CN106984894A - 矢量送丝的电子束熔丝增材装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子束增材，提供一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置，包括真空室、电子枪以及至少两个送丝机，于真空室内设置有可沉积打印件的工作平台，电子枪以及每一送丝机的出丝嘴均位于工作平台的正上方，还包括内置将打印件的分层与规划路径数据转化为软件程序的控制系统以及由控制系统控制工作的旋转机构，各出丝嘴均安设于旋转机构上，打印件划分为与各出丝嘴一一对应的至少两个增材成型范围，每一增材成型范围均包括多条规划路径，旋转机构控制每一出丝嘴移动至对应规划路径的熔池前方。本发明中，以使每一规划路径对应的送丝机产生的丝材均位于该规划路径的前方，其可以使得熔池对丝材的辐射比较大，丝材融化比较充分，可以有效保证成型后每一分层的质量，光滑度比较高。

Description

矢量送丝的电子束熔丝增材装置

技术领域

本发明涉及电子束增材，尤其涉及一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置。

背景技术

电子束增材制造的方法目前有两种：电子束熔融粉末技术(EBM)及电子束熔丝成型技术(EBF³)。电子束熔融粉末技术采用金属粉末作为原材料，存在所需金属粉末制造难度大，使用成本高，成型效率低且金属粉末不易保存的缺点。电子束熔丝成型在实现高效沉积成型的同时保证打印件质量能达到锻造水平，该技术具有热源熔化丝材过程无反射、成形速度快、材料利用率高、能量转化效率高的特点，可用于大型金属毛坯的快速成型及金属零件的修复。

现有的电子束熔丝成型过程为：首先利用三维软件对预打印件建模，再对模型分层切片、打印路径规划后导入增材装置中，送丝机输出金属丝材将其送入基板或者上一层表面熔化的熔池内，以电子束作为热源持续熔化金属丝材最终完成堆积打印成型过程。目前实现这一成型过程的电子束熔丝装置有两种类型：(1)电子枪固定且一般安装在真空室外，通过承载成型件的工作平台旋转或位移改变打印件位置，从而实现复杂零件的加工过程；(2)工作平台固定，电子枪安装在真空室内且通过改变电子枪的位移改变打印位置。

无论选用哪种装置类型，电子束熔丝成型过程中热源与丝材非同轴同步变化的，而是存在两者一定的位向差异和速度差异。如何有效控制这种方向差异和速度差异，成为了控制沉积件质量的关键。

位向差异和速度差异转换到参数控制中，体现为以下工艺参数：送丝高度、热源与丝束间距、送丝角度(丝材与基板的角度)、送丝方向、工作平台运动速度、送丝速度。传统的电子束熔丝增材在制造过程中重点在于丝束间距、送丝速度、送丝角度以及与热源(电子束)相关的参数控制，而忽略了丝材送进方向的控制。而试验表明，丝材的送进方向的合适与否，严重影响沉积件的表面质量及工艺稳定性。具体原因为：在当其他参数条件一定的情况下，丝材从熔池前方送进时受热源热传导及熔池最强温区的热辐射作用强，而丝材从两侧或后端送进时，虽然热源对丝材产生的热传导作用较丝材从前方送进时相同，但是由于远离熔池前端的高温区，由熔池产生的热辐射作用弱，造成丝材的熔化能量不足。表现出的效果为：丝材很难以微滴或桥液状稳定过渡到熔池，而是由于丝材熔化不充分导致与熔池粘连，从而造成熔融沉积过程中断或由于丝材熔化不均匀导致成型面粗糙、光洁度差，影响下一层的沉积质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置，旨在用于解决现有的电子束熔丝增材质量较差的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置，包括真空室、电子枪以及至少两个送丝机，于所述真空室内设置有可沉积打印件的工作平台，所述电子枪以及每一所述送丝机的出丝嘴均位于所述工作平台的正上方，还包括内置将打印件的分层与规划路径数据转化为软件程序的控制系统以及由所述控制系统控制工作的旋转机构，各所述出丝嘴均安设于所述旋转机构上，所述打印件划分为与各所述出丝嘴一一对应的至少两个增材成型范围，每一所述增材成型范围均包括多条所述规划路径，所述旋转机构控制每一所述出丝嘴移动至对应所述规划路径的熔池前方。

进一步地，所述送丝机为两台，所述打印件分为两个增材成型范围，且每一所述送丝机的出丝嘴均位于对应所述增材成型范围的各所述规划路径的前方。

进一步地，每一所述出丝嘴均可在水平面内旋转0°—180°，且两所述出丝嘴之间的角度调节范围为0°-360°。

进一步地，所述旋转机构包括位于所述真空室外侧且电连接所述控制系统的驱动电机、由所述驱动电机驱使旋转的主动齿轮以及与所述主动齿轮啮合的两个从动齿轮，两个所述出丝嘴分别安设于两个所述从动齿轮上。

进一步地，所述主动齿轮与所述从动齿轮均位于所述真空室内侧，所述驱动电机的驱动轴伸入所述真空室内侧，且所述驱动轴与所述真空室之间通过第一骨架油封密封。

进一步地，还包括用于驱使各所述出丝嘴竖直移动的升降电机，所述升降电机位于所述真空室外侧且电连接所述控制系统，所述升降电机的导向杆伸入所述真空室内且与所述真空室通过第二骨架油封密封。

进一步地，所述工作平台由所述控制系统的所述软件程序控制沿XY平面移动。

进一步地，还包括真空泵组，所述真空泵组通过真空管路连接至所述真空室。

进一步地，还包括与所述真空室连接的电子枪室，所述电子枪室内设置有阴极，且所述阴极电连接高压电源。

进一步地，各所述送丝机的送丝盘均位于所述真空室的外侧。

本发明具有以下有益效果：

本发明的增材装置中，送丝机为至少两个，每一送丝机对应一个出丝嘴，通过控制系统的分层软件对待打印的打印件进行分层，同时控制系统发送指令至旋转机构，再由旋转机构控制各出丝嘴旋转，以使打印件的每一规划路径均对应其中一出丝嘴，且使得出丝嘴移动至对应规划路径的熔池前方，送丝位向实时精确调整，金属丝材保持矢量送进，保证每一层的光滑度比较高，成型后打印件的质量，另外采用这种结构的增材装置，柔性比较高，简化了打印件的成型工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的矢量送丝的电子束熔丝增材装置的结构示意图；

图2为图1的矢量送丝的电子束熔丝增材装置打印时每一沉积层的规划路径的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1以及图2，本发明实施例提供一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置，包括真空室1、电子枪2以及至少两个送丝机3，电子枪2与高压电源21连接，可以向真空室1内发射电子束22，而真空室1与真空泵组4之间通过真空管路41连接，通过真空泵组4将真空室1抽取为真空状态，以满足电子束22的工作环境，在真空室1内设置有工作平台11，该工作平台11可以沉积打印件5，将电子枪2以及每一送丝机3的出丝嘴31均位于工作平台11的正上方，送丝机3将丝材通过对应的出丝嘴31延伸至工作平台11的正上方，电子枪2产生的电子束22将丝材端部位置融化后堆积于工作平台11上，增材装置还包括内置将打印件5的分层51与规划路径511数据转化为软件程序的控制系统8以及由控制系统控制工作的旋转机构6，控制系统8将分层51以及规划路径511的数据转化为软件程序，可以通过软件程序控制工作平台移动，同时控制系统8内还设置有另一软件程序，该软件程序发送电信号给旋转机构6，旋转机构6工作，将各出丝嘴31均安设于旋转机构6上，然后通过该旋转机构6来调节出丝嘴31旋转，进而调整出丝嘴31与工作平台11的相对位置，以使融化后的丝材堆积于工作平台11上的相应位置，具体地，将打印件划分为与各出丝嘴31一一对应的至少两个增材成型范围，每一增材成型范围均包括有多条规划路径511，旋转机构6控制每一出丝嘴31移动至对应规划路径511的熔池前方。本发明中，设置有至少两个送丝机3，即通过多个出丝嘴31共同配合沉积打印件5，而出丝嘴31的位置可以通过旋转机构6来调节，进而可以使得出丝嘴31位于对应规划路径511的熔池前方，送丝位向实时精确调整，金属丝材保持矢量送进，使得每一规划路径511的送丝方向，熔池对丝材的热辐射非常大，进而可以保证靠近或者伸入熔池内的丝材均融化充分，不但丝材的融化效率比较高，而且能够精细化控制熔滴的形成及熔滴过渡形式，融化后的丝材不会与熔池粘接，丝材融化均匀，有效保证成型后每一分层51的光滑度，进而保证下一分层51的成型质量，另外采用这种结构的增材装置，柔性比较高，简化了打印件5的成型工艺。当然，为方便安装，且方便送丝机3上丝材的更换，各送丝机3的送丝盘32均应位于真空室1的外侧，且克服了送丝机3的送丝盘32安装在真空室1内造成的成型质量差、生产效率低问题，保证了生产效率和加工质量。而送丝机3设置有导管，导管与真空室1之间形成较好的密封环境，送丝盘32上缠绕的丝材由导管伸入真空室1的对应出丝嘴31内。

优化上述实施例，送丝机3为两台，将打印件划分为两个增材成型范围，则打印件5的每一分层51也分为两个部分，两个部分分别对应两台送丝机3，且每一送丝机3的出丝嘴31均位于对应增材成型范围对应的规划路径511的前方。本发明中，将打印件5的每一分层51均分为两个部分，采用两台送丝机3对应这两个增材成型范围，即其中一台送丝机3用于向打印件5每一分层51的其中一部分送丝，另一台送丝机3用于向打印件5每一分层51的另一部分送丝，且通过旋转机构6调节使得每一送丝机3的出丝嘴31均位于对应部分的各规划路径511的前方。在这种结构中，简化了增材装置的结构，只采用两台送丝机3送丝，而针对这种结构，打印件5的每一分层51均可为圆形，每一台送丝机3对应的每一分层51的部分结构均为圆形，通过旋转机构6使得每一出丝嘴31均可绕半圆弧旋转，即每一出丝嘴31均可在水平面内旋转0°-180°，而两个出丝嘴31配合后的角度调节范围为0°-360°，两个出丝嘴31共同旋转为一个完整圆形，然后调节出丝嘴31与工作平台11沿直线相对移动，进而实现每一分层51的每一规划路径511的熔丝沉积。

参见图1，通常调整每一出丝嘴31的旋转角度为-90°-90°，则只需旋转机构6电机的正反转，控制比较方便。具体地，旋转机构6包括位于真空室1外侧且电连接控制系统8的驱动电机61、由驱动电机61驱使旋转的主动齿轮62以及与主动齿轮62啮合的两个从动齿轮63，两个出丝嘴31分别安设于两个从动齿轮63上。本实施例中，旋转机构6采用一个驱动电机61作为动力部件，且位于外侧，两个出丝嘴31分别安设于两个从动齿轮63上，当驱动电机61工作后，先驱使主动齿轮62旋转，然后主动齿轮62带动两个从动齿轮63同步旋转，最后由从动齿轮63带动两个出丝嘴31旋转，驱动机构的结构比较简单。由于两个出丝嘴31分别与两个从动齿轮63连接，且两个从动齿轮63均与主动齿轮62啮合，则将主动齿轮62与两个从动齿轮63均安设于真空室1内侧，驱动电机61的驱动轴611伸入真空室1内侧，且在驱动轴611与真空室1之间通过第一骨架油封64密封，进而保证真空室1的真空度。

再次参见图1以及图2，进一步地，增材装置还包括用于驱使各出丝嘴31竖直移动的升降电机7，升降电机7位于真空室1外侧且与控制系统8电连接，升降电机7的导向杆71伸入真空室1内且真空室1之间采用第二骨架油封72密封。本实施例中，通过升降电机7可以调节工作平台11与两个出丝嘴31之间沿竖直方向的相对位置，由于增材装置主要是通过熔丝沉积的方式打印成型打印件5，当打印底层的分层51时，两个出丝嘴31可以靠近工作平台11，而当打印下一分层51时，则应通过升降电机7控制两个出丝嘴31上移，即两个出丝嘴31远离工作平台11，以保证出丝嘴31与成型的分层51之间具有合适的竖直位移，且由于升降电机7与控制系统8电连接，则升降电机7由控制系统8控制工作，进而使得打印过程中，出丝嘴31自动控制竖直方向移动。当然，在另一实施方式中，可以通过升降电机7调节工作平台11沿竖直方向移动，而出丝嘴31的高度保持稳定。当然针对上述结构形式，为保证真空室1的真空度，升降电机7的导向杆71与真空室1之间应通过第二骨架油封72密封。一般，增材装置还包括有真空泵组4，该真空泵组4通过真空管路41连接至真空室1，通过该真空泵组4抽取真空室1的真空度。而在另外一方面，工作平台11由控制系统8的分层与路径规划对应的软件程序控制沿XY平面移动，从而可以实现工作平台11与出丝嘴31之间水平方向的相对位置调节。

进一步地，真空室1具有竖直向上延伸的凸起部，该凸起部为与真空室连接的电子枪室12，电子枪室12位于工作平台11正上方，电子枪2的各部件安设于该电子枪室12内，且电子枪2电连接一高压电源21，具体地，电子枪室12内安装有磁线圈、阳极以及阴极，其中阴极与高压电源21电连接，对此使得电子腔室12内产生电势差，进而产生电子束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矢量送丝的电子束熔丝增材装置，包括真空室、电子枪以及至少两个送丝机，于所述真空室内设置有可沉积打印件的工作平台，所述电子枪以及每一所述送丝机的出丝嘴均位于所述工作平台的正上方，其特征在于：还包括内置将打印件的分层与规划路径数据转化为软件程序的控制系统以及由所述控制系统控制工作的旋转机构，各所述出丝嘴均安设于所述旋转机构上，所述打印件划分为与各所述出丝嘴一一对应的至少两个增材成型范围，每一所述增材成型范围均包括多条所述规划路径，所述旋转机构控制每一所述出丝嘴移动至对应所述规划路径的熔池前方。

2.如权利要求1所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：所述送丝机为两台，所述打印件分为两个增材成型范围，且每一所述送丝机的出丝嘴均位于对应所述增材成型范围的各所述规划路径的前方。

3.如权利要求2所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：每一所述出丝嘴均可在水平面内旋转0°—180°，且两所述出丝嘴之间的角度调节范围为0°-360°。

4.如权利要求2所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：所述旋转机构包括位于所述真空室外侧且电连接所述控制系统的驱动电机、由所述驱动电机驱使旋转的主动齿轮以及与所述主动齿轮啮合的两个从动齿轮，两个所述出丝嘴分别安设于两个所述从动齿轮上。

5.如权利要求4所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：所述主动齿轮与所述从动齿轮均位于所述真空室内侧，所述驱动电机的驱动轴伸入所述真空室内侧，且所述驱动轴与所述真空室之间通过第一骨架油封密封。

6.如权利要求2所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：还包括用于驱使各所述出丝嘴竖直移动的升降电机，所述升降电机位于所述真空室外侧且电连接所述控制系统，所述升降电机的导向杆伸入所述真空室内且与所述真空室通过第二骨架油封密封。

7.如权利要求1所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：所述工作平台由所述控制系统的所述软件程序控制沿XY平面移动。

8.如权利要求1所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：还包括真空泵组，所述真空泵组通过真空管路连接至所述真空室。

9.如权利要求1所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：还包括与所述真空室连接的电子枪室，所述电子枪室内设置有阴极，且所述阴极电连接高压电源。

10.如权利要求1所述的矢量送丝的电子束熔丝增材装置，其特征在于：各所述送丝机的送丝盘均位于所述真空室的外侧。