CN111957959A - 一种电子束增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，公开了一种电子束增材制造装置及方法，电子束增材制造装置包括成形室和位于成形室内的铺粉平台，电子束增材制造装置还包括：泛射电子枪，设置于成形室内，用于产生泛射电子束，泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对粉末层进行低能量轰击，以使粉末层的粉末颗粒带有正电荷；聚焦电子枪，设置于成形室内，用于产生聚焦电子束，聚焦电子束扫描熔化粉末层，带有正电荷的粉末颗粒能中和聚焦电子束产生的电子束负电荷，聚焦电子束的加速电压大于泛射电子束的加速电压。本发明无需进行粉末的微烧结，含有复杂的内流道或内腔的零件内的粉末容易流出和去除，而且省略了预热步骤，提高了增材制造的效率。
Description
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增材制造装置及方法。
背景技术
电子束铺粉增材制造的技术原理是：在真空环境下，电子束扫描熔化粉末层，使得连续多个粉末层熔合在一起，以制造三维实体零部件。
上述增材制造过程中，会存在以下问题：粉末材料导电性差，在电子束作用下容易积累电荷，带电荷的金属粉末颗粒相互排斥，产生“吹粉”现象。“吹粉”将破坏已经铺平的粉末层，导致增材制造过程的失败。
针对上述问题，现有解决方式是采用电子束对粉末床进行预热，即通过特定的扫描路径，预先对粉末层进行预热，使得粉末颗粒之间产生微烧结，导电性会增加，进而可以减缓粉末中的电荷聚集从而进一步避免吹粉。但是，烧结的粉末给粉末去除带来困难，特别是当制造的零件含有复杂的内流道或内腔时，内流道或者内腔的烧结粉末难以去除。并且，上述方式对每一层粉末都需要进行预热，导致增材制造的效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子束增材制造装置及方法，无需进行粉末的微烧结，含有复杂的内流道或内腔的零件内的粉末容易流出和去除，而且省略了预热步骤，提高了增材制造的效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种电子束增材制造装置，包括成形室和位于成形室内的铺粉平台，所述电子束增材制造装置还包括：
泛射电子枪，设置于所述成形室内，用于产生泛射电子束，所述泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对所述粉末层进行低能量轰击，以使所述粉末层的粉末颗粒带有正电荷；
聚焦电子枪，设置于所述成形室内，用于产生聚焦电子束，所述聚焦电子束扫描熔化所述粉末层，所述粉末颗粒带有的正电荷能中和所述聚焦电子束产生的电子束负电荷，所述聚焦电子束的加速电压大于所述泛射电子束的加速电压。
作为优选，所述泛射电子束形成的光斑直径大于所述聚焦电子束形成的光斑直径。
作为优选，所述聚焦电子枪包括第一阴极、第一栅极和第一阳极，所述第一阳极接地，所述第一阴极加载有第一负电压，所述第一栅极相对于所述第一阴极为负电压。
作为优选，所述泛射电子枪包括第二阴极、第二栅极和第二阳极，所述第二阳极接地，所述第二阴极加载有第二负电压，所述第二栅极相对于所述第二阴极为负电压，所述第二负电压的绝对值小于所述第一负电压的绝对值。
作为优选，所述第一负电压的绝对值为50KV-100KV，所述第二负电压的绝对值为0-2KV。
本发明还提供一种电子束增材制造方法，包括：
通过泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对所述粉末层进行低能量轰击，以使所述粉末层的粉末颗粒带有正电荷；
通过聚焦电子束扫描熔化所述粉末层，所述粉末颗粒带有的正电荷能中和所述聚焦电子束产生的电子束负电荷，所述聚焦电子束的加速电压大于所述泛射电子束的加速电压。
作为优选，获取所述聚焦电子束的聚焦电子束电流，并根据所述聚焦电子束电流调整所述泛射电子束的泛射电子束电流，以使得所述粉末颗粒带有的正电荷能中和所述聚焦电子束产生的电子束负电荷。
本发明的有益效果：通过泛射电子束照射粉末层，使得粉末颗粒带有正电荷，该正电荷刚好能够中和扫描熔化粉末层的聚焦电子束的电子束负电荷，进而使得粉末颗粒不再积累电荷，也就避免了粉末颗粒相互排斥，产生“吹粉”现象。而且本发明无需进行粉末的微烧结即可避免吹粉现象产生，且在增材制造含有复杂的内流道或内腔的零件时，内流道或内腔内的粉末容易流出和去除，而且省略了预热步骤，提高了增材制造的效率。此外，本发明通过泛射电子枪产生泛射电子束，泛射电子束轰击粉末颗粒，使得粉末颗粒带有正电荷的方式，其成本低，且易于控制。
附图说明
图1是本发明提供的电子束增材制造装置的结构示意图；
图2是本发明提供的入射电子加速电压与粉末颗粒逸出的电子对应关系图；
图3是本发明提供的电子束增材制造方法的流程图。
图中：
1、成形室；2、铺粉平台；3、泛射电子枪；4、聚焦电子枪；5、成形缸；6、料斗；7、刮刀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，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。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明提供一种电子束增材制造装置，其无需进行粉末的微烧结，即可避免粉末颗粒带电荷导致吹粉现象发生。而且在增材制造含有复杂的内流道或内腔的零件时，其内流道或内腔内的粉末容易流出和去除，此外省略了预热步骤，提高了增材制造的效率。
如图1所示，该电子束增材制造装置包括成形室1、铺粉平台2、泛射电子枪3、聚焦电子枪4、成形缸5、料斗6以及刮刀7，其中成形室1内部为真空环境，铺粉平台2设置于成形室1内，成形缸5位于铺粉平台2处，料斗6用于将粉末颗粒落料至铺粉平台2上，刮刀7能够将铺粉平台2上的粉末颗粒铺设至成形缸5处，并形成粉末层。
上述泛射电子枪3安装于成形室1的顶部，其能够向成型区域产生泛射电子束，该泛射电子束覆盖成型区域(即成形缸5处)的粉末层。本实施例中，泛射指的是泛射电子束形成的光斑直径很大，其能够覆盖成型区域，而且泛射电子束的加速电压很低，因此其具有的入射电子能量较低。当泛射电子束照射于成型区域时，其对成型区域的粉末层进行低能量轰击，以使粉末层的粉末颗粒逸出较多的电子，进而使得粉末颗粒带有正电荷。
上述聚焦电子枪4同样安装于成形室1内，其能够产生聚焦电子束，该聚焦电子束用于扫描熔化粉末层。该聚焦电子束形成的光斑的直径远小于泛射电子束形成的光斑的直径，而且聚焦电子束的加速电压远大于泛射电子束的加速电压，因此聚焦电子束具有非常高的入射电子能量，进而能够将粉末颗粒熔化。当聚焦电子束照射于成型区域的粉末层上时，如果没有泛射电子束的照射，会使得粉末颗粒带上负电荷，进而造成“吹粉”现象。而本实施例通过泛射电子束，使得粉末颗粒带有正电荷，粉末颗粒带有的正电荷刚好能中和聚焦电子束产生的电子束负电荷，进而使得粉末颗粒不带电，也就不会出现粉末颗粒相互排斥的情况，进而也就不会出现“吹粉”现象。
本实施例中，图2示出了入射电子的加速电压与粉末颗粒逸出的电子对应关系图，其横坐标为入射电子加速电压ε，纵坐标为粉末颗粒被电子轰击后的逸出电子的数量σ。若入射电子的加速电压介于ε1和ε2之间，则粉末颗粒逸出电子的数量大于1；而当入射电子的加速电压大于ε2时，则粉末颗粒逸出电子数量小于1。若逸出电子的数量大于1，则粉末颗粒会带上正电荷；若逸出电子的数量小于1，则粉末颗粒会带上负电荷。因此，选择合适的泛射电子束加速电压，可以使得被轰击的粉末颗粒带正电荷；选择合适的聚焦电子束加速电压，可以使得被轰击的粉末颗粒带负电荷。通过调整泛射电子束以及聚焦电子束的入射电子数量，即电子束电流，可以使得被泛射电子束轰击的粉末颗粒带有正电荷，且带有的正电荷刚好能中和聚焦电子束产生的电子束负电荷。
本实施例中，上述ε1和ε2的值为预先获知的固定值。上述聚焦电子枪4包括第一阴极、第一栅极和第一阳极，其中第一阳极接地，第一阴极加载有第一负电压U1，第一栅极相对于第一阴极为负电压。上述第一栅极的电压可以进行调整，通过调整该第一栅极的电压，也就能够调整聚焦电子束的聚焦电子束电流。本实施例中，上述第一负电压U1的绝对值可以为50KV-100KV，以确保产生的聚焦电子束能够完成对粉末层的扫描熔化。该第一负电压U1的绝对值大于上述加速电压ε2。
可以理解的是，上述聚焦电子枪4还包括有聚焦线圈和偏转线圈，聚焦电子束能够经聚焦线圈聚焦后，控制偏转线圈的电流，即可对该聚焦电子束进行偏转，进而使得聚焦电子束按照需要的路径进行扫描熔化作业。
本实施例中，上述泛射电子枪3包括第二阴极、第二栅极和第二阳极，第二阳极接地，第二阴极加载有第二负电压U2，第二栅极相对于第二阴极为负电压，第二负电压U2的绝对值小于第一负电压U1的绝对值。上述第二栅极的电压可以进行调整，通过调整该第二栅极的电压，也就能够调整泛射电子束的泛射电子束电流。上述第二负电压U2的绝对值可以为0-2KV，以便使得粉末颗粒带有足够中和聚焦电子束产生的电子束负电荷的正电荷。该第二负电压U2的绝对值介于上述的加速电压ε1和ε2之间。
本实施例还提供一种电子束增材制造方法，优选地由上述电子束增材制造装置执行。具体的，如图3所示，该电子束增材制造方法包括：
通过泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对粉末层进行低能量轰击，以使粉末层的粉末颗粒带有正电荷。
即通过泛射电子枪3产生泛射电子束，由泛射电子束轰击在成型区域的粉末层上，使得粉末颗粒带有正电荷。而且需要指出的是，该泛射电子束的泛射电子束电流可以根据聚焦电子束的聚焦电子束电流进行调节。
通过聚焦电子束扫描熔化粉末层，粉末颗粒带有的正电荷能中和聚焦电子束产生的电子束负电荷。
即聚焦电子束带有的电子束负电荷能够和粉末颗粒带有的正电荷相互中和抵消，进而使得粉末颗粒不带电，以达到避免吹粉的目的。
优选地，上述泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对粉末层进行低能量轰击可以与聚焦电子束扫描熔化粉末层同时进行，以便提高增材制造效率。
本发明的上述电子束增材制造装置及方法，通过泛射电子束照射粉末层，使得粉末颗粒带有正电荷，该正电荷刚好能够中和扫描熔化粉末层的聚焦电子束的电子束负电荷，进而使得粉末颗粒不再积累电荷，也就避免了粉末颗粒相互排斥，产生“吹粉”现象。而且本发明无需进行粉末的微烧结即可避免吹粉现象产生，且在增材制造含有复杂的内流道或内腔的零件时，内流道或内腔内的粉末容易流出和去除，而且省略了预热步骤，提高了增材制造的效率。此外，本发明通过泛射电子枪3产生泛射电子束，泛射电子束轰击粉末颗粒，使得粉末颗粒带有正电荷的方式，其成本低，且易于控制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电子束增材制造装置，包括成形室(1)和位于成形室(1)内的铺粉平台(2)，其特征在于，所述电子束增材制造装置还包括：
泛射电子枪(3)，设置于所述成形室(1)内，用于产生泛射电子束，所述泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对所述粉末层进行低能量轰击，以使所述粉末层的粉末颗粒带有正电荷；
聚焦电子枪(4)，设置于所述成形室(1)内，用于产生聚焦电子束，所述聚焦电子束扫描熔化所述粉末层，所述粉末颗粒带有的正电荷能中和所述聚焦电子束产生的电子束负电荷，所述聚焦电子束的加速电压大于所述泛射电子束的加速电压。
2.根据权利要求1所述的电子束增材制造装置，其特征在于，所述泛射电子束形成的光斑直径大于所述聚焦电子束形成的光斑直径。
3.根据权利要求1所述的电子束增材制造装置，其特征在于，所述聚焦电子枪(4)包括第一阴极、第一栅极和第一阳极，所述第一阳极接地，所述第一阴极加载有第一负电压，所述第一栅极相对于所述第一阴极为负电压。
4.根据权利要求3所述的电子束增材制造装置，其特征在于，所述泛射电子枪(3)包括第二阴极、第二栅极和第二阳极，所述第二阳极接地，所述第二阴极加载有第二负电压，所述第二栅极相对于所述第二阴极为负电压，所述第二负电压的绝对值小于所述第一负电压的绝对值。
5.根据权利要求4所述的电子束增材制造装置，其特征在于，所述第一负电压的绝对值为50KV-100KV，所述第二负电压的绝对值为0-2KV。
6.一种电子束增材制造方法，其特征在于，包括：
通过泛射电子束覆盖成型区域的粉末层，并对所述粉末层进行低能量轰击，以使所述粉末层的粉末颗粒带有正电荷；
通过聚焦电子束扫描熔化所述粉末层，所述粉末颗粒带有的正电荷能中和所述聚焦电子束产生的电子束负电荷，所述聚焦电子束的加速电压大于所述泛射电子束的加速电压。
7.根据权利要求6所述的电子束增材制造方法，其特征在于，获取所述聚焦电子束的聚焦电子束电流，并根据所述聚焦电子束电流调整所述泛射电子束的泛射电子束电流，以使得所述粉末颗粒带有的正电荷能中和所述聚焦电子束产生的电子束负电荷。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201120 |