CN111230111A - 电子束同轴送丝增材制造设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子束同轴送丝增材制造设备及方法，该设备的送丝喷嘴上方设有送丝矫直装置，由送丝矫直装置将金属丝送出，并经导向和矫直后送入送丝喷嘴；所述送丝喷嘴同轴设置在电子束枪系统中，并与电子束枪系统一起安装在电子束枪XYZ定位装置上，电子束枪XYZ定位装置置于成型基板上方，所述电子束枪XYZ定位装置在沉积控制器的控制下带动电子束枪系统、送丝喷嘴及金属丝准确移动和定位，使金属丝按设定的要求进行熔化和凝固，熔化的金属丝逐层沉积在由沉积控制器控制的可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板上，形成一个所需要形状和结构的零件。本发明的设备及方法打印效率高、精度高，可实现金属结构件的增材制造。

Description

电子束同轴送丝增材制造设备及方法
技术领域
本发明涉及一种金属3D打印设备，尤其是一种采用电子束的金属3D打印设备。
背景技术
增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。
目前可用于直接制造金属功能零件的主要金属3D打印工艺有：包括选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(Direct Metal LaserSintering，DMLS)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技术和电子束选择性熔化(Electron BeamSelective Melting，EBSM)技术等。
选择性激光烧结(SLS)，选择性激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。由于烧结好的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。
选择性激光熔化，SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。选择性激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，但是成型范围小，成型效率非常低，成本高昂。
激光熔化沉积(Laser Metal Deposition，LMD)于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出，随后在全世界很多地方相继发展起来，由于许多大学和机构是分别独立进行研究的，因此这一技术的名称繁多，虽然名字不尽相同，但是他们的原理基本相同，成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体。LENS技术使用的是千瓦级的激光器，由于采用的激光聚焦光斑较大，一般在1mm以上，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但是由于激光的效率低，金属吸收率不高，导致输入功率过大，凝固组织粗大，成型后零件结构性能下降，并且效率较低，成本较高。
直接能量沉积技术中还有电子束旁轴送丝技术，采用电子束作为能量源，旁轴送丝进行熔覆，电子束的能量利用率虽然比激光要高，但是由于旁轴送丝，一样需要较高能量才能熔化金属丝，导致金属丝直径不能过大，并且电子束枪功率大，熔覆过程中热量输入大，凝固后组织粗大，影响零件成型后的性能。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种全新的电子束同轴送丝增材制造设备及方法，以解决现有直接能量沉积3D打印生产中存在的精度低、效率低、加工成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种电子束同轴送丝增材制造设备，具有一个可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板，一个用于熔化金属丝的电子束枪系统，一个送丝喷嘴，以及一个送丝矫直装置，所述送丝喷嘴上方设有送丝矫直装置，由送丝矫直装置将金属丝送出，并经导向和矫直后送入送丝喷嘴；所述送丝喷嘴同轴设置在电子束枪系统中，并与电子束枪系统一起安装在电子束枪XYZ定位装置上，所述电子束枪XYZ定位装置置于成型基板上方，所述电子束枪XYZ定位装置在沉积控制器的控制下带动电子束枪系统、送丝喷嘴及金属丝准确移动和定位，使金属丝按设定的要求进行熔化和凝固，熔化的金属丝逐层沉积在由沉积控制器控制的可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板上，形成一个所需要形状和结构的零件。
进一步，所述电子束枪系统由至少一对对称布置的电子束枪及电子束偏转线圈组成，一对电子束枪及电子束偏转线圈发出的双电子束作为能量源；每个电子束枪下面设有电子束偏转线圈，所述电子束枪发出的电子束经电子束偏转线圈聚焦到金属丝上，使金属丝快速熔化。
进一步，所述送丝矫直装置由送丝卷轴、送丝导轮和矫直导轮组成，绕有金属丝的送丝卷轴将金属丝送出，金属丝依次经过送丝导轮、矫直导轮进入送丝喷嘴。
进一步，所述成型基板设有可沿垂直轴旋转的转动驱动机构，以及可沿水平轴倾斜的倾斜驱动调节机构，所述转动驱动机构和倾斜驱动调节机构连接沉积控制器，由沉积控制器控制转动驱动机构和倾斜驱动调节机构，使成型基板可以根据需要进行旋转或者倾斜，从而保证零件特殊形状得到成型。
进一步，所述金属丝的材质为不锈钢、钛合金、铜合金、高温合金中的任一种。
一种采用电子束同轴送丝增材制造设备的零件成形方法，首先，将零件模型通过计算机进行切片，并将数据输入沉积控制器，沉积控制器控制电子束枪XYZ定位装置带动电子束枪系统、送丝喷嘴及金属丝按需要的XYZ三轴定位进行移动，并由两个或多个电子束枪对金属丝进行熔化和沉积，成型基板根据零件特征进行旋转或者倾斜，逐层形成所需要的零件。
进一步，所述金属丝根据零件需要选择相适配的材料，并计算零件需要的金属丝重量和直径，将金属丝装入送丝卷轴，金属丝通过送丝矫直装置的送丝卷轴进行输送，输送的速度根据沉积的需要进行调整和设定，送丝矫直装置的矫直导轮对输送过来的金属丝进行矫直，保证金属丝进入送丝喷嘴后保持垂直不变形，金属丝经过矫直导轮后进入送丝喷嘴，穿过送丝喷嘴后进入成型基板上方。
进一步，在沉积过程中，一个电子束偏转线圈还将电子束引导到成型基板上，对成型基板或者已经沉积的前一层沉积层进行预热和预熔化，确保每一层沉积层与前一层沉积层完全熔化结合。
与现有技术相比，本发明解决了以下问题，并且具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种电子束同轴送丝增材制造设备与方法，包括右电子束枪、右电子束偏转线圈、右电子束、左电子束枪、左电子束偏转线圈、左电子束、送丝喷嘴、送丝卷轴、送丝导轮、矫直导轮、金属丝、基板、沉积层、电子束枪XYZ定位。采用双电子束作为能量源，同轴输送金属丝材，通过XYZ定位系统进行3D打印，打印效率高、精度高，实现金属结构件的增材制造。
2.所述右电子束枪采用常规电子束枪，能量转换效率高，输入功率小，可以有效控制沉积过程中的输入热量，减少变形，控制金属材料凝固质量。
3.所述左电子束枪采用常规电子束枪，能量转换效率高，输入功率小，可以有效控制沉积过程中的输入热量，减少变形，控制金属材料凝固质量。
4.所述右电子束枪和左电子束枪通过右电子束偏转线圈和左电子束偏转线圈聚焦在金属丝端部，加热并熔化金属丝形成液滴与基板结合。
5.所述右电子束枪和左电子束枪与送丝喷嘴为同轴设计，熔化效率高、质量稳定。
6.所述成型基板，可以作为零件成型的辅助基板，也可以作为零件的一部分，提高成型的效率。
7.本发明的工艺采用电子束技术，在成型基板上采用电子束送丝沉积零件的主要尺寸，不仅成型效率高，而且精度可控，输入功率小，成本低，零件打印质量稳定。
附图说明
图1为本发明的电子束同轴送丝增材制造设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的电子束同轴送丝增材制造设备，包括右电子束枪010、右电子束偏转线圈011、右电子束012、左电子束枪020、左电子束偏转线圈021、左电子束022、送丝喷嘴030、送丝卷轴041、送丝导轮042、矫直导轮043、金属丝050、成型基板060、沉积层061、电子束枪XYZ定位装置070。
送丝喷嘴030下方放置成型基板060，送丝喷嘴030上方装有绕有金属丝050的送丝卷轴041，送丝卷轴041将金属丝050送出，金属丝050依次经过送丝导轮042、矫直导轮043进入送丝喷嘴030。送丝喷嘴030，送丝喷嘴030两侧对称布置右电子束枪010和左电子束枪020，右电子束枪010和左电子束枪020组成对称的电子束枪系统，并与送丝喷嘴030为同轴设置，以及送丝喷嘴030和对称的电子束枪系统均安装在电子束枪XYZ定位装置070上。右电子束枪010和左电子束枪020下面分别设有右电子束偏转线圈011和左电子束偏转线圈021，右电子束偏转线圈011和左电子束偏转线圈021分别将右电子束枪010发出的右电子束012和左电子束枪020发出的左电子束022聚焦到金属丝050上，使金属丝050快速熔化。
本实施例中，电子束枪XYZ定位装置070可以使金属丝熔化和凝固在沉积策略的控制下进行准确移动和定位。成型基板060可以根据需要进行旋转或者倾斜，保证零件特殊形状得到成型。两把电子束枪对称布置，但不限于数量限制，根据金属丝材直径大小或者沉积策略需要，可以增加，但不少于2个。电子束枪XYZ定位装置070和成型基板060提供了X、Y、Z三个方向定位和旋转、倾斜功能，但并不特定于此，X、Y、Z三个方向控制、旋转、倾斜可以任意组合，用于电子束枪移动或者成型基板移动。金属丝050可以采用多种材质，包括但不限于不锈钢、钛合金、铜合金、高温合金等。
本实施中，送丝卷轴041可以根据打印零件的大小装入一定数量的金属丝材，送丝卷轴042可以根据打印速度的需要调整送丝速度，矫直导轮043将金属丝进行矫直，保证金属丝进入喷嘴030时基本为直线，矫直后的金属丝050通过送丝喷嘴030，在送丝喷嘴030下方进行熔覆。右电子束枪010和左电子束枪020发射电子束，右电子束偏转线圈011和左电子束偏转线圈021对电子束枪发出的电子束进行偏转，聚焦到金属丝050末端，成型基板060可以作为零件的一部分，也可以在其上面进行成型。沉积层061为在电子束作用下金属丝在基板060上沉积的部分。电子束枪XYZ定位装置070为整套电子束枪和送丝喷嘴030进行XYZ的移动定位。整套设备在真空环境中运行。
本发明的设备运行时，根据零件需要选择合适的金属丝050的材料，计算零件需要的金属丝050重量和直径，将金属丝050装入送丝卷轴041，金属丝050通过送丝卷轴042进行输送，输送的速度根据沉积的需要可以进行调整和设定。矫直导轮043对输送过来的金属丝050进行矫直，保证金属丝050进入送丝喷嘴030后保持垂直不变形，金属丝050经过矫直导轮043后进入030送丝喷嘴，穿过送丝喷嘴030后进入成型基板060上方，此时右电子束枪010和左电子束枪020根据沉积策略设定发射一定功率的右电子束012和左电子束022，电子束经过右电子束偏转线圈011和左电子束枪021后被精确偏转，聚焦的金属丝050的端面，金属丝050端面在电子束能量作用下迅速熔化，沉积在成型基板060上，并与成型基板060熔化成一体，电子束枪XYZ定位装置070可以根据熔积策略进行立体空间X、Y、Z三个方向的移动和定位，使得被电子束熔化的金属液滴在成型基板060上形成零件的一部分沉积层061。在沉积过程中，右电子束偏转线圈011还将右电子束012引导到成型基板060上，对成型基板060或者已经沉积的前一层沉积层061进行预热和预熔化，确保每一层沉积层与前一层沉积层完全熔化结合。在制造特定零件时，成型基板060可以进行旋转和倾斜动作，保证零件特殊形状得到成型。如此往复，金属丝050在电子束作用下熔化后在成型基板060上逐层成型，成为一个所需要形状和结构的零件。整个过程在真空环境下进行，使得一些活泼的合金元素在沉积过程中不会被氧化。
本发明还提供了一种新的电子束同轴送丝增材制造方法。零件模型通过计算机进行切片后，金属丝材通过两个或多个电子束枪进行熔化，根据需要的XYZ定位进行移动和沉积，成型基板根据零件特征进行旋转或者倾斜，逐层形成所需要的零件，适用于钛合金、高温合金、不锈钢、铜合金等多种金属材料，成型尺寸大、成分控制均匀、性能稳定，所用原材料金属丝材价格相比金属粉末廉价，成本低。

Claims (8)

1.一种电子束同轴送丝增材制造设备，具有一个可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板，一个用于熔化金属丝的电子束枪系统，一个送丝喷嘴，以及一个送丝矫直装置，其特征在于：所述送丝喷嘴上方设有送丝矫直装置，由送丝矫直装置将金属丝送出，并经导向和矫直后送入送丝喷嘴；所述送丝喷嘴同轴设置在电子束枪系统中，并与电子束枪系统一起安装在电子束枪XYZ定位装置上，所述电子束枪XYZ定位装置置于成型基板上方，所述电子束枪XYZ定位装置在沉积控制器的控制下带动电子束枪系统、送丝喷嘴及金属丝准确移动和定位，使金属丝按设定的要求进行熔化和凝固，熔化的金属丝逐层沉积在由沉积控制器控制的可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板上，形成一个所需要形状和结构的零件。
2.根据权利要求1所述的电子束同轴送丝增材制造设备，其特征在于：所述电子束枪系统由至少一对对称布置的电子束枪及电子束偏转线圈组成，一对电子束枪及电子束偏转线圈发出的双电子束作为能量源；每个电子束枪下面设有电子束偏转线圈，所述电子束枪发出的电子束经电子束偏转线圈聚焦到金属丝上，使金属丝快速熔化。
3.根据权利要求1所述的电子束同轴送丝增材制造设备，其特征在于：所述送丝矫直装置由送丝卷轴、送丝导轮和矫直导轮组成，绕有金属丝的送丝卷轴将金属丝送出，金属丝依次经过送丝导轮、矫直导轮进入送丝喷嘴。
4.根据权利要求1所述的电子束同轴送丝增材制造设备，其特征在于：所述成型基板设有可沿垂直轴旋转的转动驱动机构，以及可沿水平轴倾斜的倾斜驱动调节机构，所述转动驱动机构和倾斜驱动调节机构连接沉积控制器，由沉积控制器控制转动驱动机构和倾斜驱动调节机构，使成型基板可以根据需要进行旋转或者倾斜，从而保证零件特殊形状得到成型。
5.根据权利要求1所述的电子束同轴送丝增材制造设备，其特征在于：所述金属丝的材质为不锈钢、钛合金、铜合金、高温合金中的任一种。
6.一种采用权利要求1-5任一所述的电子束同轴送丝增材制造设备的零件成形方法，其特征在于：首先，将零件模型通过计算机进行切片，并将数据输入沉积控制器，沉积控制器控制电子束枪XYZ定位装置带动电子束枪系统、送丝喷嘴及金属丝按需要的XYZ三轴定位进行移动，并由两个或多个电子束枪对金属丝进行熔化和沉积，成型基板根据零件特征进行旋转或者倾斜，逐层形成所需要的零件。
7.根据权利要求6所述的零件成形方法，其特征在于：所述金属丝根据零件需要选择相适配的材料，并计算零件需要的金属丝重量和直径，将金属丝装入送丝卷轴，金属丝通过送丝矫直装置的送丝卷轴进行输送，输送的速度根据沉积的需要进行调整和设定，送丝矫直装置的矫直导轮对输送过来的金属丝进行矫直，保证金属丝进入送丝喷嘴后保持垂直不变形，金属丝经过矫直导轮后进入送丝喷嘴，穿过送丝喷嘴后进入成型基板上方。
8.根据权利要求6所述的零件成形方法，其特征在于：在沉积过程中，一个电子束偏转线圈还将电子束引导到成型基板上，对成型基板或者已经沉积的前一层沉积层进行预热和预熔化，确保每一层沉积层与前一层沉积层完全熔化结合。
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