CN111804916B - 一种电子束3d打印粉床预热方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种电子束3D打印粉床预热方法，涉及增材制造技术领域。该预热方法包括：将粉床划分为一个或多个区域；为每个区域均预设需要进行预热的点的数量；采用一个或多个电子束对每个区域内的预热点处的粉末进行随机点扫描预热。本发明通过电子束对粉床上的粉末进行随机点扫描的方式进行预热，电子束每次扫描的面积较小，一定的面积范围内不会发生热量的高度聚集，提高了粉床预热的均匀性，减少了“吹粉”现象的发生。

Description

一种电子束3D打印粉床预热方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种电子束3D打印粉床预热方法。

背景技术

电子束选区熔化成形是一种在高真空环境下，利用磁偏转线圈产生的变化磁场驱使电子枪发射高能电子束束流在粉末层上快速移动扫描、熔化粉末材料、逐层沉积制造三维金属零件的增材制造技术。由于电子束功率大、材料对电子束能量吸收率高，特别适合钛合金、钛铝基合金等难熔金属材料的成形制造，在航空航天、生物医疗、汽车、模具等领域具有广阔的应用前景。由于粉末熔点很高，如果直接采用较高能量密度的电子束进行熔化，金属粉末会在电子束的作用下发生溃散，离开预先的铺设位置，即发生“吹粉”现象；此外，电子束形成的高温熔池的温度与粉床的基础温度存在较大温差，会导致热应力的产生，当热应力水平超过材料的许用强度时，零件会发生翘曲甚至开裂。

研究发现，在电子束选区熔化成形之前，以低于粉末熔化温度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可以提高粉末的抗溃散能力。同时，预热还可以改善粉末床温度场的不均匀性，减小温度梯度，避免成形过程中零件发生翘曲变形，从而提高零件的质量。

现有的电子束选区熔化技术是以高能电子束作为能量热源，在电子束扫描熔化金属粉末截面之前，先快速大面积的对粉末床进行整体预热扫描，使粉床温度上升至一定值。就电子束预热扫描方法而言，目前主要的扫描方法是电子束在预热粉末层上沿水平或竖直方向以一定的扫描间距进行线性扫描预热：一种是前一层沿水平或竖直方向以一定的扫描间距进行预热扫描，后一层则沿竖直或水平方向以一定的扫描间距进行扫描；另一种是同时沿竖直和水平方向以一定的扫描间距进行扫描。在电子束选区熔化成形技术中，预热粉床时电子束的扫描路径对预热效果有着重要的影响，合理的扫描路径规划可以使温度更均匀。现有的预热扫描均是以直线的扫描方式对粉床进行整体连续预热，电子束的扫描面积大、路径长，预热不够均匀。如若发生“吹粉”，则会殃及整条扫描线的周遭区域，“吹粉”一旦发生，影响范围较大。

此外，在电子束扫描预热粉床时，受热传导因素的影响，预热粉末层上的温度分布状况是：中心区域温度较高，边缘区域温度较低，导致预热不均匀，这一点在现有技术的粉床预热方案中并没有得到有效解决。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子束3D打印粉床预热方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明提供一种电子束3D打印粉床预热方法，包括：

将粉床划分为一个或多个区域；

为每个区域均预设需要进行预热的预热点的数量；

采用一个或多个电子束对每个区域内的预热点处的粉末进行随机点扫描预热；

其中，随机点扫描预热按照以下步骤进行：

步骤1：将所述一个或多个区域进行网格划分，为每个网格区域进行编号；

步骤2：为每个网格区域的中心点匹配对应的电子束偏转电压值，偏转电压值用于改变电子束的位置；

步骤3：通过随机算子程序，随机给出基于所述编号的随机编号序列；

步骤4：根据随机给出的编号序列调用对应的网格区域中心点的偏转电压，在偏转电压的控制下启用电子束对该网格区域进行扫描预热。

优选的，所述多个区域为多个形状相同的区域。

优选的，每个区域内均设有多个预热点。

优选的，所述形状为三角形、长方形或正方形中的一种。

优选的，所述多个区域根据距离粉床的中心远近进行划分。

优选的，所述多个区域为同心圆形或同心多边形。

优选的，所述多个区域内的预热点均匀分布，距离所述中心越近的区域，预热时所使用的电子束的功率越低。

优选的，所述多个区域内的预热点的密度不同，该密度自所述中心向边缘方向逐渐变大。

优选的，所述多个区域间的扫描方式为跳跃式扫描。

优选的，随机点扫描预热的温度低于预热点处的粉末的熔化温度。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明中的电子束3D打印粉床预热方法，通过电子束对粉床上的粉末进行随机点扫描的方式进行预热，电子束每次扫描的面积较小，一定的面积范围内不会发生热量的高度聚集，提高了粉床预热的均匀性，减少了“吹粉”现象的发生。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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他的附图。

图1示出本发明实施例中的一种电子束3D打印粉床预热方法的扫描示意图；

图2示出本发明实施例中第二种电子束3D打印粉床预热方法的扫描示意图；

图3示出本发明实施例中第三种电子束3D打印粉床预热方法的扫描示意图；

图4示出本发明实施例中第四种电子束3D打印粉床预热方法的扫描示意图；

图5示出本发明实施例中第五种电子束3D打印粉床预热方法的扫描示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

本发明实施例提供一种电子束3D打印粉床预热方法，如图1-5所示，可以包括以下步骤：

将粉床划分为一个或多个区域；

为每个区域均预设需要进行预热的预热点的数量，也可以对预热点的位置进行预设；

采用一个或多个电子束对每个区域内的预热点处的粉末进行随机点扫描预热；

其中，随机点扫描预热可以按照以下步骤进行：

步骤1：将所述一个或多个区域进行网格划分，为每个网格区域进行编号；

步骤2：为每个网格区域的中心点匹配对应的电子束偏转电压值，偏转电压值用于改变电子束的位置；

步骤3：通过随机算子程序，随机给出基于所述编号的随机编号序列；

步骤4：根据随机给出的编号序列调用对应的网格区域中心点的偏转电压，在偏转电压的控制下启用电子束对该网格区域进行扫描预热。

本实施方式中，通过电子束对粉床上的粉末进行随机点扫描的方式进行预热，电子束每次扫描的面积较小，一定的面积范围内不会发生热量的高度聚集，提高了粉床预热的均匀性，减少了“吹粉”现象的发生。

其中，随机点扫描的具体过程可以如下进行：

将待预热区域（如整个粉床）等分为例如1mm×1mm的小正方形区域，为每个小正方形区域编号；记录每个小正方形区域中心点对应的偏转电压坐标；然后通过计算机软件内的随机算子函数，产生基于上一步编号的随机数，即产生了随机编号序列；根据随机编号调用该区域对应的偏转电压，从而移动电子束的位置对该区域进行点扫描预热。

另外，其他现有技术中可以实现随机点扫描的技术方案均可采用。

需要注意的是，电子束偏转电压值是用于改变电子束的位置的，而电子束的功率大小是通过调整加载在电子束上的电压大小来实现的。

可选的，在一些实施例中，如图1所示，整个粉床为待扫描预热的区域，即区域个数为1个，为粉床预设M个遍布粉床的预热点，然后采用一个或多个电子束对这些预热点进行随机扫描预热，当M个预热点都经扫描后，表示粉床预热完毕。可选的，所述电子束的束斑直径大于每个预热点的直径，即电子束扫描一次就可以把一个预热点预热完毕。

可选的，在一些实施例中，如图2所示，图2中虚线为划分的区域间的边界线，所述多个区域可以为形状相同的区域，即粉床的加热底板被平均划分。如在图2a中，粉床被平均划分为16个子区域，每个子区域内均设有多个预热点，可以采用以下两种方式进行随机点扫描：（1）先对其中一个子区域（如图2a中写有数字1的子区域）内的所有预热点进行扫描预热，然后随机跳转到下一个子区域（如图2a中写有数字2的子区域）并对这个子区域内的所有预热点进行扫描预热，依次类推，直到16个子区域内的预热点都预热完毕。（2）先对其中一个子区域（如图2a中写有数字1的子区域）中的一个点进行扫描预热，然后随机跳转到下一个子区域（如图2a中写有数字2的子区域）并对这个子区域内的一个预热点进行扫描预热，然后依次类推把16个子区域内的16个预热点扫描完毕。之后再对某个子区域（如图2a中写有数字1的子区域）内的第二个预热点进行扫描预热，然后再对下一个子区域内的第二个预热点进行扫描预热，依次类推，直到16个子区域内的所有预热点均预热，则预热工作结束。图2b、2c、2d的预热方式同2a。

可选的，在一些实施例中，所述形状为三角形、长方形或正方形中的一种。所述形状可以为正方形（图2a）、长方形（图2b）或三角形（图2c、2d）等中的一种，但也不限于此。电子束进行扫描时可以是跳跃式的扫描（如图2a、2b、2c），也可以是按照区域位置逐区域扫描（如图2d）。

可选的，在一些实施例中，所述多个区域根据距离粉床的中心远近进行划分。更进一步地，如图3所示，所述多个区域可以为同心圆形或同心多边形，但也不限于此。在电子束扫描预热粉床时，受热传导因素的影响，预热粉末层上的温度分布情况是：中心区域温度较高，边缘区域温度较低，容易出现中心区域较边缘区域热量高，导致预热不均匀。因此，根据距离粉床的中心远近进行区域划分，然后可以采取如图3所示的扫描方式，可以改善或解决以上问题。图3中的扫描方式为跳跃式扫描，可以首先以中心矩形子区域（标有1的区域）为起点，即先随机点状预热中心矩形子区域，然后间隔至少一个环形带子区域向外依次跳转至下一个待预热的环形带子区域（标有1’的区域）进行随机点状预热，直至粉床边缘环形带子区域（标有1’’的区域）。接下来可以选取与起点子区域相邻的环形带状子区域（如标有2的区域），依次间隔与之前相同数量的环形带状子区域向外依次扫描环形带区域（标有2’的区域）。最后是选取标有3、3’的环形带状子区域继续进行随机点扫描。最终，底板上的所有子区域全部预热完毕。其中，间隔几个子区域不做限制，扫描是从内向外还是从外向内都可以。

可选的，在一些实施例中，如图4所示，所述多个区域内的预热点可以均匀分布，距离所述中心越近的区域（如图4中的小正方形区域），预热时所使用的电子束的功率越低。如前所述，中心区域通常受热较高，所以采用较低功率的电子束的束斑对靠近中心区域的点进行扫描预热，可以使温度更加均匀。

可选的，在一些实施例中，如图5所示，所述多个区域内的预热点的密度不同，该密度自所述中心向边缘方向逐渐变大，此时采用的电子束的功率可以相同，如图5中，小正方形区域内的点数较少，即密度较小，如此设置，可以使距离中心较近的区域不会受热过高，使粉床受热更加均匀，减少吹粉现象的发生。

需要注意的是，图4、图5中的实线仅代表随机点的跳跃式点扫描路径，而不是光束的实际扫描痕迹。

此外，可选的，可以根据成形底板的形状或者待加工零件的形状对粉床底板的区域进行划分。并且，可选的，所述同心圆形或同心多边形可以为等差分布，但也不限于此。电子束对每个被划分的小区域内的点仍进行随机点扫描。

上述实施例中，预热完毕指的是对粉床底板上所有预设点都进行一次扫描。但当一次扫描之后，如果预热温度没有达到要求，可以再进行多次重复扫描。

可选的，在一些实施例中，所述电子束的扫描预热温度低于粉末的熔化温度，比熔化温度低的扫描预热温度可以使粉末具备一定的粘附性，具备更好的抗溃散能力。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）提供了一种新型的预热路径：随机点状预热；

（2）均匀预热：随机点扫描的预热方法使粉末层被均匀加热，避免在后续固化步骤中熔融金属和粉末之间的界面中存在过大的温度梯度；

（3）避免加和效应：预热的点随机出现，区别于现有技术的连续扫描，可以防止连续扫描路径带来的热量加和效应，即可以避免前一扫描路径扫描期间沉积于粉末的能量加和到紧随的后一扫描路径扫描期间沉积的能量；

（4）避免粉床中心过热：通过控制粉床中心区域与边缘区域预热点的能量大小，来避免中心区域散热慢造成的中心区域过热的现象的发生。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (7)

1.一种电子束3D打印粉床预热方法，其特征在于，包括：

将粉床划分为多个区域；

为每个区域均预设需要进行预热的预热点的数量；

采用一个或多个电子束对每个区域内的预热点处的粉末进行随机点扫描预热；

其中，随机点扫描预热按照以下步骤进行：

步骤1：将所述多个区域进行网格划分，为每个网格区域进行编号；

步骤2：为每个网格区域的中心点匹配对应的电子束偏转电压值，偏转电压值用于改变电子束的位置；

步骤3：通过随机算子程序，随机给出基于所述编号的随机编号序列；

步骤4：根据随机给出的编号序列调用对应的网格区域中心点的偏转电压，在偏转电压的控制下启用电子束对该网格区域进行扫描预热；

所述多个区域根据距离粉床的中心的远近进行划分，所述多个区域内的预热点的密度不同，该密度自所述中心向边缘方向逐渐变大。

2.根据权利要求1所述预热方法，其特征在于，所述多个区域为多个形状相同的区域。

3.根据权利要求2所述预热方法，其特征在于，每个区域内均设有多个预热点。

4.根据权利要求2所述预热方法，其特征在于，所述形状为三角形、长方形或正方形中的一种。

5.根据权利要求1所述预热方法，其特征在于，所述多个区域为同心圆形或同心多边形。

6.根据权利要求1-5任一项所述预热方法，其特征在于，所述多个区域间的扫描方式为跳跃式扫描。

7.根据权利要求1-5任一项所述预热方法，其特征在于，随机点扫描预热的温度低于预热点处的粉末的熔化温度。

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