CN117548693A - 一种增材制造装置及其增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增材制造装置及增材制造方法，涉及增材制造技术领域。所述的增材制造装置包括真空室和射线发生装置；所述的射线发生装置位于所述真空室的上方；所述的真空室用以提供制造所需的真空环境；所述的射线发生装置包括预热装置和间热装置；所述的预热装置数量为至少一个，所述的间热装置数量为至少四个；所述的间热装置以预热装置为原点呈矩阵式均匀分布；所述的预热装置为等离子体阴极电子枪；所述的间热装置为间热式电子枪。本发明的增材制造装置突破了搭载常规电子枪的电子束选区熔化装置所面临的幅面极限、成型温度极限及电子枪灯丝寿命的问题，达到高精度、高效率及低成本的效果。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造装置及其增材制造方法。
背景技术
电子束选区熔化（EBSM）是一种利用电子束作为能量源的增材制造工艺，通过逐层熔融金属粉末层来制备复杂形状、高密度的金属零部件。该技术具有高真空、低应力等优势，在能源动力、航空航天等领域有着广泛的应用前景。
对于制造大型、难焊接的高温合金复杂构件，需要具备大成型幅面、高成型效率、高且均匀的成型温度以及大的成型深度等技术特点。然而，传统粉末床电子束增材制造中存在一些问题，热阴极电子枪的能束功率较小，能量利用效率较低，难以满足高成型幅面的要求；且在长期运行下，阴极容易损耗，导致实体成型质量的不稳定。尽管目前国内已经研发出2×2式四电子束增材制造装置，但仍然存在着上述技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，进一步改进电子束选区熔化增材制造装置，本发明提供一种增材制造装置，包括真空室和射线发生装置；所述的射线发生装置位于所述真空室的上方；所述的真空室用以提供制造所需的真空环境；所述的射线发生装置包括预热装置和间热装置；所述的预热装置数量为至少一个，所述的间热装置数量为至少四个；所述的间热装置以预热装置为原点呈矩阵式均匀分布；
所述的预热装置为等离子体阴极电子枪，用以产生对真空室内预热的射线；
所述的间热装置为间热式电子枪，用以产生熔化粉末的射线。
优选的，所述等离子体阴极电子枪的能束功率≥15kw；所述间热式电子枪的束斑直径为0.15-0.2mm。
优选的，所述的等离子体阴极电子枪的数量为一个，所述的间热式电子枪的数量为四个。
进一步地，所述的真空室包括成型装置、供粉装置、铺粉装置；其中，
所述的成型装置位于射线发生装置的下方，用以提供实体成型所需要的幅面区域；所述的成型装置包括用以承载实体的成型基板；
所述的供粉装置位于成型装置的侧部，用以提供实体成型所需要的粉末；
所述的铺粉装置位于供粉装置的上方，用以将供粉装置提供的粉末平铺至成型基板上。
进一步地，所述的等离子体阴极电子枪位于所述成型基板的中心上方；四个所述的间热式电子枪以所述的等离子体阴极电子枪为原点呈矩阵式均匀分布。
进一步地，所述的等离子体阴极电子枪用以产生对成型基板预热的射线。
优选的，所述的等离子体阴极电子枪通过在惰性气体环境下激励空心阴极气体电离出电子；所述的间热式电子枪通过在高真空环境下加热钨丝至2500-2800℃激发出电子。
优选的，所述的惰性气体为氦气，所述的高真空环境为真空室内的真空度为1.333×10-1Pa~1.333×10-3Pa。
一种增材制造方法，包括以下步骤：
预处理：等离子体阴极电子枪对成型基板进行预热，达到满足实体成型的环境温度；
铺粉：成型基板下降一层，铺粉装置从供粉装置取当前层粉末，平铺至成型基板上；
预热：等离子体阴极电子枪对粉末进行预热，达到实现粉末假烧结状态的环境温度；
同幅扫描：间热式电子枪对平铺好的粉末进行熔化，同时等离子体阴极电子枪对形成的粉末床进行温度补偿；
重复铺粉、预热、同幅扫描步骤，直至完成实体的增材制造成型。
优选的，所述的预处理步骤中，所述的满足实体成型的环境温度为900-1200℃。
关于本发明的增材制造方法，还有一种次选方案，所述的同幅扫描步骤中，可以先用间热式电子枪对平铺好的粉末进行熔化，再用等离子体阴极电子枪对形成的粉末床进行温度补偿。
本发明所述的增材制造方法，使用大功率（能束功率≥15kw）的等离子体阴极电子枪与高精度（束斑直径为0.15-0.2mm）的间热式电子枪同时工作，穿插熔化扫描，实现边预热边熔化扫描的效果，与传统的多电子束粉末床装置分步式预热、扫描的方式相比，大幅度提高了成型温度，进一步缩短了成型时间，提高了成型效率。
本发明的增材制造装置将阴极电子枪与间热式电子枪进行复合，实现增材制造装置中粉末床的快速预热和对逐层堆叠的实体的分区域高精度熔化扫描，突破了搭载常规电子枪的电子束选区熔化装置所面临的幅面极限问题、成型温度极限问题及大功率电子枪灯丝寿命问题，达到高精度、高效率及低成本的效果，为航空航天难焊高温合金材料复杂构件高质量成型提供支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例的增材制造装置结构图；
图2为本发明实施例的射线发生装置的俯视图；
图3为本发明实施例的增材制造装置制造的实体产品图；
图4为2×2式四电子束增材制造装置制造的实体产品图。
图中标识说明：
1-间热式电子枪；2-等离子体阴极电子枪；3-成型装置；4-供粉装置；5-铺粉装置；6-真空室；7-成型基板；8-实体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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的限制。
实施例
请参阅图1和图2所示的一种增材制造装置，包括真空室6和射线发生装置；射线发生装置位于真空室6的上方，真空室6用以提供制造所需的真空环境。其中，真空室6包括成型装置3、供粉装置4、铺粉装置5；具体的，成型装置3位于射线发生装置的下方，用以提供实体8成型所需要的幅面区域；其中，成型装置3包括用以承载实体8的成型基板7；供粉装置4位于成型装置3的侧部，可以是仅在一侧，也可以是在两侧，用以提供实体8成型所需要的粉末；铺粉装置5位于供粉装置4的上方，用以将供粉装置4提供的粉末平铺至成型基板7上。
射线发生装置包括预热装置和间热装置。其中，预热装置数量为至少一个，所述的间热装置数量为至少四个。在本实施例中，预热装置使用大功率的等离子体阴极电子枪2，用以产生对真空室6内预热的射线，间热装置使用高精度的间热式电子枪1，用以产生熔化粉末的射线。具体的，如图2所示的射线发生装置，等离子体阴极电子枪2的数量为一个，间热式电子枪1的数量为四个。等离子体阴极电子枪2位于所述成型基板7的中心上方，等离子体阴极电子枪2用以产生对成型基板7预热的射线。本发明的增材制造装置的成型区域的投影面为矩形，四个间热式电子枪1分别位于成型区域的角位上，四个所述的间热式电子枪1以所述的等离子体阴极电子枪2为原点呈矩阵式均匀分布；这种矩阵式分布可以实现全幅面覆盖打印成型区域。本实施例的等离子体阴极电子枪2通过在氦气环境下激励空心阴极气体电离出电子；本实施例的间热式电子枪1通过在高真空环境下加热钨丝至2600±50℃激发出电子。
本发明的增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：
预处理：等离子体阴极电子枪2发射电子束对成型基板7进行预热至1100±50℃，达到可开始实体8成型的初始温度；
铺粉：成型基板7下降一层，铺粉装置5从供粉装置4取当前层粉末，平铺于成型基板7；
预热：等离子体阴极电子枪2对整个大尺寸幅面粉末床进行预热，实现粉末假烧结状态，为后续高精度熔化扫描提供稳定的粉末床状态；
同幅扫描：间热式电子枪1发射电子束对各分区平铺好的粉末进行熔化扫描，实现实体8成型，同时等离子体阴极电子枪2对全幅面粉末床进行不间断的预热，保证粉末床的温度维持稳定。
重复铺粉、预热、同幅扫描步骤，逐层堆叠直至完成实体8的增材制造成型。
通过本实施例的增材制造装置制造出的实体产品如图3所示；采用现有技术2×2式四电子束增材制造装置制造的实体产品如图4所示；对比可见，本实施例的增材制造装置制造出的实体产品质量更稳定。
关于本发明的增材制造方法，还有一种次选方案，在上述的同幅扫描步骤中，可以先用间热式电子枪1对对各分区平铺好的粉末进行熔化扫描，再用等离子体阴极电子枪2对形成的粉末床进行不间断的预热，保证粉末床的温度维持稳定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种增材制造装置，其特征在于，包括真空室和射线发生装置；所述的射线发生装置位于所述真空室的上方；所述的真空室用以提供制造所需的真空环境；所述的射线发生装置包括预热装置和间热装置；所述的预热装置数量为至少一个，所述的间热装置数量为至少四个；所述的间热装置以预热装置为原点呈矩阵式均匀分布；
所述的预热装置为等离子体阴极电子枪，用以产生对真空室内预热的射线；
所述的间热装置为间热式电子枪，用以产生熔化粉末的射线。
2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述等离子体阴极电子枪的能束功率≥15kw；所述间热式电子枪的束斑直径为0.15-0.2mm。
3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述的等离子体阴极电子枪的数量为一个，所述的间热式电子枪的数量为四个。
4.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述的真空室包括成型装置、供粉装置、铺粉装置；其中，
所述的成型装置位于射线发生装置的下方，用以提供实体成型所需要的幅面区域；所述的成型装置包括用以承载实体的成型基板；
所述的供粉装置位于成型装置的侧部，用以提供实体成型所需要的粉末；
所述的铺粉装置位于供粉装置的上方，用以将供粉装置提供的粉末平铺至成型基板上。
5.根据权利要求4所述的增材制造装置，其特征在于，所述的等离子体阴极电子枪位于所述成型基板的中心上方；四个所述的间热式电子枪以所述的等离子体阴极电子枪为原点呈矩阵式均匀分布。
6.根据权利要求5所述的增材制造装置，其特征在于，所述的等离子体阴极电子枪用以产生对成型基板预热的射线。
7.根据权利要求6所述的增材制造装置，其特征在于，所述的等离子体阴极电子枪通过在惰性气体环境下激励空心阴极气体电离出电子；所述的间热式电子枪通过在高真空环境下加热钨丝至2500-2800℃激发出电子。
8.根据权利要求7所述的增材制造装置，其特征在于，所述的惰性气体为氦气，所述的高真空环境为真空室内的真空度为1.333×10-1Pa~1.333×10-3Pa。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
预处理：等离子体阴极电子枪对成型基板进行预热，达到满足实体成型的环境温度；
铺粉：成型基板下降一层，铺粉装置从供粉装置取当前层粉末，平铺至成型基板上；
预热：等离子体阴极电子枪对粉末进行预热，达到实现粉末假烧结状态的环境温度；
同幅扫描：间热式电子枪对平铺好的粉末进行熔化，同时等离子体阴极电子枪对形成的粉末床进行温度补偿；
重复铺粉、预热、同幅扫描步骤，直至完成实体的增材制造成型。
10.根据权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于，所述的预处理步骤中，所述的环境温度为900-1200℃。
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