CN114346264B - 一种电子束增材制造设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种电子束增材制造设备和方法。该设备包括：成型室，成型室的顶部设置有电子枪，电子枪的发射端朝向成型室腔体内；铺粉平台，设置于成型室腔体中部，铺粉平台上设置有第一开口和第二开口，第一开口下部设置有成型缸，成型缸内部设置有升降成型底板，第二开口下部设置有粉缸，粉缸内设置有升降粉台；刮粉装置，包括刮刀和与刮刀两端连接的水平移动机构，刮刀与成型底板平行且横跨成型底板上方，水平移动机构设置于成型室内壁上；保温装置，包括保温罩和与保温罩连接的升降机构，保温罩为上下面贯穿的梯形体，梯形体的上表面设置有与电子枪发射端形状匹配的通孔，梯形体的下方为与成型底板形状相同的矩形开口。

Description

一种电子束增材制造设备和方法

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增材制造设备和方法。

背景技术

电子束选区熔化成型技术是一种以电子束为能量源的粉床增材制造技术，具有能量利用率高、无反射、扫描速度快，真空无污染等优点，特别适合难熔金属的直接成型，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。

相关技术中，零件成型分四个步骤。①采用电子枪将成型底板105预热到设定温度；②刮刀取粉铺粉：通过刮刀将粉缸内的粉末刮送至成型底板上；③粉末预热：使用电子束快速扫描整个粉床，使粉床温度均匀上升至一定值，使粉床的粉末达到预烧结的状态，避免在选区熔化过程中出现粉末扬起的现象，同时可减小截面熔化时粉床基础温度与熔池之间的温度差,可有效提高成型零件的质量；④熔化：电子枪对熔化区域进行扫描熔化，成型最终需要的零件截面。

但是，由于电子枪功率较小，一般为3-6kW，导致步骤①和③步骤时间较长，特别是成型尺寸大、成型底板面积较大时，底板预热和粉末预热时间更长。再者，步骤④温度散失快，同样会增加步骤①和③时间，而且会影响粉末熔化质量。

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实施方式提供背景或上下文。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增材制造设备及方法，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。

根据本发明的第一方面，提供一种电子束增材制造设备，包括：

成型室，所述成型室的顶部设置有电子枪，所述电子枪的发射端朝向所述成型室腔体内；

铺粉平台，设置于所述成型室腔体中部，所述铺粉平台上设置有第一开口和第二开口，所述第一开口下部设置有成型缸，所述成型缸内部设置有升降成型底板，所述第二开口下部设置有粉缸，所述粉缸内设置有升降粉台；

刮粉装置，包括刮刀和与刮刀两端连接的水平移动机构，所述刮刀与所述成型底板平行且横跨所述成型底板上方，所述水平移动机构设置于所述成型室内壁上；

保温装置，包括保温罩和与所述保温罩连接的升降机构，所述保温罩为上下面贯穿的梯形体，所述梯形体的上表面设置有与电子枪发射端形状匹配的通孔，所述梯形体的下方为与所述成型底板形状相同的矩形开口。

本发明中，所述水平移动机构包括与所述成型室内壁连接的第一导向轴，贯穿设置在第一导向轴上的滑动块，设置在所述滑动块上方的滚轮和滚轮支座，其中，所述刮刀的端部与所述滑动块连接。

本发明中，所述升降机构包括第二导向轴和升降块，所述第二导向轴设置于所述成型室内壁上，所述升降块通过安装部活动安装于所述第二导向轴上；

其中，所述第二导向轴位于所述第一导向轴上方且与所述第一导向轴垂直，所述升降块靠近所述粉仓的一端设置有远离所述铺粉平台的延伸部，所述升降块通过所述滑动块的移动，可在所述滚轮的作用力下沿所述第二导向轴上向上移动，所述保温罩通过连接板与所述升降块连接。

本发明中，所述安装部与所述第二导向轴靠近铺粉平台的一端之间设置有缓冲弹簧。

本发明中，所述安装部与所述第二导向轴接触的面上设置有滚珠。

本发明中，所述保温罩的所述矩形开口处设置有加热单元。

本发明中，所述成型底板上设置有多个测温点，所述多个测温点均匀分布于所述成型底板上。

本发明中，还包括：

控制模块，与所述测温点和所述加热单元电连接，至少用于根据所述测温点测得的温度值控制所述加热单元的开、关及加热功率和加热时间。

本发明中，所述保温罩下降后距离所述铺粉平台的距离为3~5mm。

本发明中，所述保温罩为钛合金或钼金属或不锈钢制成。

根据本发明的第二方面，提供一种电子束增材制造方法，使用上述任一实施例所述电子束增材制造设备，该方法包括：

采用电子枪对电子束增材制造设备的成型底板进行预热，预热时保温罩位于第一高度处；

刮刀装置对所述成型底板进行铺粉，铺粉时所述保温罩在升降机构的作用下移动至第二高度处，其中，所述第二高度高于所述第一高度；

铺粉完毕刮刀移走后，所述保温罩在所述升降机构的作用下下降至所述第一高度处；

采用所述电子枪对铺粉后的粉床进行铺粉后预热及选取融化扫描得到单层实体片层。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明中，上述电子束增材制造设备和方法，保温罩可以通过升降机构进行升降，一方面，实现了成型底板预热、粉末预热、粉末熔化时，保温罩处于最低位置可进行保温，很大程度减小了热量通过间隙散失的问题；另一方面，当刮刀进行铺粉时，保温罩处于最高位置，不会影响刮刀的移动铺粉动作。

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，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本发明示例性实施例中电子束增材制造设备内部结构示意图；

图2示出本发明示例性实施例中电子束增材制造设备内部侧视结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中铺粉平台俯视图；

图4示出本发明是理性实施例中电子束增材制造方法流程示意图。

其中：101、成型室；102、电子枪；103、铺粉平台；104、成型缸；105、成型底板；106、粉缸；107、粉台；108、刮刀；109、保温罩；110、第一导向轴；111、滑动块；112、滚轮支座；113、滚轮；114、第二导向轴；115、升降块；116、安装部；117、缓冲弹簧；118、滚珠；119、加热单元；120、测温点。

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。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种电子束增材制造设备。参考图1中所示，该电子束增材制造设备可以包括：成型室101、铺粉平台103、刮粉装置和保温装置；所述成型室101的顶部设置有电子枪102，所述电子枪102的发射端朝向所述成型室101腔体内；所述铺粉平台103设置于所述成型室101腔体中部，所述铺粉平台103上设置有第一开口和第二开口，所述第一开口下部设置有成型缸104，所述成型缸104内部设置有升降成型底板105，所述第二开口下部设置有粉缸106，所述粉缸106内设置有升降粉台107；所述刮粉装置包括刮刀108和与刮刀108两端连接的水平移动机构，所述刮刀108与所述成型底板105平行且横跨所述成型底板105上方，所述水平移动机构设置于所述成型室101内壁上；所述保温装置包括保温罩109和与所述保温罩109连接的升降机构，所述保温罩109为上下面贯穿的梯形体，所述梯形体的上表面设置有与电子枪102发射端形状匹配的通孔，所述梯形体的下方为与所述成型底板105形状相同的矩形开口。

具体的，上述电子束增材制造设备，保温罩109可以通过升降机构进行升降，一方面，实现了成型底板105预热、粉末预热、粉末熔化时，保温罩109处于最低位置可进行保温，很大程度减小了热量通过间隙散失的问题，在一定程度上缩短了预热和粉末熔化时间；另一方面，当刮刀108进行铺粉时，保温罩109处于最高位置，不会影响刮刀108的移动铺粉动作。

下面，将参考图1至图3对本示例实施方式中的上述电子束增材制造设备的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，所述水平移动机构可以包括与所述成型室101内壁连接的第一导向轴110，贯穿设置在第一导向轴110上的滑动块111，设置在所述滑动块111上方的滚轮113和滚轮支座112，其中，所述刮刀108的端部与所述滑动块111连接。具体的，所述成型室101内壁相对的两内壁上分别设置有水平移动机构，其中，第一导向轴110可以包括两根或者多根圆轴，以防止所述滑动块111在所述圆轴上转动；所述刮刀108的两端部分别与设置在成型室101相对两内壁的水平移动机构的滑动块111进行连接，已达到随着滑动块111进行滑动刮粉的作用。

在一个实施例中，所述升降机构包括第二导向轴114和升降块115，所述第二导向轴114设置于所述成型室101内壁上，所述升降块115通过安装部116活动安装于所述第二导向轴114上；

其中，所述第二导向轴114位于所述第一导向轴110上方且与所述第一导向轴110垂直，所述升降块115靠近所述粉仓的一端设置有远离所述铺粉平台103的延伸部，所述升降块115通过所述滑动块111的移动，可在所述滚轮113的作用力下沿所述第二导向轴114上向上移动，所述保温罩109通过连接板与所述升降块115连接。

具体的，参考图2中所示，将所述升降机构设置在水平移动机构的上方，并且使得升降块115下底面的高度低于所述滚轮113的高度，并且在升降块115靠近所述粉仓的一端设置远离所述铺粉平台103的延伸部，使得刮刀108刮粉时从粉仓向成型底板105移动过程中即图2中a移动到c的过程中，滚轮113通过延伸部进入所述升降块115的下方，将所述升降块115向上顶， 从而使得升降块115在所述第二导向轴114的导向所用下向上移动，带动通过连接板与升降块115进行连接的保温罩109也向上移动，从而使得刮刀108顺利进行刮粉铺粉；当刮刀108刮粉完毕退回至粉仓远离所述成型缸104的一侧即图2中a处时，滑动块111离开升降块115下方，滚轮113没有对升降块115上顶的力，升降块115下降对成型底板105进行保温。上述升降机构通过刮粉装置可以进行升降移动，不需要外加动力源可以直接利用刮粉装置的动力源，结构简单、节省资源且操作方便。

在一个实施例中，所述安装部116与所述第二导向轴114靠近铺粉平台103的一端之间可以设置有缓冲弹簧117。具体的，通过缓冲弹簧117的设置，对升降块115在失去滚轮113的上顶力后因为重力下降的过程提供一定的缓冲作用，使得保温罩109缓慢下降，不会因为快速下降产生较大的气流，对粉床产生影响。

在一个实施例中，所述安装部116与所述第二导向轴114接触的面上可以设置有滚珠118。具体的，通过滚珠118的设置，使得升降块115在第二导向轴114上的移动更加的顺滑，

在一个实施例中，所述保温罩109的所述矩形开口处可以设置有加热单元119。具体的，所述加热单元119可以是设置在矩形开口处内壁或者外壁上的电热丝或其他加热设备，在此不做具体的限定，通过加热单元119的设置，在保温的同时还可以进行温度的补偿，进一步提高了电子枪预热和扫描融化的效率。

在一个实施例中，参考图3中所示，所述成型底板105上设置有多个测温点120，所述多个测温点120均匀分布于所述成型底板105上。具体的，至少可以设置五个测温点120，分别设置在成型底板105中央及四个角上，以对成型地板上的温度进行更准确、更全面的监测。

在一个实施例中，上述电子束增材制造设备还可以包括：

控制模块（图未示），与所述测温点120和所述加热单元119电连接，至少用于根据所述测温点120测得的温度值控制所述加热单元119的开、关及加热功率和加热时间。具体的，通过控制模块可根据测温点120测得的温度情况来控制加热单元119是否开启，以及开启后加热功率、加热时间等的设定。示例性的，可以根据金属粉末的性质来设置成型底板105第一温度阈值和第二温度阈值，当任一测温点120的温度低于第一温度阈值时，控制模块控制加热单元119进行加热，当成型底板105的温度达到或超过第二温度阈值时，表示成型底板105上的温度较高，则控制模块控制加热单元119关闭，仅进行保温即可，此方式可以根据底板上的温度情况开自动控制加热单元119的加热，无需人员控制，方便及时且节省人力，并且使得成型底板105上的温度较为稳定，提高了打印质量和打印效率。

在一个实施例中，所述保温罩109下降后距离所述铺粉平台103的距离为3~5mm。具体的，距离较高时保温效果较差，距离较低时可能会对粉床造成影响。

在一个实施例中，所述保温罩109为钛合金或钼金属或不锈钢制成。具体的，上述金属中，钼金属的导热性能较差，保温性能较好，优选钼金属；当然所述保温罩109还可以使用其他的耐高温金属制作，在此不做具体限定。

上述电子束增材制造设备，保温罩109可以进行升降，一方面，实现了成型底板105预热、粉末预热、粉末熔化时，保温罩109处于最低位置可进行保温，很大程度减小了热量通过间隙散失的问题；另一方面，当刮刀108进行铺粉时，保温罩109处于最高位置，不会影响刮刀108的移动铺粉动作。

本示例实施方式中首先提供了一种电子束增材制备方法，使用上述任一实施例所述电子束增材制造设备，该方法可以包括：

步骤S101：采用电子枪102对电子束增材制造设备的成型底板105进行预热，预热时保温罩109位于第一高度处；

步骤S102：刮刀装置对所述成型底板105进行铺粉，铺粉时所述保温罩109在升降机构的作用下移动至第二高度处，其中，所述第二高度高于所述第一高度；

步骤S103：铺粉完毕刮刀108移走后，所述保温罩109在所述升降机构的作用下下降至所述第一高度处；

步骤S104：采用所述电子枪102对铺粉后的粉床进行铺粉后预热及选取融化扫描得到单层实体片层。

上述电子束增材制造方法，保温罩109可以进行升降，一方面，实现了成型底板105预热、粉末预热、粉末熔化时，保温罩109处于最低位置可进行保温，很大程度减小了热量通过间隙散失的问题；另一方面，当刮刀108进行铺粉时，保温罩109处于最高位置，不会影响刮刀108的移动铺粉动作。

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 (8)

1.一种电子束增材制造设备，其特征在于，包括：

成型室，所述成型室的顶部设置有电子枪，所述电子枪的发射端朝向所述成型室腔体内；

铺粉平台，设置于所述成型室腔体中部，所述铺粉平台上设置有第一开口和第二开口，所述第一开口下部设置有成型缸，所述成型缸内部设置有升降成型底板，所述第二开口下部设置有粉缸，所述粉缸内设置有升降粉台；

刮粉装置，包括刮刀和与刮刀两端连接的水平移动机构，所述刮刀与所述成型底板平行且横跨所述成型底板上方，所述水平移动机构设置于所述成型室内壁上；

保温装置，包括保温罩和与所述保温罩连接的升降机构，所述保温罩为上下面贯穿的梯形体，所述梯形体的上表面设置有与电子枪发射端形状匹配的通孔，所述梯形体的下方为与所述成型底板形状相同的矩形开口；

所述水平移动机构包括与所述成型室内壁连接的第一导向轴，贯穿设置在第一导向轴上的滑动块，设置在所述滑动块上方的滚轮和滚轮支座，其中，所述刮刀的端部与所述滑动块连接；

所述升降机构包括第二导向轴和升降块，所述第二导向轴设置于所述成型室内壁上，所述升降块通过安装部活动安装于所述第二导向轴上；

其中，所述第二导向轴位于所述第一导向轴上方且与所述第一导向轴垂直，所述升降块靠近所述粉缸的一端设置有远离所述铺粉平台的延伸部，所述升降块通过所述滑动块的移动，可在所述滚轮的作用力下沿所述第二导向轴上向上移动，所述保温罩通过连接板与所述升降块连接。

2.根据权利要求1所述电子束增材制造设备，其特征在于，所述安装部与所述第二导向轴靠近铺粉平台的一端之间设置有缓冲弹簧。

3.根据权利要求1所述电子束增材制造设备，其特征在于，所述安装部与所述第二导向轴接触的面上设置有滚珠。

4.根据权利要求1所述电子束增材制造设备，其特征在于，所述保温罩的所述矩形开口处设置有加热单元。

5.根据权利要求4所述电子束增材制造设备，其特征在于，所述成型底板上设置有多个测温点，所述多个测温点均匀分布于所述成型底板上。

6.根据权利要求5所述电子束增材制造设备，其特征在于，还包括：

控制模块，与所述测温点和所述加热单元电连接，至少用于根据所述测温点测得的温度值控制所述加热单元的开、关及加热功率和加热时间。

7.根据权利要求1~6任一项所述电子束增材制造设备，其特征在于，所述保温罩下降后距离所述铺粉平台的距离为3~5mm。

8.一种电子束增材制造方法，其特征在于，使用权利要求1~7任一项所述电子束增材制造设备，该方法包括：

采用电子枪对电子束增材制造设备的成型底板进行预热，预热时保温罩位于第一高度处；

刮刀装置对所述成型底板进行铺粉，铺粉时所述保温罩在升降机构的作用下移动至第二高度处，其中，所述第二高度高于所述第一高度；

铺粉完毕刮刀移走后，所述保温罩在所述升降机构的作用下下降至所述第一高度处；

采用所述电子枪对铺粉后的粉床进行铺粉后预热及选区熔化扫描得到单层实体片层。

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