形区域电子束偏转角度很大，电子束束斑会有一定变形，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。采用机械运动移动电子枪或粉缸，由于机械运动速度慢，将大大降低成型效率，同时移动电子枪或粉缸使得设备的电气和机械结构复杂，容易造成装备的运行可靠性下降。而简单增加电子枪的数目，又由于布置空间的问题而无法使每个电子枪负责区域有效衔接。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

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种增材制造装置及方法。

一种增材制造装置，包括真空成形腔体、电子枪、粉床、升降机构及供粉机构，所述粉床、所述升降机构及所述供粉机构设置于所述真空成形腔体内，所述电子枪设于所述真空腔体的上方，与所述真空成形腔体相通，所述电子枪具有多个呈阵列分布的电子束发射单元，所述粉床连接于所述升降机构，所述升降机构驱动所述粉床精确升降和定位，所述供粉机构向所述粉床供粉和铺粉，所述电子束发射单元发射电子束对所述粉床上铺设的粉末进行精确的熔化扫描成形。

本发明一较佳实施方式中，还包括真空泵组及控制系统，所述真空泵组连通所述真空成形腔体，所述控制系统连接控制所述电子枪、所述升降机构、所述供粉机构及所述真空泵组；所述控制系统根据所述电子枪中电子束发射单元的数量和阵列分布形式，将所述粉床分为相应的阵列区域，再控制对应所述阵列区域的电子束发射单元进行精确扫描成形，同时控制所述供粉机构、所述粉床、所述真空泵组、所述电子枪进行配合。

本发明一较佳实施方式中，所述多个电子束发射单元相互独立，均在所述控制系统的控制下向所述粉床分别或同时发射电子束。

本发明一较佳实施方式中，所述升降机构设置于真空成形腔体内的底部，所述粉床和所述电子枪相对、且设置于所述升降机构的上端。

本发明一较佳实施方式中，所述粉床通过粉床承载平台设置于所述升降机构的上端。

本发明一较佳实施方式中，所述供粉机构包括粉仓及铺粉装置，所述粉仓储备粉末、且设置于所述真空成形腔体内的顶部，所述铺粉装置可相对于所述粉床精确地移动。

一种增材制造方法，其包括以下步骤：

步骤1：将三维实体零件模型图经切片处理后的分层数据导入控制系统；

步骤2：通过控制系统在粉床工作表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点O；

步骤3：通过控制系统，按照电子枪中多个电子束发射单元的阵列分布形式，将粉床表面电子束扫描区域沿X轴和Y轴方向分别划分成相应阵列形式的网格区域；

步骤4：通过控制系统预先计算即将扫描的分层数据轨迹点在所述直角坐标系中的位置坐标，确定即将扫描的分层数据轨迹点的坐标对应所述网格区域中的位置；

步骤5：通过供粉机构向粉床进行铺粉；

步骤6：按照给定的顺序和工艺参数，通过控制系统控制对应所述网格区域的电子束发射单元依次对不同网格区域的分层数据轨迹进行扫描熔化；

步骤7：控制粉床下降一预定高度；

步骤8：重复步骤4～7，直到完成零件成形。

本发明一较佳实施方式中，步骤6开始之前，对粉床的全部区域或部分区域进行电子束扫描预热。

相较于现有技术，本发明提供的增材制造装置，使用具有阵列分布电子束发射单元的电子枪，控制不同阵列位置的电子束发射单元对粉床的不同区域进行精确扫描成形，可使每一个电子束发生单元的电子束束流品质得到保证，对应负责一个区域，使各个区域通过有效的衔接，从而在保证零件成形精度和质量的前提下，实现大尺寸零部件的快速制造。本发明另外提供的增材制造方法易于操作实现。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的增材制造装置的组成示意图；

图2为图1所示增材制造装置中电子枪中电子束发生单元的阵列分布示意图；

图3为本发明第二实施例提供的增材制造方法的流程图；

图4为图3所示增材制造方法中粉床的扫描区域阵列划分示意图。

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增材制造装置，其包括真空成形腔体11、电子枪13、粉床15、升降机构17及供粉机构19。粉床15、升降机构17及供粉机构19设置于真空成形腔体11内，电子枪13设于真空成形腔体11的上方，与真空成形腔体11相通，所述电子枪13具有多个朝向所述粉床15、且呈阵列分布的电子束发射单元131，所述粉床15连接于所述升降机构17，所述升降机构17驱动所述粉床15精确升降和定位，所述供粉机构19向所述粉床15供粉和铺粉，所述电子束发射单元131发射电子束133对所述粉床15上铺设的粉末进行精确的熔化扫描成形。

本实施例中，所述真空成形腔体11为密封结构。

请参阅图2，本实施例中，所述电子枪13中的多个电子束发射单元131以阵列形式分布设置，具体地，阵列形式可以是1×2矩形阵列、2×2矩形阵列、2×3矩形阵列、3×3矩形阵列或其他形式的阵列形式，具体可以根据加工零件的形状、尺寸、结构等特征进行设计。

所述增材制造装置还包括真空泵组21及控制系统23，所述真空泵组21连通所述真空成形腔体11，用于对所述真空成形腔体11进行抽真空，使所述真空成形腔体11内形成真空的加工环境。所述控制系统23连接控制所述电子枪13、所述升降机构17、所述供粉机构19及所述真空泵组21；所述控制系统23根据所述电子枪13中电子束发射单元131的数量和阵列分布形式，将所述粉床15分为相应的阵列区域，再控制对应所述阵列区域的电子束发射单元131进行精确扫描成形，同时控制所述供粉机构19、所述粉床15、所述真空泵组21、所述电子枪13进行配合。

本实施例中，优选地，相邻的电子束发射单元131之间具有连通孔133(如图2所示)，由此，便于所述真空泵组21快速地对各个电子束发射单元131的真空室进行抽真空，节省抽真空时间，并使各个电子枪发射单元131的真空室的真空度保持一致。

可以理解的是，进行零件25的增材制造时，需要所述控制系统23控制所述电子枪13、所述粉床15、所述供粉机构19、所述真空泵组21等进行协同作业，其中，所述粉床15又通过控制所述升降机构17来实现。显然，所述电子枪13、所述升降机构17、所述供粉机构19及所述真空泵组21分别和所述控制系统23电连接。

优选地，所述多个电子束发射单元131相互独立，均在所述控制系统23的控制下向所述粉床15分别或同时发射电子束133。可以理解的是，所述多个电子束发生单元131可根据增材制造的零件形状、尺寸及结构的特点，在所述控制系统23的控制下单独发射电子束133或同时共同发射电子束133。

本实施例中，所述升降机构17设置于真空成形腔体11内的底部，所述粉床15和所述电子枪13相对、且设置于所述升降机构17的上端。由此，通过所述升降机构17，即可驱动所述粉床15相对于所述电子枪13上升或下降，从而可以控制增材制造的扫描层。

优选地，所述粉床15通过粉床承载平台151设置于所述升降机构17的上端。具体地，所述粉床15设置于所述粉床承载平台151，所述粉床承载平台151和所述升降机构17的上端相连接。

本实施例中，所述供粉机构19包括粉仓191及铺粉装置193，所述粉仓191储备粉末、且设置于所述真空成形腔体11内的顶部，所述铺粉装置193可相对于所述粉床15精确地移动。具体地，所述粉仓191用于储备金属粉末，以为增材制造提供所需的金属粉末；所述粉仓191通过连通件(图未示)将金属粉末输送至所述铺粉装置193。所述铺粉装置193通过悬梁195设置于所述真空成形腔体11内，所述铺粉装置193利用所述悬梁195，可以相对于所述粉床15至少在横向和纵向精确地移动，由此，可以对所述粉床15进行有效而精确的铺粉。

请参阅图3，本发明第二实施例提供一种增材制造方法，其包括以下步骤：

步骤1：将三维实体零件模型图经切片处理后的分层数据导入控制系统23。

可以理解的是，所述控制系统23包括计算机系统，以进行所需的数据、图形处理。

步骤2：通过控制系统23在粉床15的工作表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点O。

步骤3：通过控制系统23，按照电子枪13中多个电子束发射单元131的阵列分布形式，将粉床15的表面电子束扫描区域沿X轴和Y轴方向分别划分成相应阵列形式的网格区域。

请一并参阅图4，本实施例中，根据增材制造零件的形状、尺寸和结构特点，对粉床15的表面电子束扫描区域X轴和Y轴方向分别划分成相应阵列形式的网格区域，由此可以精确确定不同的网格区域所对应的电子束发射单元131。

步骤4：通过控制系统23预先计算即将扫描的分层数据轨迹点在所述直角坐标系中的位置坐标，确定即将扫描的分层数据轨迹点的坐标对应所述网格区域中的位置。

步骤5：通过供粉机构19向粉床15进行铺粉。

即根据增材制造零件的形状、尺寸和结构特点，利用粉仓191和铺粉装置193向粉床15进行铺粉。

步骤6：按照给定的顺序和工艺参数，通过控制系统23控制对应所述网格区域的电子束发射单元131依次对不同网格区域的分层数据轨迹进行扫描熔化。

由此可以完成某一具体层的扫描熔化，使粉床15中对应增材制造零件的相应金属粉末熔化并凝结成所需的形状、结构。

优选地，在本步骤开始之前，对粉床15的全部区域或部分区域进行电子束扫描预热，由此可使零件和粉床15的不同部位保持较小的温度梯度，进而可以减小因温度梯度造成的应力。

步骤7：控制粉床15下降一预定高度。

可以理解的是，通过升降机构17即可控制粉床15下降。本实施例中，预定高度可根据增材制造零件的具体形状、尺寸和结构进行设计。

步骤8：重复步骤4～7，直到完成零件成形。

由此，根据三维实体零件模型图经切片处理后的分层数据一层层扫描成形，即可完成零件的增材制造。

相较于现有技术，本发明提供的增材制造装置，使用具有阵列分布电子束发射单元的电子枪，控制不同阵列位置的电子束发射单元对粉床的不同区域进行精确扫描成形，可使每一个电子束发生单元的电子束束流品质得到保证，对应负责一个区域，使各个区域通过有效的衔接，从而在保证零件成形精度和质量的前提下，实现大尺寸零部件的快速制造。本发明另外提供的增材制造方法易于操作实现。

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 (8)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括真空成形腔体、电子枪、粉床、升降机构及供粉机构，所述粉床、所述升降机构及所述供粉机构设置于所述真空成形腔体内，所述电子枪设于所述真空成形腔体的上方，与所述真空成形腔体相通，所述电子枪具有多个呈阵列分布的电子束发射单元，所述粉床连接于所述升降机构，所述升降机构驱动所述粉床精确升降和定位，所述供粉机构向所述粉床供粉和铺粉，所述电子束发射单元发射电子束对所述粉床上铺设的粉末进行精确的熔化扫描成形。

2.如权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括真空泵组及控制系统，所述真空泵组连通所述真空成形腔体，所述控制系统连接控制所述电子枪、所述升降机构、所述供粉机构及所述真空泵组；所述控制系统根据所述电子枪中电子束发射单元的数量和阵列分布形式，将所述粉床分为相应的阵列区域，再控制对应所述阵列区域的电子束发射单元进行精确扫描成形，同时控制所述供粉机构、所述粉床、所述真空泵组、所述电子枪进行配合。

3.如权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述多个电子束发射单元相互独立，均在所述控制系统的控制下向所述粉床分别或同时发射电子束。

4.如权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述升降机构设置于真空成形腔体内的底部，所述粉床和所述电子枪相对、且设置于所述升降机构的上端。

5.如权利要求4所述的增材制造装置，其特征在于，所述粉床通过粉床承载平台设置于所述升降机构的上端。

6.如权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述供粉机构包括粉仓及铺粉装置，所述粉仓储备粉末、且设置于所述真空成形腔体内的顶部，所述铺粉装置可相对于所述粉床精确地移动。

7.一种增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将三维实体零件模型图经切片处理后的分层数据导入控制系统；

步骤2：通过控制系统在粉床工作表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点O；

步骤3：通过控制系统，按照电子枪中多个电子束发射单元的阵列分布形式，将粉床表面电子束扫描区域沿X轴和Y轴方向分别划分成相应阵列形式的网格区域；

步骤4：通过控制系统预先计算即将扫描的分层数据轨迹点在所述直角坐标系中的位置坐标，确定即将扫描的分层数据轨迹点的坐标对应所述网格区域中的位置；

步骤5：通过供粉机构向粉床进行铺粉；

步骤6：按照给定的顺序和工艺参数，通过控制系统控制对应所述网格区域的电子束发射单元依次对不同网格区域的分层数据轨迹进行扫描熔化；

步骤7：控制粉床下降一预定高度；

步骤8：重复步骤4～7，直到完成零件成形。

8.如权利要求7所述的增材制造方法，其特征在于，步骤6开始之前，对粉床的全部区域或部分区域进行电子束扫描预热。