CN109622965A - 电子束选区熔化成形预热扫描方法 - Google Patents

电子束选区熔化成形预热扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，包括：一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，包括：将需要进行电子束预热的圆形粉末床划分成不同半径的多个初始同心圆；以第一热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第一热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小。本发明还提供一种用于方形的粉末床电子束选区熔化成形预热扫描方法。上述电子束选区熔化成形预热扫描方法能够使粉末床在预热过程中获得较为均匀温度场，减小了在熔化成形过程中由于较大的温度梯度而导致成形件产生严重的翘曲变形，提高成形精度和质量。

Description

电子束选区熔化成形预热扫描方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种电子束选区熔化成形预热扫描方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术又名3D打印技术，它是基于离散-堆积的原理，通过材料逐层叠加的方法来制造实体。其中电子束选区熔化(Electron BeamMelting，EBM)技术作为金属高性能增材制造技术的一种，其类似于激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术。首先是通过专业数据处理软件对零件的三维CAD模型进行切片处理，获得每一层的零件轮廓信息，规划好扫描路径。然后利用高能电子束作为热源，在真空环境中有选择性的对粉末材料进行逐层熔化，从而实现高致密度、高性能零件的快速制造。
电子束选区熔化成形过程中经常会出现粉末溃散现象和成形件的翘曲变形。粉末溃散是指金属粉末在熔化之前由于电子束对粉末的压力和粉末吸引电子形成的库伦斥力使得金属粉末偏离原来位置的现象。成形件的翘曲变形主要时由于较大的温度梯度引起的热应力、凝固收缩力和组织应力所导致的。研究发现在电子束选区熔化成形之前以低于粉末熔化的温度对粉末床进行一定程度的预热，提高粉末床的粘附性使粉末固定在底层以提高粉末抗溃散能力，同时减小温度梯度，使粉末床温度场更加均匀化，避免零件在成形过程中发生翘曲变形。
目前的电子束选区成形预热是以电子束作为热源，对粉末床进行整体扫描预热，单位面积能量输入均匀。就扫描方法而言，目前主要的扫描方法为：(1)换向路径扫描，即前一层沿X或Y轴方向以一定的扫描间距进行扫描预热，后一层则沿Y或X轴方向以一定的扫描间距进行扫描；(2)网格扫描，即同时沿X轴和Y轴方向以一定的扫描间距进行扫描。
以上两种电子束预热扫描方法虽然能够对粉末床的粉末材料进行一定程度的烧结，减小粉末在熔化成形过程中的发生溃散，但由于均匀能量输入对粉末床的整体预热，粉末床各个区域的散热情况不同，导致粉末床中心到周围的温度梯度依然较大，容易使成形件发生翘曲变形，为了解决该问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种能够使粉末床在预热过程中获得较为均匀温度场的电子束预热扫描方法，采用变能量密度扫描，最终获得均匀的温度场，提高零件的成形质量。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，包括：
将需要进行电子束预热的圆形粉末床划分成不同半径的多个初始同心圆；
以第一热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第一热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小。
在其中一个实施例中，还包括：
所述多个初始同心圆向所述多个初始同心圆的圆心方向以偏移量p偏移后形成的多个偏移同心圆；
以第二热输入依次对所述多个偏移同心圆进行电子束扫描，且所述第二热输入随着所述多个偏移同心圆的半径的减小而减小，其中，所述第二热输入小于所述第一热输入；
重复上述操作，以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每个偏移同心圆与相邻的两个初始同心圆中距离圆心较近的一个初始同心圆重合，完成对所述圆形粉末床的全部预热扫描。
在其中一个实施例中，所述多个初始同心圆的半径呈等差比例。
在其中一个实施例中，所述第一热输入、第二热输入的温度均低于所述粉末床的熔化温度。
在其中一个实施例中，所述进行电子束扫描由内向外依次进行。
一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，包括：
将需要进行电子束预热的方形粉末床同时划分成多个初始方形网格和多个不同半径的初始同心圆，所述初始同心圆中最大的一个圆与所述方形网格内切；
对所述方形粉末床进行第一次预热扫描，具体包括：
在所述初始同心圆中最大的圆环以外的区域范围内，以所述方形粉末床的每一初始端点为起点，分别沿X轴和Y轴方向以第一热输入逐个对每一初始方形网格进行电子束扫描，全部初始端点为起点进行的初始方形网格电子束扫描可以同时进行或分时进行；
以第二热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第二热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小，所述第二热输入的最大值小于所述第一热输入。
在其中一个实施例中，还包括：
在所述初始同心圆环中最大的圆环以外的区域范围内，以所述方形粉末床每一初始端点为起点，沿所述X轴方向向内偏移m同时沿所述Y轴方向向内偏移n后形成每一偏移端点；
在第一次预热扫描完成后，对所述方形粉末床进行第二次预热扫描，具体包括：在所述初始同心圆环中最大的圆环以外的区域范围内，以每一偏移端点为起点，分别沿X方向和Y方向以第三热输入逐个对每一初始方形网格进行电子束扫描；
以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每一偏移端点与相邻的两个初始端点中距离圆心较近的一个初始端点重合。
在其中一个实施例中，还包括：
所述初始同心圆向所述初始同心圆的圆心以偏移量p偏移后形成一系列偏移同心圆；
对方形粉末床进行第二次预热扫描还包括：以第四热输入对所述一系列偏移同心圆由外向内依次进行电子束扫描，所述第四热输入随着所述偏移同心圆的半径的减小而减小；所述第四热输入小于所述第三热输入。
重复上述操作，以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每个偏移同心圆与相邻的两个初始同心圆中距离圆心较近的一个初始同心圆重合。
在其中一个实施例中，所述多个不同半径的初始同心圆的半径呈等差比例。
在其中一个实施例中，所述电子束扫描的温度低于所述粉末床的熔化温度。
本发明的有益效果是：在上述电子束选区熔化成形预热扫描方法，其优点是针对粉末床不同的区域其热量散失不同的特点，通过同心圆对粉末床进行区域划分(在方形粉末床中增加方形网格划分)，以不同的热输入对粉末床的不同区域进行快速扫描预热。通过该扫描方法，既可以对需要进行电子束选区熔化成形的粉末材料进行烧结，以避免在后续的熔化成形过程中发生粉末溃散现象，又可以使得粉末床的温度场趋于均匀化，减小了在熔化成形过程中由于较大的温度梯度而导致成形件产生严重的翘曲变形；同时由于粉床各部位温度一致，相同热源工艺参数在各部位的成形效果也一致，从而提高了零件成形的内在质量，最终获得均匀的温度场，提高零件的成形质量。
附图说明
图1是一实施方式的用于圆形粉末床电子束选区熔化成形预热扫描方法的扫描示意图；
图2是一实施方式的用于方形粉末床电子束选区熔化成形预热扫描方法的扫描示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供的一实施方式的电子束选区熔化成形预热扫描方法，包括：
S110、将需要进行电子束预热的圆形粉末床划分成不同半径的多个初始同心圆。
具体地，在一实施方式中，以圆形粉末床的最外边缘形成的圆作为多个初始同心圆的最外圈的圆，然后以此为基础，半径减少，形成多个同心圆。在优选的实施方式中，多个同心圆的半径呈等差比例关系。
S120、以第一热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第一热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小。
优选地，以第一热输入对多个初始同心圆由内向外依次进行电子束扫描，且第一热输入随着多个初始同心圆半径的减小而减小。
具体地，优选地，在一实施方式中，第一热输入随着多个初始同心圆半径的减小而减小方式为呈等差比例减少。
在其中一个实施例中，还包括：
S130、多个初始同心圆向多个初始同心圆的圆心方向以偏移量p偏移后形成的一系列同心圆；
S140、以第二热输入对多个偏移同心圆由外向内依次进行电子束扫描，且第二热输入随着多个偏移同心圆的半径的减小而减小，其中，第二热输入小于第一热输入。
具体地，优选地，在一实施方式中，第二热输入随着多个初始同心圆半径的减小而减小方式为呈等差比例减少。
S150、重复上述S130和S140，以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每个偏移同心圆与相邻的两个初始同心圆中距离圆心较近的一个初始同心圆重合，完成对所述圆形粉末床的全部预热扫描。
其中，不对步骤S130进行严格限制。步骤S130的顺序可以在S120之前或者之后都可以，然后只重复S140步骤，也可以达到上述效果。
在一实施方式中，电子束扫描的温度低于粉末床的熔化温度。从而粉末床的材料可以烧结，同时避免在熔化的过程中的“吹粉”现象。
请参阅图2，一实施方式的电子束选区熔化成形预热扫描方法，包括：
S210、将需要进行电子束预热的粉末床同时划分成多个方形网格和多个不同半径的初始同心圆，初始同心圆中最大的一个圆与所述方形网格内切；
具体地，优选地，在一实施方式中，多个方形网格形状大小相同，方形可以为正方形、菱形等，优选为正方形。
具体地，在一实施方式中，以圆形粉末床的最外边缘形成的圆作为多个初始同心圆的最外圈的圆，然后以此为基础，半径减少，形成多个同心圆。在优选的实施方式中，多个同心圆的半径呈等差比例关系。
具体地，优选地，在一实施方式中，多个不同半径的初始同心圆中相邻的两个圆的半径差与初始方形网格的边长相等。
S220、在初始同心圆中最大的圆以外的方形网格区域范围内(即图2中的选择区域)，以方形网格初始端点a为起点，分别沿X轴和Y轴方向以第一热输入进行电子束扫描，然后依次以方形网格区域的其他初始端点b、c、d为起点，分别沿X轴和Y轴方向以第一热输入进行电子束扫描；
具体地，以方形网格的最外边缘的四个角作为初始端点a、b、c、d，然后沿着X轴和Y轴以第一热输入同时向粉末床的中心点方向进行扫描。
S230、以第二热输入对初始同心圆由外向内依次进行电子束扫描，且第二热输入随着多个初始同心圆半径的减小而减小，第二热输入小于第一热输入。
具体地，优选地，在一实施方式中，第二热输入随着多个初始同心圆半径的减小而减小方式为呈等差比例减少。
在其中一个实施例中，还包括：
S240、在所述初始同心圆环中最大的圆环以外的区域范围内，以所述方形粉末床每一初始端点为起点，沿所述X轴方向向内偏移m同时沿所述Y轴方向向内偏移n后形成每一偏移端点；
S242、在第一次预热扫描完成后，对所述方形粉末床进行第二次预热扫描，具体包括：在所述初始同心圆环中最大的圆环以外的区域范围内，以每一偏移端点为起点，分别沿X方向和Y方向以第三热输入逐个对每一初始方形网格进行电子束扫描；
S244、以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每一偏移端点与相邻的两个初始端点中距离圆心较近的一个初始端点重合。
具体地，以初始端点a为起点，沿X轴方向偏移m同时沿Y轴方向偏移n后到达a1处，分别以端点b、c、d为起点，分别沿X轴方向偏移m同时沿Y轴方向偏移n到达b1、c1和d1；
具体地，以方形网格最外边缘形成的四个角作为端点，沿X轴方向偏移m同时沿Y轴方向偏移n后到达a1、b1、c1和d1。
在初始同心圆中最大的圆以外的方形网格区域范围内，以a1为起点，以第一热输入分别沿X1轴和Y1轴方向进行电子束扫描，然后依次以其余各端点b1、c1和d1为起点，以第一热输入分别沿X1轴和Y1轴方向进行电子束扫描；
重复上述操作，直至每一偏移端点与相邻的两个初始端点中距离圆心较近的一个初始端点重合。
在一实施方式中，并不对步骤S240进行严格限制，S240也可以在S220之前，此时只需要重复S242就可以完成上述操作。
在一实施方式中，还包括：
S250、初始同心圆向初始同心圆的圆心以偏移量p偏移后形成一系列偏移同心圆；
S252、对方形粉末床进行第二次预热扫描还包括：以第四热输入对所述一系列偏移同心圆由外向内依次进行电子束扫描，所述第四热输入随着所述偏移同心圆的半径的减小而减小；所述第四热输入小于所述第三热输入。
S254、重复上述操作，以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每个偏移同心圆与相邻的两个初始同心圆中距离圆心较近的一个初始同心圆重合。
在一实施方式中，电子束扫描的温度低于粉末床的熔化温度。从而粉末床的材料可以烧结，同时避免在熔化的过程中的“吹粉”现象。
在圆形和方形粉末床中，对同心圆的划分和电子束扫描的方式基本类似。
本发明的有益效果是：在上述电子束选区熔化成形预热扫描方法，其优点是针对粉末床不同的区域其热量散失不同的特点，通过同心圆对粉末床进行区域划分(在方形粉末床中增加方形网格划分)，以不同的热输入对粉末床的不同区域进行快速扫描预热。通过该扫描方法，既可以对需要进行电子束选区熔化成形的粉末材料进行烧结，以避免在后续的熔化成形过程中发生粉末溃散现象，又可以使得粉末床的温度场趋于均匀化，减小了在熔化成形过程中由于较大的温度梯度而导致成形件产生严重的翘曲变形；同时由于粉床各部位温度一致，相同热源工艺参数在各部位的成形效果也一致，从而提高了零件成形的内在质量，最终获得均匀的温度场，提高零件的成形质量。
以上仅为本发明的实施方式，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。

Claims (10)

1.一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，包括：
将需要进行电子束预热的圆形粉末床划分成不同半径的多个初始同心圆；
以第一热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第一热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小。
2.根据权利要求1所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，还包括：
所述多个初始同心圆向所述多个初始同心圆的圆心方向以偏移量p偏移后形成的多个偏移同心圆；
以第二热输入依次对所述多个偏移同心圆进行电子束扫描，且所述第二热输入随着所述多个偏移同心圆的半径的减小而减小，其中，所述第二热输入小于所述第一热输入；
重复上述操作，以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每个偏移同心圆与相邻的两个初始同心圆中距离圆心较近的一个初始同心圆重合，完成对所述圆形粉末床的全部预热扫描。
3.根据权利要求1或2所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，所述多个初始同心圆的半径呈等差比例。
4.根据权利要求2所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，所述第一热输入、第二热输入的温度均低于所述粉末床的熔化温度。
5.根据权利要求1或2所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，所述进行电子束扫描由内向外依次进行。
6.一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，包括：
将需要进行电子束预热的方形粉末床同时划分成多个初始方形网格和多个不同半径的初始同心圆，所述初始同心圆中最大的一个圆与所述方形网格内切；
对所述方形粉末床进行第一次预热扫描，具体包括：
在所述初始同心圆中最大的圆环以外的区域范围内，以所述方形粉末床的每一初始端点为起点，分别沿X轴和Y轴方向以第一热输入逐个对每一初始方形网格进行电子束扫描，全部初始端点为起点进行的初始方形网格电子束扫描可以同时进行或分时进行；
以第二热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第二热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小，所述第二热输入的最大值小于所述第一热输入。
7.根据权利要求6所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，还包括：
在所述初始同心圆环中最大的圆环以外的区域范围内，以所述方形粉末床每一初始端点为起点，沿所述X轴方向向内偏移m同时沿所述Y轴方向向内偏移n后形成每一偏移端点；
在第一次预热扫描完成后，对所述方形粉末床进行第二次预热扫描，具体包括：在所述初始同心圆环中最大的圆环以外的区域范围内，以每一偏移端点为起点，分别沿X方向和Y方向以第三热输入逐个对每一初始方形网格进行电子束扫描；
以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每一偏移端点与相邻的两个初始端点中距离圆心较近的一个初始端点重合。
8.根据权利要求7所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，还包括：
所述初始同心圆向所述初始同心圆的圆心以偏移量p偏移后形成一系列偏移同心圆；
对方形粉末床进行第二次预热扫描还包括：以第四热输入对所述一系列偏移同心圆由外向内依次进行电子束扫描，所述第四热输入随着所述偏移同心圆的半径的减小而减小；所述第四热输入小于所述第三热输入；
重复上述操作，以低于前一次电子束扫描的热输入重复扫描，直至每个偏移同心圆与相邻的两个初始同心圆中距离圆心较近的一个初始同心圆重合。
9.根据权利要求6～8任意一项所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，所述多个不同半径的初始同心圆的半径呈等差比例。
10.根据权利要求6～8任意一项所述的电子束选区熔化成形预热扫描方法，其特征在于，所述电子束扫描的温度低于所述粉末床的熔化温度。
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