CN106735203A - 一种电子束快速成形制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快速成形制造领域，特别涉及一种电子束快速成形制造方法，通过根据粉床成形工艺要求，经过分析计算确定金属粉末平均粒径D₀、束斑直径d₀和束流功率值P_b等参数，科学合理的输出加速电压，有效的控制了电子轰击金属粉末的速度，进而在保证成形要求的情况下避免了粉末溃散的问题；同时由于采用多级聚焦的方式，能够改善和控制低加速电压带来的电子束的聚焦困难的问题，实现电子束束斑更小并且可控；从而进一步可以采用比现有电子束快速成形设备更细小的金属粉末，获得表面质量更好尺寸精度更高的金属零件；本发明根据不同零件特点和技术要求选择束斑直径的大小和粉末材料粒径的大小，能够提高成形效率和降低成形零件的生产成本。

Description

一种电子束快速成形制造方法

技术领域

本发明涉及快速成形制造领域，特别涉及一种电子束快速成形制造方法。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成形技术。它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。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激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光同轴送粉直接制造(LENS)、电子束熔丝成形(EBAM)、电子束选区熔化成形(EBM)等方法。其中，电子束选区熔化成形(EBM)和激光选区熔化(SLM)属于粉末床快速成形制造方法。粉末床快速成形方向相比其他快速成形技术具有零件尺寸精度高、表面质量好的优点，是快速成形技术发展的主要方向之一。目前电子束快速成形用的电子枪加速电压通常是60KV，电子束选区熔化成形(EBM)利用电子枪发射电子电子束，同时控制电子束按照预定的轨迹快速扫描粉床，使金属粉末快速熔化快速凝固。通过逐层扫描照射粉床上的金属粉末，可以制造出三维实体金属零件。

电子束选区熔化成形制造方法的原理是通过高压电场加速的电子，使电子就有很高的能量轰击金属粉末层，电子的动能和金属粉末相互作用后转化为热能使金属熔化。

但是加速电压对电子加速后会带来不利的影响。已据文献报道，电子轰击金属粉末时会出现严重的粉末溃散或粉末飞散的现象(加速电压60KV)。其原因是电子具有质量，在高压电场的加速作用下每个电子都携带了很高的动能，电子撞击金属粉末后将动能传递给了金属粉末，金属粉末也具备了相当大的动能，当金属粉末所受的摩擦阻力不足以阻碍其运动趋势时将会发生金属粉末溃散，甚至飞散。这种金属粉末的飞散，会导致无法成形、烧穿基板甚至破坏电子枪等设备。为此，需要采用预热和大粒度的金属粉末制造零件，用以克服粉末飞散的不利现象，这会导致成形零件尺寸精度降低。

因此，迫切需要找到一种既能防止金属粉末飞散，又能克服聚焦难保证加工精度的快速成形制造方法。

发明内容

基于上述情况，有必要提供一种电子束快速成形制造方法。

一种电子束快速成形制造方法，包括如下步骤：

根据粉床成形工艺要求确定金属粉末平均粒径D₀、束斑直径d₀和束流功率值P_b；

根据所述金属粉末平均粒径D₀确定加速电压U；

根据束流功率值P_b和加速电压U以及工艺要求确定束流值I_b；

启动快速成形设备，并按照确定的加速电压U和束流值I_b发射电子束；

控制多级聚焦线圈，将电子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直径达到d₀的要求；

通过设备控制快速成形设备的其他部分完成快速成形零件的制造。

进一步，所述加速电压U小于等于临界加速电压U_c，所述临界加速电压U_c为单个电子撞击使金属粉末飞散的临界值。

所述临界加速电压U_c通过试验测定不同金属材料不同粉末特征参数的金属粉末临界发生溃散现象时获得。

具体的，对电子束多次聚焦，使束斑达到设计要求的d₀，满足如下原理：

其中u为物距，v为像距，f为焦距。

本发明一种电子束快速成形制造方法，通过根据粉床成形工艺要求，经过分析计算确定金属粉末平均粒径D₀、束斑直径d₀和束流功率值Pb等参数，经本方案科学合理的输出加速电压U，有效的控制了电子轰击金属粉末的速度，进而在保证成形要求的情况下避免了粉末溃散的问题；同时由于采用多级聚焦的方式，能够改善和控制低加速电压带来的电子束的聚焦困难的问题，实现电子束束斑更小并且可控；从而进一步可以采用比现有电子束快速成形设备更细小的金属粉末，获得表面质量更好尺寸精度更高的金属零件；本发明根据不同零件特点和技术要求选择束斑直径的大小和粉末材料粒径的大小，能够提高成形效率和降低成形零件的生产成本。

附图说明

图1为本发明一种电子束快速成形制造方法的工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据电子枪的工作原理，加速电压越高电子的热初速对聚焦后的束斑尺寸影响就越小，即加速电压越高聚焦后束斑直径越小。对粉末快速成形来说，获得小的束斑直径是保证成形零件尺寸精度和表面质量的关键。通常为了得到更好的金属成形零件的表面质量和尺寸精度，通常都会采用较高的加速电压。

根据电子枪的工作原理，电子在电场中加速后速度很高，考虑相对论的情况一个电子经过电场加速后具有的动能可用下式表示：E_k＝U_e·e-M_e·c²，U_e是加速电压，M_e是单个电子的质量，可以看出加速电压越高电子撞击金属粉末时就会具有更高的动能，飞散现象就会更严重。

因此，本发明提出一种降低加速电压的方式降低单个电子动能，从而避免电子束选区熔化成形过程金属粉末飞散。但是如背景技术中所提到的，加速电压降低必然带来束斑尺寸的增大。现在普通电子束成形设备都是采用一组聚焦线圈对电子束进行聚焦，即只对电子束聚焦一次。一个电磁透镜能够实现的聚焦效果是有限的，当电子束发散比较严重时一个电磁透镜很难满足聚焦的要求。因此，本发明采用多级聚焦的方式改善和控制低加速电压带来的电子束的聚焦难的问题。

因此，本发明如图1所示，提供一种电子束快速成形制造方法，包括如下步骤：

根据粉床成形工艺要求确定金属粉末平均粒径D₀、束斑直径d₀和束流功率值P_b；然后根据D₀和粉末材料的密度计算金属粉末的平均质量m₀；

根据所述金属粉末平均粒径D₀确定加速电压U；加速电压U小于等于临界加速电压U_c，所述临界加速电压U_c为单个电子撞击使金属粉末飞散的临界值。

束流值I_b由加速电压U和束流功率值P_b以及工艺要求确定；其中束流值I_b、束流功率值P_b和加速电压U符合关系式：P_b＝U＊I_b。

使快速成形设备发射电子束，并将加速电压调整至已经确定的加速电压U，使加速电压U小于或等于临界加速电压U_c；

所述临界溃散加速电压通过试验测定不同金属材料不同粉末特征参数的金属粉末临界发生溃散现象时获得。

进一步，控制多级聚焦线圈(电磁透镜)，将电子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直径达到d₀的要求；对电子束多次聚焦，使束斑达到设计要求的d₀，满足如下原理：其中u为物距，v为像距，f为焦距。

最后，通过设备控制快速成形设备的其他部分完成快速成形零件的制造。

本发明一种电子束快速成形制造方法，通过根据粉床成形工艺要求，经过分析计算确定金属粉末平均粒径D₀、束斑直径d₀和束流功率值P_b等参数，科学合理的输出加速电压，有效的控制了电子轰击金属粉末的速度，进而在保证成形要求的情况下避免了粉末溃散的问题。

本发明采用降低加速电压的方式降低单个电子动能，从而避免电子束选区熔化成形过程金属粉末飞散，确保了成形过程顺利完成。同时采用多级聚焦的方式改善和控制低加速电压带来的电子束的聚焦困难的问题，实现电子束束斑更小并且可控。

本发明还可以获得比现有电子束快速成形设备更小的束斑直径，从而可以采用比现有电子束快速成形设备更细小的金属粉末，从而获得表面质量更好尺寸精度更高的金属零件。可以根据不同零件特点和技术要求选择束斑直径的大小和粉末材料粒径的大小，能够提高成形效率和降低成形零件的生产成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电子束快速成形制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据粉床成形工艺要求确定金属粉末平均粒径D₀、束斑直径d₀和束流功率值P_b；

根据所述金属粉末平均粒径D₀确定加速电压U；

根据束流功率值P_b和加速电压U以及工艺要求确定束流值I_b；

启动快速成形设备，并按照确定的加速电压U和束流值I_b发射电子束；

控制多级聚焦线圈，将电子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直径达到d₀的要求；

通过设备控制快速成形设备的其他部分完成快速成形零件的制造。

2.如权利要求1所述的电子束快速成形制造方法，其特征在于，所述加速电压U小于等于临界加速电压U_c，所述临界加速电压U_c为单个电子撞击使金属粉末飞散的临界值。

3.如权利要求2所述的电子束快速成形制造方法，其特征在于，所述临界加速电压U_c通过试验测定不同金属材料不同粉末特征参数的金属粉末临界发生溃散现象时获得。

4.如权利要求3所述的电子束快速成形制造方法，其特征在于，对电子束多次聚焦，使束斑达到设计要求的d₀，满足如下原理：

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$

其中u为物距，v为像距，f为焦距。