CN111687414A - 多束流电子束成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多束流电子束成型方法，采用具有多束流电子束的3D打印机，其步骤为：首先，模型修正，通过通用软件根据零件模型特点进行模型修正，计算加工余量，修改局部特征，使得模型适合进行多束流电子束成型；切片，通过通用软件对零件模型进行切片分成，生成多束流电子束成型可以执行的程序，最后生成切片文件；设定工艺参数，根据成型零件大小，设定送丝速度、电子束功率、基板移动速度；逐层打印，最终得到所需的零件外形；后处理，将基板与零件进行切割。本发明采用双电子束作为能量源，同轴输送加热金属丝材，打印效率高、精度高，实现金属结构件的增材制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属3D打印方法，尤其是一种电子束成型方法。
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。
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(DED)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
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的多束流电子束成型方法，利用多个电子束同轴加热丝材熔化成型，以解决现有直接能量沉积3D打印中存在的输入功率过高、精度低、质量不稳定等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种多束流电子束成型方法，采用具有多束流电子束的3D打印机，其步骤为：
步骤一：模型修正，通过通用软件根据零件模型特点进行模型修正，计算加工余量，修改局部特征，使得模型适合进行多束流电子束成型，用于降低加工余量，提高成型精度，减少变形产生；
步骤二：切片，通过通用软件对零件模型进行切片分成，生成多束流电子束成型可以执行的程序，切片厚度根据丝材直径进行计算，范围在0.5-2mm，最后生成切片文件；
步骤三：设定工艺参数，根据成型零件大小，设定送丝速度、电子束功率、基板移动速度，以获得稳定的成型过程和良好的成型质量；
步骤四：逐层打印，对打印腔室进行抽真空，安装打印基板，并根据切片模型和工艺参数即可开始逐层打印，第一层成型在基板上，得到需要的零件形状，第二层成型在第一层上，后续每一层都成型在前面一层的结构上，Z轴逐步变化，层内XY进行移动成型，最终得到所需的零件外形；
步骤五：后处理，打印完成后，将基板和零件一起从打印机内部取下，根据材料对应的热处理工艺进行热处理，消除应力并调整组织力学性能，然后将基板与零件进行切割。
步骤三中，所述送丝速度的设定：根据送丝材料特性以及直径来设定送丝速度，送丝速度确定进给的丝材能够被充分熔化并且连续地凝固在需要的区域。
步骤三中，所述电子束功率的设定，根据送丝材料特性以及直径，可以设定电子束功率P1和电子束功率P2，其中，电子束功率P1输入用于预热基板或者上一层基体，以获得良好的层与层之间的凝固组织；电子束功率P1和P2输入用于熔化丝材，保证丝材得到充分熔化并在成型方向上凝固成型。
所述电子束具有三个，第一电子束熔化成型方向，第三电子束为预热电子束，预热电子束光斑投影在第一电子束熔化成型方向的前面，并且与丝材投影相重叠，第二电子束为熔化电子束，熔化电子束光斑投影在丝材投影后方，与丝材投影相重叠；熔化电子束光斑投影与预热电子束光斑投影相对位置保持固定不变。
所述电子束的扫描成型轨迹顺序，对于厚度薄的金属壁，由单次熔丝实现；对于壁厚超过单道熔丝的金属壁，进行多道次熔丝，金属壁为双道壁，根据结构特征，先进行内侧成型扫描轨迹进行成型，外侧成型扫描轨迹与成型扫描轨迹不进行首尾相连，而是从成型扫描轨迹的起点边上重新开始，超过双道的金属壁依次类推，最终得到需要的壁厚。
所述多束流电子束成型方法中电子束和丝材端部位置保持不变，通过移动基板实现三维方向的成型。
所述多束流电子束成型方法适用不锈钢、钛合金、铜合金、高温合金中的任一种。
所述多束流电子束成型方法采用多种直径的丝材，范围从0.1mm到5mm均可进行熔化成型。
与现有技术相比，本发明解决了以下问题，具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种多束流电子束成型方法，主要包含以下主要步骤：S01模型修正、S02切片、S03设工艺参数、S04逐层打印、S05后处理。采用双电子束作为能量源，同轴输送加热金属丝材，打印效率高、精度高，实现金属结构件的增材制造。
(2)所述S01模型修正，通过通用软件根据零件模型特点进行模型修正，使得模型适合进行多束流电子束成型，可以降低加工余量，提高成型精度，减少变形产生。
(3)所述S02切片，通过通用软件对零件模型进行切片分成，生成多束流电子束成型可以执行的程序，可以提高加工效率，实现复杂结构的成型。
(4)所述S03设定工艺参数，根据成型零件大小，设定送丝速度、电子束功率、基板移动速度，以获得稳定的成型过程和良好的成型质量。工艺参数中多束流电子束被分成预热和加热两部分，共同作用于丝材，提升熔化和凝固的质量。
(5)所述S05后处理，将基板和成型的零件共同进行热处理，然后对基板进行切割，基板成为零件的一部分，可以节约打印的时间，降低打印成本。
(6)本发明的工艺采用多束流电子束成型，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是多束流电子束成型方法步骤示意图；
图2是多束流电子束组合示意图；
图3是多束流电子束成型扫描轨迹示意图。
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，一种多束流电子束成型方法，主要包含以下主要步骤：S01模型修正、S02切片、S03设工艺参数、S04逐层打印、S05后处理。
步骤一：S01模型修正，通过通用软件根据零件模型特点进行模型修正，计算加工余量，修改局部特征，使得模型适合进行多束流电子束成型，可以降低加工余量，提高成型精度，减少变形产生。
步骤二：S02切片。通过通用软件对零件模型进行切片分成，生成多束流电子束成型可以执行的程序，切片厚度可以根据丝材直径进行计算，范围在0.5-2mm，最后生成切片文件。
步骤三：S03设定工艺参数，根据成型零件大小，设定送丝速度、电子束功率、基板移动速度，以获得稳定的成型过程和良好的成型质量。
送丝速度V1设定：根据送丝材料特性以及直径，可以设定送丝速度V1，送丝速度确定进给的丝材可以被充分熔化并且连续地凝固在需要的区域。
电子束功率P1和P2设定：根据送丝材料特性以及直径，可以设定电子束功率P1和P2。电子束P1输入主要用于预热基板或者上一层基体，以获得良好的层与层之间的凝固组织。电子束P2输入主要用于熔化丝材，保证丝材得到充分熔化并在成型方向上凝固成型。电子束总输入功率P为电子束功率P1和P2的和，即P＝P1+P2。
基板移动速度V2设定：根据送丝速度V1和电子束总输入功率P可以得到基板移动速度V2，在切片后的层内，基板相对电子束和丝材进行平面内的X轴和Y轴移动，使得丝材熔化后在基板上或者上一层基体上成型，得到层内的所需结构。层内成型结束后，基板Z轴移动根据切片层厚进行移动。
多束流电子束的设定：以双束流电子束为例，见图2，电子束熔化成型方向001，预热电子束光斑投影003在电子束熔化成型方向001的前面，并且与丝材投影004相重叠。熔化电子束光斑投影002在丝材投影004后方，也与丝材投影004相重叠。熔化电子束光斑投影002与预热电子束光斑投影003相对位置保持固定不变，电子束熔化成型方向001由基板上的XY移动速度V2实现。
电子束扫描与送丝成型轨迹设定：根据零件的壁厚大小，电子束扫描成型轨迹顺序见图3。对于厚度较薄的金属壁，可以由单次熔丝实现，成型扫描轨迹101进行单次顺序移动即可。对于壁厚超过单道熔丝的金属壁，需要进行多道次熔丝，以双道壁为例，根据结构特征，先进行内侧成型扫描轨迹102进行成型，外侧成型扫描轨迹103与成型扫描轨迹102不进行首尾相连，而是从成型扫描轨迹102的起点边上重新开始。超过双道的金属壁依次类推，最终得到需要的壁厚。
步骤四：S04逐层打印。对打印腔室进行抽真空，安装打印基板，并根据S02切片模型和S03工艺参数即可开始逐层打印，第一层成型在基板上，得到需要的零件形状。第二层成型在第一层上，后续每一层都成型在前面一层的结构上，Z轴逐步变化，层内XY进行移动成型，最终得到所需的零件外形。
步骤五：S05后处理。打印完成后，将基板和零件一起从打印机内部取下，根据材料对应的热处理工艺进行热处理，消除应力并调整组织力学性能，然后将基板与零件进行切割，与SLM或者SLS等工艺不同，本工艺中基板也将是零件的一部分，将切割完成后的零件毛坯进行测量，利用加工中心等加工设备对零件毛坯进行加工，去除表面粗糙部分，最终得到所需的零件。
本发明提供了一种全新的多束流电子束成型方法。零件通过S01模型修正、S02切片、S03设工艺参数、S04逐层打印、S05后处理五个步骤快速成型，适用于钛合金、高温合金、不锈钢、铜合金等多种金属材料，丝材直径适用于0mm到5mm，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)
1.一种多束流电子束成型方法，采用具有多束流电子束的3D打印机，其特征在于，其步骤为：
步骤一：模型修正，通过通用软件根据零件模型特点进行模型修正，计算加工余量，修改局部特征，使得模型适合进行多束流电子束成型，用于降低加工余量，提高成型精度，减少变形产生；
步骤二：切片，通过通用软件对零件模型进行切片分成，生成多束流电子束成型可以执行的程序，切片厚度根据丝材直径进行计算，范围在0.5-2mm，最后生成切片文件；
步骤三：设定工艺参数，根据成型零件大小，设定送丝速度、电子束功率、基板移动速度，以获得稳定的成型过程和良好的成型质量；
步骤四：逐层打印，对打印腔室进行抽真空，安装打印基板，并根据切片模型和工艺参数即可开始逐层打印，第一层成型在基板上，得到需要的零件形状，第二层成型在第一层上，后续每一层都成型在前面一层的结构上，Z轴逐步变化，层内XY进行移动成型，最终得到所需的零件外形；
步骤五：后处理，打印完成后，将基板和零件一起从打印机内部取下，根据材料对应的热处理工艺进行热处理，消除应力并调整组织力学性能，然后将基板与零件进行切割。
2.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：步骤三中，所述送丝速度的设定：根据送丝材料特性以及直径来设定送丝速度，送丝速度确定进给的丝材能够被充分熔化并且连续地凝固在需要的区域。
3.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：步骤三中，所述电子束功率的设定，根据送丝材料特性以及直径，可以设定电子束功率P1和电子束功率P2，其中，电子束功率P1输入用于预热基板或者上一层基体，以获得良好的层与层之间的凝固组织；电子束功率P1和P2输入用于熔化丝材，保证丝材得到充分熔化并在成型方向上凝固成型。
4.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：所述电子束具有三个，第一电子束熔化成型方向，第三电子束为预热电子束，预热电子束光斑投影在第一电子束熔化成型方向的前面，并且与丝材投影相重叠，第二电子束为熔化电子束，熔化电子束光斑投影在丝材投影后方，与丝材投影相重叠；熔化电子束光斑投影与预热电子束光斑投影相对位置保持固定不变。
5.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：所述电子束的扫描成型轨迹顺序，对于厚度薄的金属壁，由单次熔丝实现；对于壁厚超过单道熔丝的金属壁，进行多道次熔丝，金属壁为双道壁，根据结构特征，先进行内侧成型扫描轨迹进行成型，外侧成型扫描轨迹与成型扫描轨迹不进行首尾相连，而是从成型扫描轨迹的起点边上重新开始，超过双道的金属壁依次类推，最终得到需要的壁厚。
6.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：所述多束流电子束成型方法中电子束和丝材端部位置保持不变，通过移动基板实现三维方向的成型。
7.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：所述多束流电子束成型方法适用不锈钢、钛合金、铜合金、高温合金中的任一种。
8.根据权利要求1所述的多束流电子束成型方法，其特征在于：所述多束流电子束成型方法采用多种直径的丝材，范围从0.1mm到5mm均可进行熔化成型。
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