CN112475321A - 一种基于辅助预热系统的大型ebsm设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备，解决现有电子束选区熔化金属增材制造设备体积较大、结构复杂、加工成本较高以及无法加大尺寸构件的问题。该大型EBSM设备包括真空打印室、电子枪、铺粉装置、工作台单元、预热单元、减磁单元和水冷单元；减磁单元包括设置在真空打印室内的消磁导电线；预热单元包括顶部保温板、保温箱体和加热装置；保温箱体设置在真空打印室内；顶部保温板设置在保温箱体的上方，与保温箱体形成保温腔体；工作台单元设置在保温腔体内，包括台面为环形的工作台及工作台支撑驱动组件；加热装置设置在保温腔体内，用于给打印区域进行加热；水冷单元设置在保温箱体的侧壁上，用于对保温箱体进行冷却。

Description

一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备。

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，使得其制件具有致密度高、氧含量少、热应力低、不易变形开裂、打印效率高、材料利用率高等特点，在医疗、航空航天等领域得到应用广泛。该技术打印过程如下：首先，在粉床表面铺展一层粉末，电子束对粉末进行预热保温，使其满足打印工艺参数需求；其次，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下熔化，并与下面已成形的部分粘接，实现层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末即可得到所需的三维产品。

如图1所示，现有EBSM设备打印时采用电子束对成型区域进行预热，该设备成型尺寸不大于500，在此尺寸内，电子束功率可满足粉床工艺要求。工件打印完成后，粉床需上升至固定粉缸上方，然后再通过移出机构将工件及粉床水平移出，因此该设备的真空成型室高度必须大于工件2倍的高度。

但是，以上设备打印大尺寸工件时，因工件尺寸增大，而真空成型室的高度必须满足大于工件2倍高度的要求，从而使得真空成型室的箱体也相应增大，导致设备体积较为庞大，同时，移除机构使得设备的结构比较复杂，增加了制造成本。此外，大型真空成型室导致设备内空间散失功率增加，电子束输入的预热保温能量很快被耗散，不能满足大构件成型的预热保温要求，无法成形大尺寸的构件。

发明内容

本发明的目的是解决现有电子束选区熔化金属增材制造设备体积较大、结构复杂、加工成本较高以及无法加大尺寸构件的问题，提供一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备。

为解决以上问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备，包括真空打印室、电子枪、铺粉装置和工作台单元；其特殊之处在于：还包括预热单元、减磁单元和水冷单元；所述减磁单元至少为一组，每组减磁单元包括两根相对设置在真空打印室内的消磁导电线，用于削弱打印区域的磁场强度；所述预热单元包括顶部保温板、保温箱体和加热装置；所述保温箱体设置在真空打印室内，其内部设置有保温层，顶部设置有至少两个气氛通道，用于外部气氛气体的流入和流出；所述顶部保温板设置在保温箱体的上方，与保温箱体形成保温腔体，同时顶部保温板上设置有电子枪的电子束通过的电子束通道和设置铺粉装置的落粉通道；所述工作台单元设置在保温腔体内，包括台面为环形的工作台及工作台支撑驱动组件；所述工作台支撑驱动组件能够驱动工作台在工作台台面所在平面即XY平面内旋转，并能沿Z方向移动以及沿X方向移出真空打印室；所述加热装置沿Y方向设置在保温腔体内，用于给打印区域进行加热；所述水冷单元沿X方向设置在保温箱体的侧壁上，用于对保温箱体进行冷却。

进一步地，所述工作台的下方还设置有辅助加热装置，所述保温箱体的保温层内侧还设置有隔热屏。

进一步地，所述消磁导电线的控制电流为加热装置最大电流的0～50％。

进一步地，所述减磁单元为两组，分别为顶部消磁组件和底部消磁组件，底部消磁组件设置在加热装置的下方，顶部消磁组件设置在成型面的上方。

进一步地，所述水冷单元包括冷却板、进水管和出水管；所述冷却板内设置有多条冷却槽道，所述进水管和出水管均与冷却槽道连通。

进一步地，所述冷却板为U形结构，包括两块侧板和一块立板；所述冷却槽道包括设置在侧板内的第一冷却槽道和设置在立板内第二冷却槽道，所述第一冷却槽道的顶端与设置在冷却板顶端的分流环槽连通，所述第二冷却槽道的顶端与设置在冷却板顶端的分流环槽连通，底端与设置在冷却板底端的回流环槽连通；所述进水管设置在冷却板的底端，其进口与外部冷却水连通，出口与第一冷却槽道连通；所述出水管设置在冷却板的底端，其进口与回流环槽连通，出口位于冷却板外。

进一步地，所述顶部保温板上设置有顶部冷却单元，所述顶部冷却单元包括顶部进水管、顶部出水管以及设置在顶部保温板内的顶部冷却槽道；所述顶部进水管和顶部出水管均与顶部冷却槽道连通。

进一步地，所述保温箱体包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述加热装置设置在第一侧壁和第三侧壁上，所述第二侧壁和第四侧壁上设置有立柱。

进一步地，所述工作台支撑驱动组件包括旋转装置、升降移动装置和水平移动装置；所述工作台设置在旋转装置上，所述旋转装置设置在升降移动装置上，用于驱动工作台实现在XY平面内的旋转；所述升降移动装置设置在立柱上，包括滚珠丝杠组件和导轨滑块组件，用于带动工作台沿Z方向移动；所述水平移动装置设置在立柱下方，包括滚珠丝杠组件和导轨滑块组件，用于带动工作台沿Y方向移出真空打印室。

进一步地，所述冷却板设置在立柱上，所述加热装置为加热炉。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备通过加热装置对成型区进行加热保温，使得成型区达到打印工艺的温度需求，减少了粉末的流动性，使粉末在打印过程中不溃散、更致密；同时通过顶部保温板、保温箱体对加热区域进行保温，保证了成型区温度要求的同时还降低了能量输入。

2.本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备设置有减磁单元，可以有效削弱成型区磁场强度，保证打印质量，提高打印精度。

3.本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备中工作台能够沿X方向移出真空打印室，从而取消了现有设备中的移除机构，无需将设备真空成型室设置为2倍工件高度，从而使得设备整体结构相对比较简单，同时减小了加工成本。

4.本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备在对成型区加热的同时，设置了合理的冷却结构，保证相关运动部件的正常运行。

附图说明

图1为现有电子束金属增材制造设备结构图；

图2为本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备的结构示意图；

图3为本发明预热单元的结构示意图；

图4为本发明工作台设置在预热单元内的结构示意图；

图5为本发明消磁导电线的安装示意图；

图6为本发明隔热屏的安装示意图；

图7为本发明水冷单元的结构示意图；

图8为本发明冷却槽道的结构示意图；

图9为本发明工作台单元的结构示意图。

附图标记：1-真空打印室，2-电子枪，3-铺粉装置，4-工作台单元，5-预热单元，6-减磁单元，7-水冷单元；41-工作台，42-工作台支撑驱动组件，421-旋转装置，422-升降移动装置，423-水平移动装置，51-顶部保温板，52-保温箱体，53-加热装置，54-保温层，55-隔热屏，56-气氛通道，57-电子束通道，58-落粉通道，59-立柱，61-消磁导电线，71-冷却板，72-进水管，73-出水管，74-冷却槽道，711-侧板，712-立板，741-第一冷却槽道，742-第二冷却槽道，743-分流环槽，744-回流环槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

为了突破电子束金属增材制造大尺寸复杂零件的尺寸极限，本发明提供了一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备，用于电子束金属增材制造大尺寸复杂工件，最大打印尺寸可达D1500×1600。为了保证成型区的能量需求，本发明设备设置有加热装置和保温隔热装置，加热装置可对成型区域进行加热，以便减少粉末流动性，使粉末在打印过程中不溃散、更致密。同时，该设备采用保温隔热结构，在保证成型区温度要求的同时降低能量输入。该设备在对成型区加热的同时，设计了合理的冷却结构，保证相关运动部件的正常运行。此外，本发明设备还设置有减磁单元，可以有效削弱成型区磁场强度，保证打印质量，提高打印精度。

如图2所示，本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备，包括真空打印室1、电子枪2、铺粉装置3、工作台单元4、预热单元5、减磁单元6和水冷单元7；电子枪2设置在真空打印室1外，用于提供打印的电子束，铺粉装置3、工作台单元4、预热单元5、减磁单元6和水冷单元7设置在真空打印室1内，铺粉装置3用于在粉床表面铺展粉末。

如图3至图6所示，预热单元5包括顶部保温板51、保温箱体52和加热装置53；保温箱体52设置在真空打印室1内，其内部设置有保温层54，顶部设置有至少两个气氛通道56，用于外部气氛气体流入和流出；顶部保温板51设置在保温箱体52的上方，与保温箱体52形成保温腔体，且顶部保温板51上设置有电子枪2电子束通过的电子束通道57和安装铺粉装置3的落粉通道58；工作台单元4设置在保温腔体内，包括台面为环形的工作台41及工作台支撑驱动组件42；工作台支撑驱动组件42能够驱动工作台41在工作台41台面所在平面即XY平面内旋转，并能沿Z方向移动以及沿X方向移出真空打印室1。本发明保温箱体52的保温层54内侧还设置有隔热屏55，隔热屏55分布在螺旋粉缸周围，分别处于前后，左右和上下。在设备运行过程中，其内部处于真空状态，真空环境中高温区域热量传递方式以辐射方式为主，本装置中先采用隔热屏55方式对工件周围进行隔热保温，然后再采用保温层54形式进行隔热保温，减少了高温区的热量损耗，保证了高温区温度。

本发明加热装置53沿Y方向设置在保温腔体内，用于给打印区域进行加热，具体可采用电炉加热方式对成型区进行加热保温，左右侧电炉元器件通过支撑杆固定在隔热屏55内部，使其成型区达到打印工艺的温度需求。预热单元5可加热的区域范围D1500x1600，可打印的工件尺寸为0≤D≤1500，0≤H≤1600。打印设备正常运行时，螺旋粉缸及工件都在工作台41上运行，工作台41旋转的同时沿Z向移动运动，辅助加热装置一边随工作台41运动，一边对工作台41进行加热；在螺旋粉缸运动过程中电炉加热元器件始终对粉缸侧面加热，以保持成型区温度要求。当工件完成打印后，需要在设备内部进行冷却，在冷却过程中，如果工件冷却不均衡造成顶部与底部温度梯度过大，将会影响工件的质量，为了保证工件质量，控制冷却速度，本发明在工作台41底部安装了辅助加热装置。

如图5所示，电子枪2在正常运行过程中，其偏转线圈可以控制电子束的打印位置，从而控制打印精度，但是由于设备中存在加热装置53，设备内部磁场较为复杂，尤其是打印成型区附近磁场影响了电子束原有的运动轨迹，进而影响了工件质量，因此，本发明设备中设置有减磁单元6，可以有效削弱成型区磁场强度，保证打印质量。本发明减磁单元6至少为一组，每组减磁单元6包括两根相对设置在真空打印室1内的消磁导电线61，消磁导电线61的控制电流为加热装置53最大电流的0～50％。在本发明实施例中，减磁单元6为两组，分别为顶部消磁组件和底部消磁组件，底部消磁组件设置在加热装置53的下方，其安装范围小于电炉加热元器件高度，顶部消磁组件设置在成型面上方，且位于顶部保温板51的上方，顶部消磁组件其安装高度范围小于电炉加热元器件高度的1.5倍，横向安装距离在箱体最大尺寸范围内。

本发明具体实施例中，保温箱体52包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；此时，电炉设置在第一侧壁和第三侧壁上，对螺旋粉缸进行侧面加热，保证成型区温度要求，第二侧壁和第四侧壁上设置有立柱59。如图9所示，工作台支撑驱动组件42包括旋转装置421、升降移动装置422和水平移动装置423；工作台41设置在旋转装置421上，旋转装置421设置在升降移动装置422上，用于驱动工作台41实现在XY平面内的旋转；升降移动装置422设置在立柱59上，包括滚珠丝杠组件和导轨滑块组件，用于带动工作台41沿Z方向移动；水平移动装置423设置在立柱59下方，包括滚珠丝杠组件和导轨滑块组件，用于带动工作台41沿Y方向移出真空打印室1。

当成型工件尺寸较大时，其输入的能量较大，为了减少能量损失，保证成型区温度要求，需要在粉缸周围设计保温结构。该保温结构包括隔热屏55和保温层54，保温层54一方面能够保证成型区的温度需要；另一方面也能保证精密部件稳定工作。能量经过保温层54后在运动部件处温度急剧降低，为了保证丝杠，导轨等机械运动精度，还需要在立柱59前部和顶部保温层54上部设计冷却区域，进而保证相关运动部件的精度，不影响打印工件的精度。

如图7和图8所示，本发明水冷单元7沿X方向设置在保温箱体52的侧壁上，用于对保温箱体52进行冷却。水冷单元7包括冷却板71、进水管72和出水管73；冷却板71设置在立柱59上，其内部设置有多条冷却槽道74，进水管72和出水管73均与冷却槽道74连通。在本发明实施例中，冷却板71为U形结构，包括两块侧板711和一块立板712；冷却槽道74包括设置在侧板711内的第一冷却槽道741和设置在立板712内第二冷却槽道742，第一冷却槽道741的顶端与设置在冷却板71顶端的分流环槽743连通，第二冷却槽道742的顶端与设置在冷却板71顶端的分流环槽743连通，底端与设置在冷却板71顶端的回流环槽744连通；进水管72设置在冷却板71的底端，其进口与外部冷却水连通，出口与第一冷却槽道741连通，出水管73设置在冷却板71的底端，其进口与回流环槽744连通，出口位于冷却板71外，冷却水通过进水管72流入第一冷却槽道741，从第一冷却槽道741向上进入分流环槽743，经分流环槽743汇聚后进入第二冷却槽道742，回流环槽744对冷却后的冷却水进行收集并通过出水管73流出。

此外，本发明顶部保温板51上也设置有顶部冷却单元，顶部冷却单元包括顶部进水管、顶部出水管以及设置在顶部保温板51内的顶部冷却槽道；顶部进水管和顶部出水管均与顶部冷却槽道连通，顶部冷却单元保证顶部保温板51附近部件的精度，不影响打印工件的精度。

本发明基于辅助预热系统的大型EBSM设备在运行时，首先开启电炉加热元器件，螺旋粉缸在工作台41上旋转运动，电炉对螺旋粉缸侧面进行加热，保证螺旋粉缸上部区域温度比较均匀。设备内部为真空环境，所以电炉通过辐射方式对粉缸侧面加热后，粉床内部通过导热和辐射传热方式，使得成型区表面温度保持在1000℃(根据电炉功率大小，可调整成型区表面温度范围，本系统的温度控制范围在100℃-1200℃)。当成型区温度达到材料预热温度后，电子束在电脑控制下可以打印需要的工件。打印完成后，从旋转工作台41取出工件，此时立柱59前侧隔热屏55及保温层54，随立柱59一起运动到腔体外部，侧面隔热屏55、保温层54、电炉加热元器件及另外立柱59保温层54隔热屏55保持固定。工件及粉缸随立柱59一起移动到腔体外部，此时可采用相关工具从工作台41上取出工件。

Claims (10)

1.一种基于辅助预热系统的大型EBSM设备，包括真空打印室(1)、电子枪(2)、铺粉装置(3)和工作台单元(4)；其特征在于：还包括预热单元(5)、减磁单元(6)和水冷单元(7)；

所述减磁单元(6)至少为一组，每组减磁单元(6)包括两根相对设置在真空打印室(1)内的消磁导电线(61)，用于削弱打印区域的磁场强度；

所述预热单元(5)包括顶部保温板(51)、保温箱体(52)和加热装置(53)；

所述保温箱体(52)设置在真空打印室(1)内，其内部设置有保温层(54)，顶部设置有至少两个气氛通道(56)，用于外部气氛气体的流入和流出；

所述顶部保温板(51)设置在保温箱体(52)的上方，与保温箱体(52)形成保温腔体，同时顶部保温板(51)上设置有电子枪(2)的电子束通过的电子束通道(57)和设置铺粉装置(3)的落粉通道(58)；

所述工作台单元(4)设置在保温腔体内，包括台面为环形的工作台(41)及工作台支撑驱动组件(42)；所述工作台支撑驱动组件(42)能够驱动工作台(41)在工作台(41)台面所在平面即XY平面内旋转，并能沿Z方向移动以及沿X方向移出真空打印室(1)；

所述加热装置(53)沿Y方向设置在保温腔体内，用于给打印区域进行加热；

所述水冷单元(7)沿X方向设置在保温箱体(52)的侧壁上，用于对保温箱体(52)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述工作台(41)的下方还设置有辅助加热装置，所述保温箱体(52)的保温层(54)内侧还设置有隔热屏(55)。

3.根据权利要求2所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述消磁导电线(61)的控制电流为加热装置(53)最大电流的0～50％。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述减磁单元(6)为两组，分别为顶部消磁组件和底部消磁组件，底部消磁组件设置在加热装置(53)的下方，顶部消磁组件设置在成型面的上方。

5.根据权利要求4所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述水冷单元(7)包括冷却板(71)、进水管(72)和出水管(73)；所述冷却板(71)内设置有多条冷却槽道(74)，所述进水管(72)和出水管(73)均与冷却槽道(74)连通。

6.根据权利要求5所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述冷却板(71)为U形结构，包括两块侧板(711)和一块立板(712)；所述冷却槽道(74)包括设置在侧板(711)内的第一冷却槽道(741)和设置在立板(712)内第二冷却槽道(742)，所述第一冷却槽道(741)的顶端与设置在冷却板(71)顶端的分流环槽(743)连通，所述第二冷却槽道(742)的顶端与设置在冷却板(71)顶端的分流环槽(743)连通，底端与设置在冷却板(71)底端的回流环槽(744)连通；所述进水管(72)设置在冷却板(71)的底端，其进口与外部冷却水连通，出口与第一冷却槽道(741)连通；所述出水管(73)设置在冷却板(71)的底端，其进口与回流环槽(744)连通，出口位于冷却板(71)外。

7.根据权利要求6所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述顶部保温板(51)上设置有顶部冷却单元，所述顶部冷却单元包括顶部进水管、顶部出水管以及设置在顶部保温板(51)内的顶部冷却槽道；所述顶部进水管和顶部出水管均与顶部冷却槽道连通。

8.根据权利要求7所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述保温箱体(52)包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述加热装置(53)设置在第一侧壁和第三侧壁上，所述第二侧壁和第四侧壁上设置有立柱(59)。

9.根据权利要求8所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述工作台支撑驱动组件(42)包括旋转装置(421)、升降移动装置(422)和水平移动装置(423)；所述工作台(41)设置在旋转装置(421)上，所述旋转装置(421)设置在升降移动装置(422)上，用于驱动工作台(41)实现在XY平面内的旋转；所述升降移动装置(422)设置在立柱(59)上，包括滚珠丝杠组件和导轨滑块组件，用于带动工作台(41)沿Z方向移动；所述水平移动装置(423)设置在立柱(59)下方，包括滚珠丝杠组件和导轨滑块组件，用于带动工作台(41)沿Y方向移出真空打印室(1)。

10.根据权利要求9所述的基于辅助预热系统的大型EBSM设备，其特征在于：所述冷却板(71)设置在立柱(59)上，所述加热装置(53)为加热炉。

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