CN112317746A - 一种基于随动粉缸的ebsm设备的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于随动粉缸的EBSM设备的成型方法。以解决传统EBSM设备存在的不能满足大构件的制作要求及加工效率低的技术问题。包括确定扫描路径与参数；控制工作台到达打印位置，把粉定量送给铺粉压实组件，将粉铺匀压实到工作台的基板上；工作台匀速旋转并下降；控制工作台每转一周过程中，工作台按指令在工作台支撑驱动装置作用下逐渐降低至少j个层厚的高度；j为大于等于2的正整数；工作台转到首次经过的打印扫描区时，控制系统打开所有的打印组件，控制打印组件按照确定的扫描路径进行扫描，熔化打印模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成待成型工件截面及随动粉缸截面；打印完成后，工作台及其上的随动粉缸，移出真空打印室。

Description

一种基于随动粉缸的EBSM设备的成型方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于随动粉缸的EBSM设备的成型方法。

背景技术

电子束选区熔化(EBSM)金属增材制造技术采用电子束作为能量源，在高真空环境下通过逐层熔化金属粉末的方式制造实体部件。由于电子束的功率高、材料对电子束能量吸收率高，其制件致密度高、氧含量少、热应力低、不易变形开裂、打印效率高、材料利用率等特点，在医疗、航空航天等领域应用广泛。其的工艺过程为：先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。

如图1所示，EBSM设备一般由电子枪01、成型室02、送粉系统、铺粉系统07、真空系统、冷却系统、电控系统等部分组成。送粉系统(有些设备没用该系统，只是有个储粉仓)负责把金属粉末送给铺粉系统。铺粉系统把粉末铺到粉缸上的成型面03上，铺匀刮平。电子枪产生高能量按指令局部熔化金属粉末，形成工件04的截面。真空系统负责成型室02抽真空，使电子束能正常工作(在真空中电子能量才不回衰减)。冷却系统保护各传动部件等不超过正常使用温度。传统EBSM设备中的粉缸05是一个固定构件，可称之为固定粉缸。如图1所示，粉缸多数为矩形与圆形，矩形粉缸适用水平铺粉与水平扫描，圆形粉缸适用于螺旋铺粉与螺旋打印。工作台06在固定粉缸内可升降。打印时，工作台06逐层下降，在工作台06上逐层铺粉，逐层打印，打印始终在粉缸最上层打印面进行。打印完成时，整个工件及剩余粉末完全沉降于固定粉缸中。最后，需使粉床上升到高于固定粉缸上面，然后再通过移出机构将工件及粉末水平移出。该设备的成型室02高度都要大于工件2倍，因为工件打印完成后要上升工作台06使工件高出固定粉缸，以便通过移出机构移出成型室02。

该设备存在以下问题：

1)不能满足大构件的制作要求。因为大型件需要的成型室(真空打印室)更大，设备造价更高，抽真空时间更长，真空系统庞大，移出机构庞大。

2)效率也是难题之一。该设备铺粉压实装置51水平移动一个往复停在左边后，才进行打印，铺粉和打印是分头断续进行的，浪费时间。

3)该设备粉缸为固定的，粉床在缸内可升降。打印面在粉缸顶面，打印完一层，粉床下降一层距离。全部打完时，粉床需升出粉缸再通过移出机构水平移出真空打印室，此时粉末及件周围没有任何遮挡物，有可能会造成粉末的掉落，污染真空打印室。另外，无论每次生产工件大小，固定粉缸的大小都是不变的，这样，若生产件小，就会浪费粉量、浪费铺粉、压粉时间、打印时间、打印后清砂处理时间。

4)该设备用电子枪对粉末预热，对小件还可满足要求，若对大件就不能满足大范围的预热要求。

现有技术中可采用多电子枪对粉末预热，满足大范围的预热要求，但是也存在着一些问题：各枪之间互相干扰且各枪的扫描区有效衔接的难度大。

同时现有技术中也有通过设置动态粉缸，克服固定粉缸带来的缺陷的装置，但是在该类装置中动态粉缸需要用特殊的独立铺粉、打印组件来完成，使设备结构复杂、成本高。而且动态粉缸的成形组件、激光打印装置、送料铺平组件在三轴方向均可移动，这种方式不仅结构复杂，安装调整困难，还增加了打印精度影响因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单，能满足大范围的预热要求的基于随动粉缸的EBSM设备的成型方法，以解决传统EBSM设备存在的不能满足大构件的制作要求及加工效率低的技术问题。同时本发明EBSM设备中随动粉缸的形成无需独立成型时间，无需专用打印装置，通过合理安排各电子枪同时打印的区域，实现且各枪扫描区的有效衔接，避免互相干扰而影响射束质量。

本发明的技术方案是：

一种基于上述EBSM设备的成型方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、前期准备工作：录入待成型工件三维图；根据待成型工件确定随动粉缸的大小，并将随动粉缸三维图与待成型工件三维图合为一起；然后进行螺旋切片，确定扫描路径与参数；将扫描路径与参数数据处理为各种指令代码和相关参量；设备归零；

S2、将基板放到工作台的台面上，控制系统启动工作台支撑驱动装置，使工作台沿X方向移进真空打印室，到达位置后，准确停车；再使工作台沿Z方向升到上极限位置，此时基板上表面达到打印面标高位置；

S3、控制系统关闭真空打印室的箱门并锁紧，启动真空系统，对真空打印室进行抽真空，直至达到要求真空值；

S4、控制系统启动工作台内的电炉，对基板进行预热，直至达到要求的预热温度；

S5、控制系统调整送粉组件出粉量到需要值后，调整工作台支撑驱动装置，使得工作台在XY平面内旋转的转向、转速及沿Z方向移动速度到需要值；启动工作台内电炉维持基板上粉末温度；送粉组件把粉定量送给铺粉压实组件，铺粉压实组件将粉铺匀压实到工作台的基板上；同时预热，工作台匀速旋转并下降；

S6、工作台转到首次经过的打印扫描区时，控制系统打开所有的打印组件，控制打印组件按照步骤S1确定的扫描路径进行扫描，熔化打印模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成待成型工件截面及随动粉缸截面；

S7、控制工作台从0位转一周过程中，工作台按指令在工作台支撑驱动装置作用下逐渐降低至少j个层厚的高度；

S8、进入工作台第二周旋转下降，同时打印第j+1层、第j+2层……第2j层，继续第三周旋转下降，同时打印第2j+1层，第2j+2层……第3j层，第四周旋转下降同时打印第3j+1层，第3j+2层……第4j层；

S9、工作台继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第4j+1层，第4j+2层……第5j层，第六周旋转下降同时打印第5j+1层，第5j+2层……第6j层，第七周旋转下降同时打印第6j+1层、第6j+2层和第7j层……连续螺旋铺粉打印；

S10、直至完成工件及随动粉缸壁的打印，控制系统关闭送粉组件和工作台支撑驱动装置，关闭工作台电炉，关闭打印组件；

S11、控制系统启动工作台支撑驱动装置，使工作台及其上的随动粉缸，降至最低点；

S12、待真空打印室温度降到室温，控制系统打开真空打印室放气阀，使真空打印室环境恢复大气压力；

S13、控制系统打开真空打印室的箱门；

S14、控制系统控制工作台及其上的随动粉缸，移出真空打印室。

进一步地，上述方法还包括步骤S15和S16：

S15、将随动粉缸及其内的工件和金属粉末一起从工作台上取下并运至清理间；

S16、在清理间，清除粉末回收利用，随动粉缸缸壁处理为粉末回收利用，基板重复使用。

进一步地，步骤S1前期准备工作中：在服务器中录入待成型工件三维图；根据待成型工件确定随动粉缸的大小，并将随动粉缸三维图与成型工件图合为一起；然后进行螺旋切片；确定扫描路径与参数；将扫描路径与参数数据处理为各种指令代码和相关参量，生成打印组件控制程序，下载至工控机中备用；设备归零；

步骤S2中工控机发送开始指令，CNC系统随即开始工作，控制工作台组件在真空打印室外做准备；将基板放到工作台面上，CNC系统控制工作台支撑驱动装置，使工作台沿X方向移进真空打印室，到达位置后，准确停车；再使工作台沿Z方向升到上极限位置，此时基板上表面达到打印面标高位置；

步骤S3中CNC系统和PLC通讯，PLC控制真空打印室1的箱门关闭，并锁紧箱门，随后启动真空系统控制程序，对真空打印室进行抽真空，直至达到要求真空值；

步骤S4中PLC启动工作台内的电炉，对基板进行预热，直至达到要求的预热温度。

步骤S5中PLC调整送粉组件出粉量到需要值后，CNC系统调整工作台支撑驱动装置，使得工作台在XY平面内旋转的转向、转速及沿Z方向移动速度到需要值；送粉组件负责把粉定量送给铺粉压实组件，铺粉压实组件将粉铺匀压实到工作台的基板上；同时预热，工作台匀速旋转并下降；

步骤S6中CNC系统控制工作台转到首次经过的打印扫描区时，工控机监测工作台C轴旋转角度到位后，控制第一组打印装置控制柜、第二组打印装置控制柜……第j组打印装置控制柜，同时打开第一组打印装置，第二组打印装置31……第j组打印装置，控制打印组件按照扫描路径进行扫描，熔化打印模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成待成型工件截面及随动粉缸截面；

步骤S7中工作台从0位转一周过程中，工作台按CNC系统发出的指令在工作台支撑驱动装置作用下逐渐降低至少j个打印层厚的高度；

步骤S9中PLC控制关闭工作台内电炉，工作台继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第4j+1层，第4j+2层……第5j层，第六周旋转下降同时打印第5j+1层，第5j+2层……第6j层，第七周旋转下降同时打印第6j+1层、第6j+2层和第7j层……连续螺旋铺粉打印；

步骤S10中直至完成工件及随动粉缸壁的打印，PLC控制关闭送粉组件和旋转工作台的旋转及升降电机，关闭工作台两侧的电炉，工控机控制关闭打印组件；

步骤S11中CNC系统启动工作台支撑驱动装置，使工作台及其上的随动粉缸，降至最低点；

步骤S12中待真空打印室1温度降到室温，PLC控制打开真空打印室放气阀，使真空打印室环境恢复大气压力；

步骤S13中PLC启动开门电机，打开真空打印室箱门；

步骤S14中CNC系统控制工作台支撑驱动装置，使工作台及其上的随动粉缸，移出真空打印室。

进一步地，步骤S1中进行螺旋切片，确定扫描路径与参数的过程具体包括以下步骤：

步骤Ⅰ、切片参数规划：

沿Z轴方向，将待成型工件与随动粉缸合为一起的三维模型均分为m个螺旋层组；每个螺旋层组的Z向高度对应一个螺距；

每个螺旋层组包括j层螺旋层；每层螺旋层的起始位置不同，各起始位置与铺粉压实装置的位置一一对应；整个工件的高度H_工件＝H*m；

将三维模型在每层螺旋层以C轴和Z轴为参数均匀分成n个扇形区，每个扇形的角度α＝360/n,相邻扇形区的Z值差为H/jn；其中H为螺距；每个扇形区的内外径与工作台的内外径相等；扇形区的面积需满足：每组打印装置的打印扫描区至少覆盖一个扇形区；

将第一螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为1区、2区、3区……n区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为1′区、2′区、3′区……n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为1^{(j -1)′}区、2^(j-1)′区、3^(j-1)′区……n^(j-1)′区；

将第二螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为n+1区、n+2区、n+3区……2n区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为n^(j-1)′+1区、n^(j-1)′+2区、n^(j-1)′+3区……2n^(j-1)′区；

以此类推，将第m螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n+1区、(m-1)n+2区、(m-1)n+3区……mn区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n′+1区、(m-1)n′+2区、(m-1)n′+3区……m′n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n^(j-1)′+1区、(m-1)n^(j-1)′+2区、(m-1)n^(j-1)′+3区……m n^(j-1)′区；

步骤Ⅱ、根据步骤Ⅰ中规划的切片参数对工件进行切片：

按照1区、2区、3区…n区的顺序，分别获得各扇形区对应工件的轮廓；同理按照1′区、2′区、3′区……n′区；以此类推，按照1^(j-1)′区、2^(j-1)′区、3^(j-1)′区……n^(j-1)′区分别获得各扇形区对应工件的轮廓；完成一个螺旋层组切片；

完成一个360度圆周后，依次进入下一个螺旋层组切片，即按区n+1区、n+2区、n+3区……2n区；n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区；以此类推，n^(j-1)′+1区、n^(j-1)′+2区、n^(j-1)′+3区……2n^(j-1)′区；

以此类推，直至结束层；获得所有扇形区对应工件的轮廓；

步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的各扇形区的工件轮廓，对处理得到的工件轮廓进行扫描路径规划，获得扫描路径；按由起始层至结束层的顺序输出G代码；

步骤Ⅳ：根据切片参数，确定工作台的转速、打印顺序、打印扫描区及下粉范围；

确定工作台转速，使其与切片精度匹配；

确定打印顺序：

由第一螺旋层组至第m螺旋层组的顺序进行打印；

在每一螺旋层组内，各螺旋层由打印装置同时进行打印；

确定打印扫描区：

每一螺旋层组内的不同螺旋层分别由不同的打印装置同时打印；

各螺旋层组内的相同序号的螺旋层由同一打印装置打印；

每组打印装置的打印扫描区至少覆盖一个扇形区；

确定下粉范围：

按照扇形区的内外径大小确定下粉范围，控制送粉组件中各驱动组件是否启动运转及按照各种不同的转速运转。

进一步地，步骤Ⅰ切片参数规划还包括：将每个扇形区分为沿径向排布的q个小扇形区，其中q为自然数；每组打印装置包括p个电子枪或激光器，其中p为大于等于2的自然数；

步骤Ⅳ中确定打印扫描区时：

每组打印装置中的每个电子枪或激光器对应x个小扇形区的打印，x为自然数；

确定打印顺序时：

每个扇形区中相间的小扇形区同时进行打印；

步骤Ⅳ中还需确定光斑距离：

每组打印装置中同时进行打印的两个相邻电子枪或激光器的光斑距离大于设定值，避免相互干扰。

进一步地，x＝2，q＝2p，设定值＝100nm。

本发明的有益效果是：

1、能够满足大构件的制作要求及实现高效打印；

本发明利用工作台支撑驱动装置配合j个铺粉压实装置、打印装置实现多螺旋铺粉打印。工作台边旋转边下降，j个铺粉、打印同时进行铺粉打印工件和随动粉缸，随动粉缸无独立成型时间，打印效率高。

打印完成后，该工作台(包括成型工件及随动粉缸)由工作台支撑驱动装置驱动移出真空打印室。真空打印室无需留出成型工件移出工作室的上升空间(高度空间)，无需粉末回收缸的空间(水平空间)，节省了设备大小。由于节省了真空打印室1空间，节省抽真空时间，真空系统无需很大。从而设备造价可以大幅降低，同时能够满足大构件的制作要求。

2、打印装置排布合理，射束质量较高；

本发明包括多组打印装置，每组打印装置包括至少两个电子枪或激光器；每组打印装置中的电子枪或激光器沿同一直线排布；每组打印装置在工作台环形台面的同一半径区形成打印扫描区，各组打印装置的打印扫描区沿同一圆周均布；通过上述排布及合理的打印顺序，使得各电子枪或激光器同时打印的区域实现有效衔接，减小热变形，减少相邻电子枪之间的互相干扰。

3、污染小，浪费少；

本发明使用随动粉缸，可减少真空打印室污染：打印及打完拉出工作室过程中，粉末都被随动粉缸紧紧包围，保证粉末不会散落到工作室，造成真空打印室1污染。“随动粉缸”的大小根据每次打印件的大小确定，仅比工件大一点，不会浪费粉末。

4、控制系统可实现多个打印装置的有序协同控制；

本发明控制系统由CNC、PLC、工控机、服务器组成，能够解决现有大尺寸复杂件成型电子枪控制器无法进行3轴以上控制系统协同控制的问题，实现多组打印装置的协同工作，通过CNC系统，确保该设备各轴的运转精度和稳定性；通过PLC，确保该设备温控系统、真空系统和加热系统等系统的时序统一。

5、本发明控制系统能够使用服务器云端计算的方式对成型工件的打印路径进行规划，不占用整个设备加工时间内的计算资源开销，能有效降低设备成本；该控制系统使用的服务器云端打印程序计算方式，可被多台大尺寸复杂件电子束金属增材制造(EBSM)设备共享，可充分利用计算资源，并实现信息共享和数据库的建立。

6、螺旋切片简单易行，可实现高效生产；

本发明采用螺旋阶梯型切片方式，将随动粉缸三维图与待成型工件合为一起的三维图在XOY面以C轴和Z轴为参数均匀分成n个扇形区，每个扇形的角度α＝360/n，相邻扇形区的Z值差为h；解决打印面(也是铺粉面)不垂直于Z轴，现有切片软件无法切片的问题。该螺旋切片方法配合连续不断的多螺旋铺粉、多螺旋打印，可实现高效生产。

7、本发明方法的每个切片区域形状为扇形，扇形内外径根据每次打印工件的大小决定，扇形的夹角α由打印工件所需的精度及设备运转参数决定。该方法把连续的螺旋面(与XOY面有夹角-螺旋升角)打印简化为水平面打印。每次的水平打印区为一扇形区，每个扇形区域的高度差为H/jn(H为螺距，n为每一周的扇形区数量，n＝360/α)。在每个水平扇形区打印面内，又分为沿径向排列的多个小扇形区，控制径向排列的不同电子枪对其对应的区域进行精确有序的分区扫描成形。为避免同时工作的相邻电子束光斑距离太近会互相干扰而影响束流品质问题，控制两相邻电子枪同时打印光斑位置必须大于设定值，可实现相邻两电子枪的打印范围实现无缝衔接，使打印区的局部质量和整体质量得到保证。

附图说明

图1为现有技术中的EBSM设备结构示意图；

图中附图标记为：01-电子枪，02-成型室，03-成型面，04-工件，05-粉缸，06-工作台，07-铺粉系统；

图2为本发明实施例EBSM设备结构示意图；

图3为本发明实施例EBSM设备中工作台组件结构示意图；

图4为本发明实施例EBSM设备中工作台组件结构示意图，且工作台在上极限位置；

图5为打印过程中EBSM设备与打印工件及粉缸的结构示意图；

图6为图5的局部放大图；

图7为送粉组件示意图；

图8为图7的A-A剖视图；

图9为送粉组件中出粉通道的结构示意图；

图10为送粉组件中粉轮组件的结构示意图；

图11a为随动粉缸、打印工件、铺粉压实装置、打印扫描区与工作台的相对位置关系图；打印工件为大型复杂环形件；

图11b为图11a的俯视示意图；

图12a为随动粉缸、打印工件、铺粉压实装置、打印扫描区与工作台的相对位置关系图；打印工件为复杂环形件；

图12b为随动粉缸、打印工件、铺粉压实装置、打印扫描区与工作台的相对位置关系图；打印工件为同种或不同种多个复杂件；

图13为铺粉压实装置的结构示意图；

图14为图13的A-A剖视图；

图15为图14的局部放大图；

图16为软刮板的结构示意图；

图17a为消磁导电线的安装示意图；

图17b为预热单元的结构示意图；

图18a为打印工件结构示意图；

图18b为随动粉缸结构示意图；

图19为打印过程中随动粉缸呈双螺旋增长示意图；

图20为工作台在真空打印室箱体外最下极限位结构示意图；

图21a为工作台旋转一周时，单套铺粉压实装置的铺粉示意图；

图21b为图21a的局部放大图；

图22为工作台旋转一周时，双套铺粉压实装置的铺粉示意图；

图23工作台旋转一周时，三套铺粉压实装置实现3螺旋打印的铺粉及电子枪位置示意图；

图24每个扇形区的分区示意图(每组打印装置包括2个电子枪时)；

图25每个扇形区的分区示意图(每组打印装置包括3个电子枪时)；

图26包括两组打印装置，每组打印装置包括两个电子枪的排布示意图；

图27控制系统组成部分。

图中附图标记为：

1-真空打印室，2-工作台组件，3-打印组件，4-送粉组件，5-铺粉压实组件，6-真空系统；

11-箱体，12-箱门；

15-预热单元，151-顶部保温板，152-保温箱体，154-保温层，155-隔热屏，156-气氛通道，157-电子束或激光束通道，158-落粉通道，16-减磁单元，161-消磁导电线；

21-工作台，22-工作台支撑驱动装置，221-立柱，222-滑台；

31-打印装置，311-电子枪或激光器，32-打印扫描区，33-电子束；

41-送粉壳体，411-送粉腔，412-入粉口，413-出粉通道，4131-第一通道，4132-第二通道，4133-第三通道，42-粉轮组件，421-传动轴，422-送粉轮，423-防侧漏轮，43-驱动组件；

51-铺粉压实装置；

511-落粉盒，5111-落粉腔，5112-打散板，5113-进粉口，5114-出粉口，512-刮粉组件，5121-软刮板，51211-刮条，51212-刮粉端面，5122-硬刮板，5123-压实板；

7-基板，71-内圆环壁，72-外圆环壁；

8-工件，9-金属粉末。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

如图2，本实施例EBSM设备主要包括：打印组件3、真空打印室1、真空系统6、辅助加热与冷却系统、控制系统、送粉组件4、铺粉压实组件5及工作台组件2等部分。

真空打印室1的作用是提供真空打印环境，满足电子束或激光束的使用要求，其由箱体11及箱门12组成，箱门12由电机驱动沿上滑轨实现推拉开关，并通过气缸锁紧。箱体11及箱门12间进行有效密封，保证抽真空效果。

真空系统6由分子泵、罗茨泵、螺杆泵、阀等部件组成，完成真空打印室1的抽真空任务。

结合图2、图3及图4，工作台组件2包括工作台21与工作台支撑驱动装置22，本实施例中工作台支撑驱动装置22包括立柱221、滑台222等。两个立柱221通过螺栓固定在滑台222上，立柱221上有升降机构，在升降机构的驱动下工作台21可沿立柱221升降。升降机构包括升降电机、丝杠及立柱221上的导轨等部件。滑台222上有水平移动机构，在水平移动机构的驱动下可使工作台21沿水平方向移动，实现工作台21移进、移出真空打印室1。水平移动机构包括设置在滑台222下的滚轮、导轨及丝杠等机构。升降机构与水平移动机构均有直线光栅尺负责测量定位。工作台21的台面为圆环形，外圆直径1500mm，内圆直径350mm。工作台21下有旋转驱动机构，旋转驱动机构包括回转电机及回转轴承和c轴圆环光栅尺等，驱动工作台21旋转。工作台21内有电炉，起到给粉预热的作用。

如图5及图6，打印组件3由多组打印装置31组成，每组打印装置31包括至少两个电子枪或激光器311，电子枪包括阴极、阳极和聚焦扫描系统。打印头位于真空打印室1内。每组打印装置31中的电子枪或激光器311沿同一直线排布；每一组打印装置31在工作台环形台面的同一半径区形成打印扫描区32，各组打印装置31的打印扫描区32沿同一圆周均布。

从图5及图6可以看出，本实施例包括两组打印装置31，每组打印装置31包括两个电子枪，固定在真空打印室1顶部，打印装置31产生电子束33，在工作台21的环形台面上形成打印扫描区32；每一组打印装置31中的两个电子枪沿同一直线排布，在工作台环形台面的同一半径区形成打印扫描区32，两组打印装置31的打印扫描区32位于工作台环形台面的同一直径。每一组打印装置31中的两个电子枪分管环形台面的内圆环区的打印和外圆环区的打印。各电子枪协调工作，避免互相干扰。

送粉组件4置于箱体11外上部，不在真空环境中(区别于现有技术)，使其工作环境好而节省造价。并节省真空打印室1空间。其作用是将粉仓里的粉定量、精确的送入铺粉压实装置51。其由多个电机分别驱动多个送粉轮而实现多处不同量的送粉需求，减少粉的使用，并节省时间。

如图7、图8所示，送粉组件4包括至少j个送粉装置，其数量与铺粉压实装置51的数量相同，每个送粉装置用于将粉送入一个铺粉压实装置51中；每组送粉装置包括送粉壳体41、多组粉轮组件42和多组驱动组件43，为了更加方便的描述送粉装置结构，设定送粉壳体41的长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，高度方向为Z方向，在此设定下，送粉装置的结构如下。送粉壳体41内设置有送粉腔411，顶部设置有至少一个入粉口412，且入粉口412与送粉腔411连通，底部沿X方向设置有多个与送粉腔411连通的出粉通道413，且出粉通道413的数量与粉轮组件42、驱动组件43相同。多组粉轮组件42设置在出粉通道413内，驱动组件43用于驱动粉轮组件42。

如图9所示，出粉通道413可设置为以下结构，其包括由上至下(即沿Z方向)依次连通的第一通道4131、第二通道4132和第三通道4133；第一通道4131为梯形通道，其大端与送粉腔411连通，小端与第二通道4132连通，第二通道4132沿水平方向倾斜设置(即与XY平面倾斜设置)，从XZ平面看，第二通道4132的中心线与第一通道4131的中心线呈一定角度设置，第三通道4133的中心线与第一通道4131的中心线平行。此时，第二通道4132的中心线与第一通道4131的中心线的角度β为100～160度，具体可为145度。第二通道4132内设置有送粉轮，送粉轮相当于控制粉流量的控制阀，送粉轮转过45度把粉末从第一通道4131带到第三通道4133，通过其转动快慢校对过粉量的多少。

如图7和图10所示，本发明粉轮组件42设置在出粉通道413内，包括传动轴421、送粉轮422和两个防侧漏轮423，传动轴21设置在出粉通道413的第二通道132内，其轴线与Y方向平行；送粉轮422和防侧漏轮423套装在传动轴421上，且送粉轮422位于两个防侧漏轮423之间，送粉轮422的多个轮槽沿送粉轮422的周向均布，防侧漏轮423的多个环形轮槽沿防侧漏轮423的轴向布置，且与送粉轮422的轮槽呈90度设置。送粉轮422结构类似齿轮，把粉末通过粉轮上的齿轮槽定量转送下方直通道内，出粉量受送粉轮422转速控制，每个送粉轮422由一台电机单独驱动，电机速度可调可控，从而实现粉量的柔性控制，可实现精确送粉。

如图10所示，本发明在传动轴421上设置了防侧漏轮423，防侧漏轮423布置于送粉轮422两侧，可防止粉末颗粒从轴向侧漏，使送入铺粉装置的送粉量精确可控，从而达到精确控制送粉量的目的。同时，第一通道4131的宽度与送粉轮422的宽度相同，第三通道4133的宽度与送粉轮422、两个防侧漏轮423的轮槽宽度之和相同，即粉轮腔上部的壳体内腔宽度与送粉轮422宽度相同，粉轮腔下部的内腔宽度包含住所有侧漏槽，使侧漏的粉颗粒有疏导空间，防止粉颗粒挤到侧缝隙里使机构卡住。

如图7所示，驱动组件43设置在送粉壳体41外部，其输出端与传动轴421连接，用于驱动传动轴421转动。为了节省安装空间，使送粉装置结构紧凑，可将多组驱动组件43交错设置在送粉壳体41的两侧。此时，粉轮组件42具体通过以下结构设置在送粉壳体41上，驱动装置采用伺服电机431，传动轴421通过联轴器432与伺服电机431的驱动轴连接，且传动轴421通过轴承组件设置在送粉壳体41上。轴承组件包括主要由轴承、隔套、轴承座、端盖、密封圈等件组成，保证驱动电机与传动轴421的动力传输。由于粉末在径向方向的落粉量不同，而每一段的落粉量由伺服电机431的旋转速度确定，因此在打印过程中，分别控制每个伺服电机431的转速，这样保证打印较小的零件时，直径大处的送粉电机可被控制为停转，外圆处停止送粉，粉末铺展的直接沿径向缩小，避免粉末浪费。

在本实施例中，送粉壳体41顶部设置有两个入粉口412，底部设置有10个出粉通道413，壳体内腔上部空间较大，有利于粉末流畅进入，充分接收存放两个入粉口412进入的粉。出粉通道413的粉轮腔(即第二通道4132)内安装粉轮组件42，粉轮腔下方为直通出口。送粉轮422与粉轮腔的间隙是特定的，即送粉轮422与第二通道4132的间隙为粉末颗粒的最大尺寸，以满足粉颗粒大小即不会卡阻又能顺利通过的要求。

铺粉压实组件5包括j个铺粉压实装置51，固定在真空打印室1顶部，铺粉头位于真空打印室1内且置于工作台21正上方；每个铺粉压实装置51在工作台环形台面的投影位于工作台环形台面的不同半径区，各个铺粉压实装置51在工作台环形台面的投影沿同一圆周均布，用于使粉以螺旋方式连续铺展并刮平压实到工作台21上；各个铺粉压实装置51在工作台环形台面的投影与各组打印装置31的打印扫描区32之间有夹角，可在工作台21的台面间隔均布。

从图5及图6可以看出，本实施例铺粉压实组件5包括两个铺粉压实装置51，固定在真空打印室1顶部，铺粉头位于真空打印室1内且置于工作台21正上方；每个铺粉压实装置51在工作台环形台面的投影位于工作台环形台面的不同半径区，两个铺粉压实装置51在工作台环形台面的投影位于工作台环形台面的同一直径，且与各组打印装置31的打印扫描区32相互垂直；用于使粉以螺旋方式连续铺展并刮平压实到工作台21上。

从图11a、图11b、图12a与图12b也可以看出，本实施例铺粉压实装置51、打印扫描区32与工作台21(因基板7置于工作台台面上，因此可将基板的位置理解为工作台台面的位置)的相对位置。两个铺粉压实装置51位于旋转工作台21上方，其在工作台台面的投影分列于一直径(x轴)的两半径上，并与x轴有一定离t，距离位置与工作台21旋转方向的关系见图11a、图11b、图12a与图12b。两个打印扫描区32位于与铺粉压实装置51投影垂直的半径(y轴)上，以中心对称布置。

如图13及图14，铺粉压实装置51包括落粉盒511和刮粉组件512，刮粉组件512为多组，均通过螺栓固定在落粉盒511底部；设定落粉盒511的长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，高度方向为Z方向；落粉盒511内设置有多个沿X方向排布的落粉腔5111，每个落粉腔5111内设置有多个打散板5112，用于将落入落粉腔5111内的粉末打散；落粉盒511的顶部设置有与落粉腔5111连通的多个进粉口5113，底部设置有与落粉腔5111连通，且沿x方向排成一排的出粉口5114；每个进粉口5113分别与送粉装置中的一个出粉通道413连通，承接其送来的金属粉末，精准量的金属粉末从进粉口5113下落，通过各打散板5112的撞击而变得分散均匀，然后从出粉口均匀落出到环形工作台上。

在本实施例中，打散板5112设置在落粉盒511沿Y方向相对的前侧板和后侧板上，且设置前侧板上的多个打散板5112和设置在后侧板上的多个打散板5112在X方向和Z方向均错开布置，从而对落入的粉末实现无死角打散，使金属粉末散落均匀。打散板5112具体可为三角形平板，此时，三角形平板的斜侧边用于将落入落粉腔5111内的粉末打散。

如图14、图15和图16所示，本发明刮粉组件512包括软刮板5121、硬刮板5122和压实板5123，且出粉口5114、软刮板5121、硬刮板5122和压实板5123沿Y方向依次布置；软刮板5121为梳齿形结构，包括沿X方向设置的多个刮条51211；硬刮板5122的刮粉端面与软刮板5121的刮粉端面51212在Z轴方向等高；压实板5123的压粉端面51231在Z轴方向低于硬刮板5122的刮粉端面，即软刮板5121、硬刮板5122的最低点等高度，硬刮板5122和压实板5123的最低点有高度差，差值即为粉末的压实量。硬刮板5122和压实板5123之间还设置有多个分隔板5124，使得软刮板5121、硬刮板5122、压实板5123相互平行并有一定距离。

如图14所示，软刮板5121的结构类似板型梳子，板厚0.1mm，梳齿宽0.85mm，梳齿间距0.15mm，对粉末有预推均匀的作用，当粉末阻力较大时，个别梳齿会弯曲释放压力，然后回弹为原状，不会对软刮板5121本身造成破坏。软刮板5121预刮后，硬刮板5122的受力相对减小，硬刮板5122作用是推匀粉末。压实板5123在x轴上(即圆环半径上)只起到压实粉末的作用，而不起推粉作用，压实板5123的压粉端面51231可设置为弧形面，弧形面的设计使其有一定的压入角，并且压入角平滑过渡。弧形面的尺寸要保证其强度外，要使最高点与最低点的固定差大于粉末颗粒直径，保证不把颗粒刮出。

送粉组件4、铺粉压实组件5及打印组件3都安装固定于真空打印室1箱体11，在安装时一次调整好，工作过程中不再移动，可避免现有技术移动式送、铺粉压实装置51、及打印装置31带来的各种累计误差。

辅助加热系统负责对粉床进行初始预热，解决大尺寸件电子束33无法快速预热的难题，并在打印过程中进行补温，减少热应力，提高打印质量。其包括的保温装置能保证工作区的热量不散失。冷却系统负责对精密零部件进行冷却，而不受热区热量影响。负责箱体11的降温而使其不变形，从而保证安装在箱体11上的送粉装置、铺粉压实装置51、打印装置31等的工作精度。

如图17a与17b，辅助加热与冷却系统包括预热单元15、减磁单元16和水冷单元；减磁单元16至少为一组，每组减磁单元16包括两根相对设置在真空打印室1内的消磁导电线161，用于削弱打印区域的磁场强度；预热单元15包括顶部保温板151、保温箱体152和加热装置；保温箱体152设置在真空打印室1内，其内部设置有保温层154，顶部设置有至少两个气氛通道156，用于外部气氛气体的流入和流出；顶部保温板151设置在保温箱体152的上方，与保温箱体152形成保温腔体，同时顶部保温板151上设置有能够使电子束或激光束通过的电子束或激光束通道157和落粉通道158；打印中，工作台21位于保温腔体内；加热装置沿Y方向设置在保温腔体内，用于给打印区域进行加热；水冷单元沿X方向设置在保温箱体152的侧壁上，用于对保温箱体152进行冷却。

控制系统负责各部件之间的协调运动控制。协调打印装置31和工作台21之间的运动时序，调度真空打印室1、送粉组件4、铺粉压实组件5、真空系统6和冷却系统的控制时序，使各个工序可靠有序进行。

本发明中随动粉缸不是该设备的一个固定构件，而是在工件打印过程中随工件一起被打印出来逐渐形成于基板7上。可参见图5及图6。打印中，负责把金属粉末固定在粉床上，使粉末在打印工件8时不散落，更致密。打印完，通过该随动粉缸把金属粉末9及成型的工件8移出真空打印室1到清理间。下次进行打印时，又随新的工件一起打印出新的随动粉缸。该设备的真空打印室1无需留出成型工件移出工作室的上升空间(高度空间)，无需粉末回收缸的空间(水平空间)，节省了设备大小。由于节省了真空打印室1空间，节省抽真空时间，真空系统6无需很大。从而设备造价可以大幅降低。打印完直接拉出而节省工件升出固定粉缸时间，随动粉缸随工件一起成形，不占用任何时间。粉缸大小根据每次3D打印的工件的大小确定，仅比工件大一点，可节省用铺粉、打印时间，提高工作效率。

本实施例中打印完成后随动粉缸的形状为圆环柱，可参见图5、图6、图11a、图11b、图12a与图12b。尺寸：350≤D1≤工件的最小内径(350是圆环工作台内径)，工件的最大外径≤D2≤1500，0≤H≤1500。随动粉缸尺寸不固定，与所需成形零件的大小尺寸相匹配，高度同工件等高，可参见图18a与图18b。

结合图5、图6、图11a、图11b图12a及图12b，基板7的厚度t1等于30mm，可重复使用，内圆环壁71，外圆环壁72，壁厚均为t2等于0.1mm。图中附图标记51为铺粉压实装置、附图标记32为电子束扫描区、附图标记8为打印的工件、附图标记9为金属粉末；A面为铺粉、打印面，标高固定；B面为工作台台面，标高随工作台21上下升降而变动。在随动粉缸的内圆环壁71、外圆环壁72处有修形器，对刚打印出的内、外圆环壁72处进行修形，防止其向粉末内倾斜(由于打印后的固态收缩原因)，使其一直保持垂直增长。不会影响工件8。

本实施例中，因采用两组打印装置31及两组铺粉压实装置51，因此随动粉缸的壁为双层螺旋增长成型，见图19，内圆环壁71和外圆环壁72随工件8一同生成。螺距为每层铺粉厚Z1＝0.1mm的2倍。

本发明提出让铺粉和打印同时连续进行这一提高工作效率的方案，采用同时打印工件8及随动粉缸，可解决连续高效成形的技术难题，提高工作效率。该粉缸在工件打印完成后，随工作台21上工件一起沿水平方向移出真空打印室1，可降低打印室高度，有效的减小了设备的体积；可实现大尺寸工件的打印。

由于铺粉压实装置51、打印装置31均固定于真空打印室1箱体11的上端，而工作台21旋转并下降，使铺粉以圆环半径沿螺旋扫略方式连续铺展到工作台21上。铺粉压实装置51沿径向分10个落粉腔，分别由送粉系统的10个电机驱动的送粉轮控制送粉量，使其送粉量由中心向外粉量渐多。若打印件小，也可控制个别电机停转而停止送粉，极大的节约了粉末的用量。

工件和粉缸由同一铺粉、打印装置完成，解决了现有技术中用不同装置完成而使结构复杂、浪费空间的问题，使打印变得简单易行。

在铺粉区，由铺粉压实装置51向工作台21上的粉缸上落粉并刮平压实。铺好压实的粉转到打印区时，在大功率电子束33(最大功率达3KW)的扫描下，电子束33熔化模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成零件截面，同时形成随动粉缸截面。这样，工作台21旋转并下降，粉末沿环形螺旋铺展、沿环形螺旋打印。设置多套铺展、打印装置31，可提高工作效率。铺粉压实装置51和打印装置31高度是不变的，打印好的工件和随动粉缸随工作台21逐渐下降。

具体成型方法包括以下步骤：

1、前期准备工作：待成型工件三维图录入、分析、处理、工艺优化等；再确定随动粉缸大小，即确定了适应性内外径，并录入其三维图与待成型工件图合为一起；然后进行螺旋切片，确定扫描路径与参数(包括打印区域、顺序、速度、范围、光斑大小、能量高低等)；将扫描路径与参数相关数据处理为各种指令代码，设备归零。

螺旋切片包括如下步骤：

步骤Ⅰ、切片参数规划：

沿Z轴方向，将待成型工件与随动粉缸合为一起的三维模型均分为m个螺旋层组；每个螺旋层组的Z向高度对应一个螺距；

参见图21a、图21b、图22及图23，每个螺旋层组包括j层螺旋层；每层螺旋层的起始位置不同，各起始位置与铺粉压实装置51的位置一一对应；整个工件的高度H_工件＝H*m；

将三维模型在每层螺旋层以C轴和Z轴为参数均匀分成n个扇形区，每个扇形的角度α＝360/n,相邻扇形区的Z值差为H/jn；其中H为螺距；每个扇形区的内外径与适应性内外径相等；扇形区的面积需满足：每组打印单元的打印扫描区32至少覆盖一个扇形区；各扇形区用C轴参数(取值在0°～360°之间)和Z轴参数(取值在0～H*m之间)表示。

将第一螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为1区、2区、3区……n区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为1′区、2′区、3′区……n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为1^{(j -1)′}区、2^(j-1)′区、3^(j-1)′区……n^(j-1)′区；

将第二螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为n+1区、n+2区、n+3区……2n区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为n^(j-1)′+1区、n^(j-1)′+2区、n^(j-1)′+3区……2n^(j-1)′区；

以此类推，将第m螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n+1区、(m-1)n+2区、(m-1)n+3区……mn区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n′+1区、(m-1)n′+2区、(m-1)n′+3区……m′n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n^(j-1)′+1区、(m-1)n^(j-1)′+2区、(m-1)n^(j-1)′+3区……m n^(j-1)′区；

步骤Ⅱ、根据步骤Ⅰ中规划的切片参数对工件进行切片：

按照1区、2区、3区…n区的顺序，分别获得各扇形区对应工件的轮廓；同理按照1′区、2′区、3′区……n′区；以此类推，按照1^(j-1)′区、2^(j-1)′区、3^(j-1)′区……n^(j-1)′区分别获得各扇形区对应工件的轮廓；完成一个螺旋层组切片；

完成一个360度圆周后，依次进入下一个螺旋层组切片，即按区n+1区、n+2区、n+3区……2n区；n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区；以此类推，n^(j-1)′+1区、n^(j-1)′+2区、n^(j-1)′+3区……2n^(j-1)′区；

以此类推，直至结束层；获得所有扇形区对应工件的轮廓；

步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的各区的工件轮廓，对处理得到的工件轮廓进行扫描路径规划，获得扫描路径；按由起始层至结束层的顺序输出G代码；针对每一螺旋层输出G代码的顺序具体如下：[1]区1层；[2]区2层；[3]区3层…打印结束层。

步骤Ⅳ：根据切片参数，确定包括工作台21转速、打印顺序、打印扫描区32域、光斑距离、下粉范围、能量高低等参数，确保需要的打印精度；

确定工作台21转速，使其与切片精度匹配；

确定打印顺序：

由第一螺旋层组至第m螺旋层组的顺序进行打印；

在每一螺旋层组内，各螺旋层由各组打印装置31同时进行打印；

确定打印扫描区32：

每一螺旋层组内的不同螺旋层分别由不同的打印装置31同时打印；

各螺旋层组内的相同序号的螺旋层由同一打印装置31打印；

每组打印装置31的打印扫描区32至少覆盖一个扇形区；

确定下粉范围：

按照适应性内外径大小确定下粉范围，从而控制各下粉电机哪个需要运转。

采用该技术方案后，n值越大，相邻扇形区的Z值相差越小，每一螺旋层上面越接近连续光滑的螺旋面，即n→∞时，h→0，各区上面无缝拼接为光滑的螺旋面。

本发明螺旋切片是把每一层螺旋面简化为一个一个连续衔接、有一定高度差的垂直于Z轴的n个扇形面，见图21a、图21b和图22。整个工件的高度H工件＝H*m。n值根据工件表面精度的需求进行设置，还要考虑打印速度的需求和设备性能进行设置。各区用C轴参数(取值在0°～360m°之间)和Z轴参数(取值在0～H*m之间)表示。

双螺旋打印时，各相邻扇形区在Z轴方向高度差为h＝H/2n(H为螺距，H/2为打印层厚度)见图22。

本实施例包括两组打印装置31，每组打印装置31包括两个电子枪，为了便于描述，将两组打印装置31分别定义为A组打印装置与B组打印装置；A组打印装置中的两个电子枪定义为A1电子枪和A2电子枪；B组打印装置中的两个电子枪定义为B1电子枪和B2电子枪。

A组打印装置中A1电子枪和A2电子枪按区1区、2区、3区……n区(第一周)，n+1区、n+2区、n+3区……2n区(第二周)，……(m-1)n+1区、(m-1)n+2区、(m-1)n+3区……mn区的顺序进行打印；

B组打印装置中B1电子枪和B2电子枪按区1′区、2′区、3′区……n′区’(第一周)，n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区(第二周)……(m-1)n′+1区、(m-1)n′+2区、(m-1)n′+3区……m′n′区的顺序进行打印。A组打印装置和B组打印装置同时打印。

若是3螺旋打印，每一螺旋层的打印厚度为H/3，H为螺距，见图23。工作台21按图示中的旋转方向旋转，在一个螺旋层组内包括3个螺旋层，每一螺旋层分n个扇形区，各相邻扇形区在Z轴方向高度差为h＝H/3n。n、n′、n″处上方分别固定三套铺粉压实装置51，在图示A、B、C处上方分别为A、B、C三个电子枪组(打印装置)形成这三处打印区。每组打印装置中的电子枪数由圆环大小确定，保证每个电子枪的扫描范围的区域最大尺寸不超过200mm(这里为正方形边长)。A电子枪组按区1区、2区、3区……n区(第一周)，n+1区、n+2区、n+3区……2n区(第二周)，2n+1区，2n+2区，2n+3区……nm区的顺序进行打印；B电子枪组按区1′区、2′区、3′区……n′区(第一周)，n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区(第二周)的顺序进行打印；C电子枪组按区1″、区2″、区3″……n″(第一周)，区n″+1……区n″m″(第二周)的顺序进行打印。

螺旋切片时还可以将每个扇形区又分为沿径向排布的q个小扇形区，其中q为自然数。如可以分为沿径向排布的4个小扇形区，每组打印装置31包括两个电子枪的情况下，如图24，即每个电子枪负责相邻两个小扇形区的打印。也可以分为沿径向排布的6个小扇形区，每组打印装置31包括3个电子枪的情况下，如图25，每个电子枪负责相邻两个小扇形区的打印。小扇形区的数量及电子枪的数量可根据实际需要进行选择。

为避免同时工作的相邻电子束33光斑距离太近会互相干扰而影响束流品质问题，控制同时打印的两相邻电子枪光斑之间的间距必须大于100mm。

如图24，每个扇形打印区分为4个小扇形区，分别为a、b、c、d区。a、b区属于A1(或B1)电子枪的打印扫描区，c、d区属于A2(或B2)电子枪的打印扫描区。图24中尺寸x＝144mm，非固定值，只要大于等于100mm即可。

为了保证束流品质，要使A1、A2两电子枪同时打印的区域不能相接且距离大于100mm，按此原则可同时打印的区域如下：

a和c；

a和d；

b和d。

若每组打印装置31包括3个电子枪，分别为A1、A2、A3，见图25，a、b区属于A1电子枪打印扫描区域，c、d区属于A2电子枪打印扫描区域，e，f区属于A3电子枪打印扫描区域。图25中尺寸x＝100mm，非固定值，只要大于等于100mm即可。此种情况下，按上述原则，安排可以同时打印的区域如下：

a、c和e；

a、c和f；

b、d和f；

a、d和f。

以此类推，每组打印装置31排布的多电子枪都可以按同时打印的相邻光斑大于100mm的原则进行分区切片打印。

这样，在进行螺旋切片的时候注意兼顾以上原则，然后控制各电子枪的打印区域和顺序，就可有效提高各电子束流品质，提高打印质量。

2、工作台21在真空打印室1的箱体11外最下极限位(见图20)做准备，将基板7放到工作台21面上，启动滑台222上的水平移动机构，使工作台21水平移进真空打印室1，到达位置后，由限位控制准确停车。

3、启动立柱221上的升降机构，使工作台21升到上极限位置(见图2位置)，此时基板7上表面达到打印面标高位置(由限位控制)。

4、关闭真空打印室1箱门12，启动真空系统6，对真空打印室1进行抽真空，达到要求真空值。

5、启动工作台21内的电炉，对基板7进行预热，达到要求的预热温度。

6、调整自动送粉组件4各电机的转速到需要值后，调整工作台21的回转电机及升降电机的转向、转速到需要值；启动自动送粉组件4各电机和回转电机及升降电机，并启动工作台21两侧的电炉以维持基板7上粉末温度。自动送粉组件4负责把粉定量送给铺粉压实组件5(位于x轴)，铺粉压实组件5将粉铺匀压实到工作台21的基板7上；同时预热，工作台21匀速旋转并下降；

7、工作台21转到首次到达打印扫描区32时，打开所有的电子枪或激光器311(最大功率达3KW)，按照扫描路径进行扫描，熔化模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成工件截面及随动粉缸截面；

注：本实施例两套铺粉压实装置51和打印装置31是同时进行6和7步骤工作的；当包括j套铺粉压实装置51和打印装置31时，j套铺粉压实装置51和打印装置31也是同时进行6和7步骤工作的，其中j为大于等于2的正整数。

8、工作台21从0位转一周过程中，工作台21按指令在升降机构作用下逐渐降低2个层厚的高度。因为是双螺旋铺粉打印，工作台21转一周可以打印2层，若包括j套铺粉压实装置51和打印装置31时，实现j层螺旋铺粉打印，工作台21转一周可以打印j层，打印层数与铺粉压实装置51的数量一致。

9、进入工作台21第二周旋转下降，同时打印第三层和第四层……，继续第三周旋转下降同时打印第五层和第六层、第四周旋转下降同时打印第七层和第八层。

同理，若包括j套铺粉压实装置51和打印装置31时，进入工作台21第二周旋转下降，打印第j+1层、第j+2层……第2j层，继续第三周旋转下降，同时打印第2j+1层，第2j+2层……第3j层，第四周旋转下降同时打印第3j+1层，第3j+2层……第4j层；

10、关闭工作台21内电炉，工作台21继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第九层和第十层，第六周旋转下降同时打印第十一层和第十二层，第七周旋转下降同时打印第十三层和第十四层…连续螺旋铺粉打印(此时粉末预热只由工作台21两侧的电炉进行)。

若包括j套铺粉压实装置51和打印装置31时，工作台21继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第4j+1层，第4j+2层……第5j层，第六周旋转下降同时打印第5j+1层，第5j+2层……第6j层，第七周旋转下降同时打印第6j+1层、第6j+2层和第7j层。

11、直至完成工件及随动粉缸壁的打印，关闭自动送粉组件4和旋转电机及升降电机，关闭工作台21两侧的电炉，关闭电子枪。

12、启动工作台21升降电机，使工作台21及其上的随动粉缸，降至最低点。

13、待真空打印室1温度降到室温，打开真空打印室1放气阀，使真空打印室1环境恢复大气压力。

13、启动开门电机，打开箱门12。

14、启动滑台222水平移动电机，使工作台21及其上的随动粉缸，水平移出工作室。

15、用专用工具把随动粉缸及其内的件和金属粉末9一起从工作台21上取下并运至清理间；

16、在清理间，清除粉末回收利用，缸壁处理为粉末回收利用，基板7重复使用。

实施例二

本实施例EBSM设备与实施例一相同，控制系统如图27所示，主要控制部分由CNC系统、PLC、工控机、服务器和电子枪控制柜组成。CNC系统对工作台21的旋转驱动机构、升降机构及水平移动机构的各电机轴进行伺服控制，对动态修粉器的各轴进行伺服控制，为3轴双龙门联动插补运动控制。PLC对铺粉压实组件5、动态修型器、真空系统6、送粉组件4、电炉、气动部分和真空打印室1开关门进行控制，通过通讯总线和CNC系统进行数据传递和指令交互。工控机通过光栅尺读取板卡对工作台21C轴圆光栅进行数据采样和分析，获取C轴确切位置后，和现有正运行程序段进行对比，实施实时矫正工作；与此同时，执行电子枪控制程序。工控机将控制代码通过网口发送至电子枪控制柜，进行多电子枪的协同控制以及与工作台21转动位置的实时匹配。服务器对要成型工件进行路径规划，将工艺参数融合至控制代码，生成电子枪信号发生程序段、打印特征属性识别程序段、校准参数表以及其他可扩充的用户自定义可扩展程序段。校准参数表是电子枪每个关键点的校准偏差值，指导电子枪的真实打印路径。

该控制系统工作步骤如下：

1、前期准备工作：在服务器中进行工件三维图录入、分析、处理、工艺优化等；再确定粉缸大小，并录入其三维图与工件图合为一起；然后进行螺旋切片；确定工艺路线、参数(包括打印区域、顺序、速度、范围、光斑大小、能量高低等)；将数据处理为各种指令代码和相关参量，下载至工控机中备用；设备归零，各项错误参量清零和重置。

2、工控机发送开始指令，CNC随即开始工作，控制工作台21在箱体11外最下极限位做准备，将基板7放到工作台21面上，启动滑台222水平移动机构，使工作台组件2水平移进真空打印室1，到达位置后，由限位控制准确停车。

3、CNC启动工作台21升降机构，使工作台21升到上极限位置，此时基板7上面达到打印面标高位置(由限位控制)。

4、CNC和PLC通讯，控制设备的箱门12关闭，控制气动系统锁紧箱门12，随后启动PLC真空系统6控制程序，对设备真空室进行抽真空，达到要求真空值。

5、PLC启动工作台21内的电炉，对基板7进行预热，达到要求的预热温度。

6、PLC调整送粉组件各电机的转速到需要值后，调整工作台21的旋转及升降电机的转向、转速到需要值后。同时启动送粉组件和旋转工作台21的旋转及升降电机，并启动工作台21两侧的电炉以维持基板7上粉末温度。送粉组件负责把粉定量送给铺粉压实装置51(位于x轴)，铺粉压实装置51将粉铺匀压实到工作台21的基板7上、同时预热，工作台21匀速旋转并下降；

7、CNC控制工作台21转到1/4圈时(到y轴位置)，工控机监测C轴旋转角度到位后，控制电子枪控制柜，从而打开大功率电子束33(最大功率达3KW)，按照计算机输入的扫描路径进行扫描下，熔化模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成零件截面及随动粉缸截面；

注：两套铺粉压实装置51和电子束33扫描是同时进行6和7步骤工作的。

8、工作台21从0位转一周过程中，工作台21按CNC发出的指令在电动升降机构作用下逐渐降低2个层厚的高度(因为是双螺旋铺粉打印，工作台21转一周可以打印2层)；

9、进入工作台21第二周旋转下降，同时打印第三层和第四层……继续第三周旋转下降同时打印第五层和第六层、第四周旋转下降同时打印第七层和第八层。

10、PLC控制关闭工作台21内电炉，工作台21继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第九层和第十层,第六周旋转下降同时打印第十一层和第十二层,,第七周旋转下降同时打印第十三层和第十四层…连续螺旋铺粉打印，(此时粉末预热只由工作台21两侧的电炉进行)。

11、直至完成工件及随动粉缸壁的打印，PLC控制关闭送粉组件和旋转工作台21的旋转及升降电机，关闭工作台21两侧的电炉，工控机控制关闭电子枪。

12、PLC启动工作台21升降电机，使工作台21及其上的随动粉缸，降至最低点。

13、待真空室温度降到室温，PLC控制打开真空室放气阀，使真空室环境恢复大气压力。

13、PLC启动开门电机，打开箱门12。

14、CNC控制启动滑台222水平移动电机，使工作台21及其上的随动粉缸，水平移出工作室。

本发明突破了电子束33金属增材制造大尺寸复杂零件的尺寸极限，最大打印尺寸可达D1500×d350×1500，尚属国内外首创。适合3d打印大型复杂环形件(图12a中，附图标记8)，以及同时打印同种或不同种多个复杂件(图12b中，附图标记8)。

Claims (6)

1.一种基于随动粉缸的EBSM设备的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、前期准备工作：录入待成型工件三维图；根据待成型工件确定随动粉缸的大小，并将随动粉缸三维图与待成型工件三维图合为一起；然后进行螺旋切片，确定扫描路径与参数；将扫描路径与参数数据处理为各种指令代码和相关参量，设备归零；

S2、将基板放到工作台的台面上，控制系统启动工作台支撑驱动装置，使工作台沿X方向移进真空打印室，到达位置后，准确停车；再使工作台沿Z方向升到上极限位置，此时基板上表面达到打印面标高位置；

S3、控制系统关闭真空打印室的箱门并锁紧，启动真空系统，对真空打印室进行抽真空，直至达到要求真空值；

S4、控制系统启动工作台内的电炉，对基板进行预热，直至达到要求的预热温度；

S5、控制系统调整送粉组件出粉量到需要值后，调整工作台支撑驱动装置，使得工作台在XY平面内旋转的转向、转速及沿Z方向移动速度到需要值；启动工作台内电炉维持基板上粉末温度；送粉组件把粉定量送给铺粉压实组件，铺粉压实组件将粉铺匀压实到工作台的基板上；同时预热，工作台匀速旋转并下降；

S6、工作台转到首次经过的打印扫描区时，控制系统打开所有的打印组件，控制打印组件按照步骤S1确定的扫描路径进行扫描，熔化打印模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成待成型工件截面及随动粉缸截面；

S7、控制工作台从0位转一周过程中，工作台按指令在工作台支撑驱动装置作用下逐渐降低至少j个层厚的高度；j为大于等于2的正整数；

S8、进入工作台第二周旋转下降，同时打印第j+1层、第j+2层……第2j层，继续第三周旋转下降，同时打印第2j+1层，第2j+2层……第3j层，第四周旋转下降同时打印第3j+1层，第3j+2层……第4j层；

S9、工作台继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第4j+1层，第4j+2层……第5j层，第六周旋转下降同时打印第5j+1层，第5j+2层……第6j层，第七周旋转下降同时打印第6j+1层、第6j+2层和第7j层……连续螺旋铺粉打印；

S10、直至完成工件及随动粉缸壁的打印，控制系统关闭送粉组件和工作台支撑驱动装置，关闭工作台电炉，关闭打印组件；

S11、控制系统启动工作台支撑驱动装置，使工作台及其上的随动粉缸，降至最低点；

S12、待真空打印室温度降到室温，控制系统打开真空打印室放气阀，使真空打印室环境恢复大气压力；

S13、控制系统打开真空打印室的箱门；

S14、控制系统控制工作台及其上的随动粉缸，移出真空打印室。

2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，还包括步骤S15和S16：

S15、将随动粉缸及其内的工件和金属粉末一起从工作台上取下并运至清理间；

S16、在清理间，清除粉末回收利用，随动粉缸缸壁处理为粉末回收利用，基板重复使用。

3.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于：

步骤S1前期准备工作中：在服务器中录入待成型工件三维图；根据待成型工件确定随动粉缸的大小，并将随动粉缸三维图与成型工件图合为一起；然后进行螺旋切片；确定扫描路径与参数；将扫描路径与参数数据处理为各种指令代码和相关参量，生成打印组件的控制程序，下载至工控机中备用；设备归零；

步骤S2中工控机发送开始指令，CNC系统随即开始工作，控制工作台组件在真空打印室外做准备；将基板放到工作台台面上，CNC系统控制工作台支撑驱动装置，使工作台沿X方向移进真空打印室，到达位置后，准确停车；再使工作台沿Z方向升到上极限位置，此时基板上表面达到打印面标高位置；

步骤S3中CNC系统和PLC通讯，PLC控制真空打印室的箱门关闭，并锁紧箱门，随后启动真空系统控制程序，对真空打印室进行抽真空，直至达到要求真空值；

步骤S4中PLC启动工作台内的电炉，对基板进行预热，直至达到要求的预热温度；

步骤S5中PLC调整送粉组件出粉量到需要值后，CNC系统调整工作台支撑驱动装置，使得工作台在XY平面内旋转的转向、转速及沿Z方向移动速度到需要值；送粉组件负责把粉定量送给铺粉压实组件，铺粉压实组件将粉铺匀压实到工作台的基板上；同时预热，工作台匀速旋转并下降；

步骤S6中CNC系统控制工作台转到首次经过的打印扫描区时，工控机监测工作台的C轴旋转角度到位后，控制第一组打印装置控制柜、第二组打印装置控制柜……第j组打印装置控制柜，同时打开第一组打印装置，第二组打印装置……第j组打印装置，控制打印组件按照扫描路径进行扫描，熔化打印模型截面内的粉末，使之凝固、沉积形成待成型工件截面及随动粉缸截面；

步骤S7中工作台从0位转一周过程中，工作台按CNC系统发出的指令在工作台支撑驱动装置作用下逐渐降低至少j个打印层厚的高度；

步骤S9中PLC控制关闭工作台内电炉，工作台继续匀速旋转并下降，继续第五周旋转下降同时打印第4j+1层，第4j+2层……第5j层，第六周旋转下降同时打印第5j+1层，第5j+2层……第6j层，第七周旋转下降同时打印第6j+1层、第6j+2层和第7j层……连续螺旋铺粉打印；

步骤S10中直至完成工件及随动粉缸壁的打印，PLC控制关闭送粉组件和旋转工作台的旋转及升降电机，关闭工作台两侧的电炉，工控机控制关闭打印组件；

步骤S11中CNC系统启动工作台支撑驱动装置，使工作台及其上的随动粉缸，降至最低点；

步骤S12中待真空打印室温度降到室温，PLC控制打开真空打印室放气阀，使真空打印室环境恢复大气压力；

步骤S13中PLC启动开门电机，打开真空打印室箱门；

步骤S14中CNC系统控制工作台支撑驱动装置，使工作台及其上的随动粉缸，移出真空打印室。

4.根据权利要求1或2所述的成型方法，其特征在于，步骤S1中进行螺旋切片，确定扫描路径与参数的过程具体包括以下步骤：

步骤Ⅰ、切片参数规划：

沿Z轴方向，将待成型工件与随动粉缸合为一起的三维模型均分为m个螺旋层组；每个螺旋层组的Z向高度对应一个螺距；

每个螺旋层组包括j层螺旋层；每层螺旋层的起始位置不同，各起始位置与铺粉压实装置的位置一一对应；整个工件的高度H_工件＝H*m；

将三维模型在每层螺旋层以C轴和Z轴为参数均匀分成n个扇形区，每个扇形的角度α＝360/n,相邻扇形区的Z值差为H/jn；其中H为螺距；每个扇形区的内外径与工作台的内外径相等；扇形区的面积需满足：每组打印装置的打印扫描区至少覆盖一个扇形区；

将第一螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为1区、2区、3区……n区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为1′区、2′区、3′区……n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为1^(j-1)′区、2^(j-1)′区、3^(j-1)′区……n^(j-1)′区；

将第二螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为n+1区、n+2区、n+3区……2n区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为n^(j-1)′+1区、n^(j-1)′+2区、n^(j-1)′+3区……2n^(j-1)′区；

以此类推，将第m螺旋层组内：

第一螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n+1区、(m-1)n+2区、(m-1)n+3区……mn区；第二螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n′+1区、(m-1)n′+2区、(m-1)n′+3区……m′n′区；以此类推，第j螺旋层的n个扇形区分别命名为(m-1)n^(j-1)′+1区、(m-1)n^(j-1)′+2区、(m-1)n^{(j -1)′}+3区……m n^(j-1)′区；

步骤Ⅱ、根据步骤Ⅰ中规划的切片参数对工件进行切片：

按照1区、2区、3区…n区的顺序，分别获得各扇形区对应工件的轮廓；同理按照1′区、2′区、3′区……n′区；以此类推，按照1^(j-1)′区、2^(j-1)′区、3^(j-1)′区……n^(j-1)′区分别获得各扇形区对应工件的轮廓；完成一个螺旋层组切片；

完成一个360度圆周后，依次进入下一个螺旋层组切片，即按区n+1区、n+2区、n+3区……2n区；n′+1区、n′+2区、n′+3区……2n′区；以此类推，n^(j-1)′+1区、n^(j-1)′+2区、n^(j-1)′+3区……2n^(j-1)′区；

以此类推，直至结束层；获得所有扇形区对应工件的轮廓；

步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的各扇形区的工件轮廓，对处理得到的工件轮廓进行扫描路径规划，获得扫描路径；按由起始层至结束层的顺序输出G代码；

步骤Ⅳ：根据切片参数，确定工作台的转速、打印顺序、打印扫描区及下粉范围；

确定工作台转速，使其与切片精度匹配；

确定打印顺序：

由第一螺旋层组至第m螺旋层组的顺序进行打印；

在每一螺旋层组内，各螺旋层由打印装置同时进行打印；

确定打印扫描区：

每一螺旋层组内的不同螺旋层分别由不同的打印装置同时打印；

各螺旋层组内的相同序号的螺旋层由同一打印装置打印；

每组打印装置的打印扫描区至少覆盖一个扇形区；

确定下粉范围：

按照扇形区的内外径大小确定下粉范围，控制送粉组件中各驱动组件是否启动运转及按照各种不同的转速运转。

5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于，步骤Ⅰ切片参数规划还包括：将每个扇形区分为沿径向排布的q个小扇形区，其中q为自然数；每组打印装置包括p个电子枪或激光器，其中p为大于等于2的自然数；

步骤Ⅳ中确定打印扫描区时：

每组打印装置中的每个电子枪或激光器对应x个小扇形区的打印，x为自然数；

确定打印顺序时：

每个扇形区中相间的小扇形区同时进行打印；

步骤Ⅳ中还需确定光斑距离：

每组打印装置中同时进行打印的两个相邻电子枪或激光器(311)的光斑距离大于设定值，避免相互干扰。

6.根据权利要求5所述的成型方法，其特征在于：x＝2，q＝2p，设定值＝100nm。

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