CN208232332U

CN208232332U - 一种增材制造装置

Info

Publication number: CN208232332U
Application number: CN201820439292.2U
Authority: CN
Inventors: 郭超; 马旭龙
Original assignee: Tianjin Qingyan Zhishu Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Qingyan Zhishu Technology Co Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2028-03-29

Abstract

本实用新型属于增材制造技术领域，公开了一种增材制造装置,包括射线发生装置，所述射线发生装置包括：阴极，受热后能够逸出电子；激光器，用于产生激光，所述激光用于加热所述阴极；栅极，用于汇聚所述电子形成电子束；阳极，位于所述阴极下方且接地设置，所述阳极中间开设有孔，所述阳极和所述阴极之间形成有用于使所述电子束穿过所述孔的电位差。本实用新型通过激光器产生激光，并由激光加热阴极，使得阴极产生电子并形成电子束，其相较于现有技术的电加热阴极的方式，无需大电流加热，避免了因电流产生磁场会影响电子的分布，提高了阴极的寿命，也提高了增材制造时束斑的质量以及增材制造的质量和效率。

Description

一种增材制造装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造装置。

背景技术

增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来制造三维实体零件的制造技术。目前增材制造可采用电子束作为热源，其可以将材料薄层加热到很高温度(500-1000摄氏度)，成形过程应力低，开裂风险小；成形之后无需热处理就可以直接使用。

目前的电子束源一般采用电加热或初级电子轰击等方式加热阴极，使得阴极温度升高到可以溢出电子的温度，随后产生电子束，来对材料薄层进行加热成型。其中电加热阴极的方式存在以下不足：一是加热电流大，一般超过10A，大电流产生磁场会影响电子的分布，造成束斑质量下降；二是阴极一般为片状或者丝状，电加热阴极时，阴极容易烧断，寿命较短。

初级电子轰击方式则存在以下不足：一是需要轰击级+发射级两级电子束发射，造成结构复杂，制造和维护难度增加；二是轰击级仍然采用电加热产生电子，加热电流大，大电流同样产生不利于束斑质量的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种增材制造装置，能够解决电加热阴极时束斑质量下降的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种增材制造装置，包括射线发生装置，所述射线发生装置包括：

阴极，受热后能够逸出电子；

激光器，用于产生激光，所述激光用于加热所述阴极；

栅极，用于汇聚所述电子形成电子束；

阳极，位于所述阴极下方且接地设置，所述阳极中间开设有孔，所述阳极和所述阴极之间形成有用于使所述电子束穿过所述孔的电位差。

作为优选，所述射线发生装置还包括光纤，所述光纤连接于所述激光器，用于传导所述激光。

作为优选，所述射线发生装置还包括光纤固定头，所述光纤固定头连接于所述光纤，用于使所述光纤传导的激光垂直的加热所述阴极。

作为优选，所述光纤固定头上设置有可拆卸的玻璃片，所述激光经所述玻璃片通过并加热所述阴极。

作为优选，还包括高压电源，所述高压电源分别连接阴极以及栅极。

作为优选，还包括成形室，所述成形室内部为真空环境，所述激光器位于所述成形室的顶部外侧，所述阴极、栅极以及阳极位于所述成形室的顶部内侧。

作为优选，所述成形室包括上真空腔室以及下真空腔室，所述上真空腔室和下真空腔室均连接有抽真空设备。

作为优选，所述阴极设有圆环形底面，所述圆环形底面能够逸出所述电子。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过激光器产生激光，并由激光加热阴极，使得阴极产生电子并形成电子束，其相较于现有技术的电加热阴极的方式，无需大电流加热，避免了因电流产生磁场会影响电子的分布，提高了阴极的寿命，也提高了增材制造时束斑的质量以及增材制造的质量和效率。而且本实用新型的上述结构，其结构简单，便于制造和维护。

进一步通过高压电源连接阴极和栅极，无需如现有技术中的高压电源般在高压端浮动一个灯丝加热电路，其电路结构更加简单。

附图说明

图1是本实用新型实施例一所述的增材制造装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一所述的增材制造装置显示有气体产生装置、抽真空设备、流量控制器以及压力传感器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一所述的增材制造方法的流程图；

图4是本实用新型实施例一所述的增材制造方法通过电子束进行扫描预热的扫描路径示意图；

图5是本实用新型实施例二所述的增材制造装置的结构示意图。

图中：

1、射线发生装置；11、阴极；12、激光器；13、栅极；14、阳极；15、光纤；16、光纤固定头；17、高压电源；18、聚焦线圈；19、偏转线圈；20、电子束；2、成形室；21、上真空腔室；22、下真空腔室；23、气体入口；24、气体出口；25、控制器；26、气体产生装置；27、流量控制器；28、压力传感器； 3、料斗；4、铺粉平台；5、成形缸；6、活塞；7、刮刀；8、抽真空设备；9、金属丝料盘；10、金属丝。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本实施例提供一种增材制造装置，如图1所示，该增材制造装置包括射线发生装置1、成形室2、料斗3、铺粉平台4、成形缸5、活塞6以及刮刀7，其中：

上述射线发生装置1设置在成形室2的顶部，上述料斗3设置在成形室2 内且设置有至少一个，本实施例中，料斗3设置有两个对称的设置在成形室2 的左右两侧，在料斗3内装有粉末材料。在料斗3下方设有上述铺粉平台4，料斗3内的粉末材料能够被输送至铺粉平台4上。在铺粉平台4上设有成形缸5，在该成形缸5中设有可上下运动的活塞6。在在铺粉平台4上方设有可移动的刮刀7，该刮刀7至少具有水平方向的运动自由度，其能够将铺粉平台4上的粉末材料刮至成形缸5的活塞6上，形成粉末层。本实施例中，上述刮刀7可以双向刮粉，即从左到右可以刮粉，从右到左也可以刮粉。在进行三维物体的打印制造时，首先，将三维物体的模型存储在计算机中，模型在计算机中被分层，并得到每一层的加工信息。三维物体的制造在成形室2中进行，料斗3向铺粉平台4上输送粉末材料，刮刀7在成形缸5的活塞6上方将粉末铺展成层，之后通过等射线发生装置1产生电子束20对粉末层预热和熔化，直至第一层粉末层完全熔化；第一层完成熔化后，活塞6下降一层，料斗3再次向铺粉平台4 上输送粉末材料，刮刀7在成形缸5的活塞6上方将粉末铺展成薄层，形成第二层粉末层，通过射线发生装置1产生电子束20对粉末层预热和熔化，直至第二层粉末层完全熔化……如此循环，通过连续加工两层以上的粉末层构建三维实体。其中没有被熔化的粉末，可以被回收再利用。

在本实施例中，可参照图1和图2，上述成形室2内部为真空环境，具体的，该成形室2包括相互连通的上真空腔室21以及下真空腔室22，其中上真空腔室 21设置在成形室2的射线发生装置1处，下真空腔室22容置有上述料斗3、铺粉平台4以及成形缸5。上述上真空腔室21和下真空腔室22均连接于抽真空设备8，通过抽真空设备8，使得上真空腔室21以及下真空腔室22保持一定真空度，其中上真空腔室21的真空度能够防止射线发生装置1的阴极11在高温下被氧化，下真空腔室22的真空度能够防止粉末材料被电子束20加热或熔化时被氧化。本实施例中，上真空腔室21的气压为10^-3-10^-5Pa，下真空腔室22的气压为0.05-0.5Pa。

本实施例中，具体的，可参照图2，在下真空腔室22处设有气体入口23和气体出口24，其中在气体入口23处设有连接于控制器25的气体产生装置26，该气体产生装置26用于产生惰性气体，其可以是气体发生装置或者气体存储装置。在气体出口24处连接有抽真空设备8，该抽真空设备8连接于控制器25，至少包括机械(旋片)泵，也可能需要分子泵、扩散泵等装置，用于将下真空腔室22内的惰性气体排出，以使下真空腔室22内的惰性气体流动，为粉末材料的加热和熔化提供真空环境。

本实施例中，上述惰性气体优选的是氦气，也可以是氩气等不与所用的原材料发生物理或化学反应的惰性气体。上述惰性气体一方面在下真空腔室22内形成气流，以保护粉末材料在被加热和熔化过程中不被氧化。

本实施例中，进一步的，在上述气体产生装置26与气体入口23之间还设有流量控制器27，在成形室2上还设有压力传感器28，上述压力传感器28与流量控制器27均连接于控制器25，控制器25通过压力传感器28检测下真空腔室22的压力，并将检测的气压值与给定的气压值进行比较，根据比较结果控制流量控制器27的流量。在测量的气压值大于给定的气压值时，通过流量控制器 27降低进入下真空腔室22的惰性气体的流量；在测量的气压值小于给定的气压值时，通过流量控制器27增加进入下真空腔室22的惰性气体的流量。

上述控制器25可以是PLC控制器，也可是PC机等其他控制器。

本实施例中，可参照图1，上述射线发生装置1包括有阴极11、激光器12、栅极13、阳极14、光纤15、光纤固定头16、高压电源17、聚焦线圈18以及偏转线圈19，上述激光器12位于成形室2的顶部外侧，阴极11、栅极13、阳极14、聚焦线圈18以及偏转线圈19均位于成形室2的顶部内侧，其中：

上述激光器12用于产生激光，该激光器12连接有光纤15，通过光纤15来传导其产生的激光。上述光纤15连接于光纤固定头16，该光纤固定头16固定在成形室2顶部(具体为上真空腔室21处)，且能够将光纤15传导的激光的发射方向固定，并使得激光的光路垂直。本实施例中，在光纤固定头16上设置有可拆卸的玻璃片(图中未示出)，上述激光经该玻璃片能够射入成形室2内。

上述阴极11设置在光纤固定头16的下方，当激光经上述玻璃片垂直射入成形室2时，激光会照射在阴极11上，并对阴极11进行加热，阴极11受热后会逸出电子。具体的，上述阴极11呈碗状结构，且该阴极11下端设有圆环形底面，当阴极11受热时，该圆环形底面能够逸出电子，该圆环形地面的外径优选为0.5mm-3mm。优选的，上述阴极11的材料可以是钨、钨铼合金、LaB6、钪等材料。

需要说明的是，本实施例中，上述激光器12的功率可调，且激光器12的功率越大，阴极11被加热的温度越高，其发射的电流密度越大。当阴极11材料改变时，需要相应的改变激光器12的功率，使其功率与阴极11材料相匹配。

上述阳极14位于阴极11下方且接地设置，上述栅极13位于阴极11和阳极14之间，该栅极13用于汇聚阴极11产生的电子并形成电子束20。在上述阳极14的中间位置处开设有孔，且上述阳极14和阴极11之间形成有电位差，该电位差能够使得阴极11产生的电子束20穿过阳极14上的孔。

在本实施例中，上述阴极11和栅极13同时连接于一个高压电源17，该高压电源17能够对阴极11加载一个相对于阳极14的负高压电，进而能够使得阴极11产生的电子被加速，并通过栅极13汇聚成电子束20后，从阳极14上的孔穿过。本实施例中，上述栅极13相对阴极11加载一个负电压，通过改变该电压值，能够调节形成的电子束20的电流，进而实现不同的电子束20功率(具体是，电压值越低，电子束20电流越小)。本实施例中，上述高压电源17高压 -60kV～-100kV，电子束20电流0-150mA。在一个具体实施例中，上述高压电源 17电压为-60kV，栅极13电压相对于-60kV为0至-2000V。

上述聚焦线圈18设置在阳极14的下方，其用于使得电子束20进一步会聚，以达到加热和熔化粉末材料的目的。上述偏转线圈19位于聚焦线圈18的下方，用于使得经聚焦线圈18会聚后的电子束20偏转并按照预设的路径移动，对放置好的材料进行扫描熔化。

下面对本实施例的上述增材制造装置的增材制造方法加以阐述说明：

具体的，可参照图3，该增材制造方法包括以下步骤：

S10、调节成形室2内的真空度至预设的真空度。

即在进行增材制造时，首先将成形室2(具体是下真空腔室22)内的真空度调节至预设的真空度，具体是控制器25通过压力传感器28检测成形室2内的压力，并将检测的气压值与给定的气压值进行比较，根据比较结果控制流量控制器27的流量，以调节下真空腔室22内的真空度。其中在测量的气压值大于给定的气压值时，通过流量控制器27降低进入下真空腔室22的惰性气体的流量；在测量的气压值小于给定的气压值时，通过流量控制器27增加进入下真空腔室22的惰性气体的流量。通过上述惰性气体的流量控制，能够控制下真空腔室22内的真空度达到预设的真空度。该真空度能够满足电子束20的使用环境的要求，同时避免粉末材料被加热和熔化时被氧化。

进一步的，本实施例还通过抽真空设备8对成形室2的上真空腔室21进行抽真空，在后续射线发生装置1产生电子束20时，防止阴极11在高温环境下发生氧化。

S20、通过激光器12产生激光，并由激光加热阴极11，使阴极11逸出电子。

即通过激光器12产生激光，并通过光纤15以及光纤固定头16使得产生的激光垂直射入成形室2内，并照射在阴极11上，阴极11被激光加热后逸出电子。

S30、通过栅极13汇聚阴极11逸出的电子，并形成电子束20。

即通过栅极13将阴极11逸出的电子汇聚形成电子束20，在该步骤中，可以通过调整高压电源17的电压值，来改变电子束20的电流，进而实现不同的电子束20的功率。

S40、通过阳极14与阴极11之间形成的电位差，使得电子束20穿过阳极 14。

即通过阳极14接地，阴极11连接高压电源17并由高压电源17加载一个负高电压，使得阴极11和阳极14之间产生电位差，通过电位差使得电子束20 加速并穿过阳极14上的孔。

S50、通过聚焦线圈18会聚电子束20，并通过偏转线圈19使电子束20偏转，并按照预设的路径移动，对放置好的材料进行扫描熔化。

在本步骤中，通过聚焦线圈18会聚电子束20并通过偏转线圈19偏转电子束20后，需要对放置好的粉末材料进行扫描预热，具体的该扫描预热采用光栅式的扫描预热方式进行，上述光栅式的扫描预热为：电子束20沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉末层扫描。

更为具体的，可参照图4，首先，预先将粉末层沿竖直方向分成M₁个水平区域，上述M₁个区域覆盖整个三维零件的截面区域，在每个区域内平行设有N₁个扫描路径H；之后，将粉末层沿水平方向分成M₂个竖直区域，在每个竖直区域内平行设有N₂个扫描路径V，同样的，上述M₂个区域也覆盖整个三维零件的截面区域。

之后，控制电子束20沿M₁个水平区域内的扫描路径H(m₁，n₁)以及M₂个竖直区域内的扫描路径V(m₂，n₂)交替的对粉末层进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m₁＝1，2，3…M₁，n₁＝1，2，3…N₁，m₂＝1，2，3…M₂，n₂＝1，2， 3…N₂。

在进行预热扫描时，首先，将上述每个区域内的扫描路径编号，例如，将 M₁个区域内的第一条扫描路径依次编号为H(1，1)、H(2，1)、H(3，1)…H (m₁，1)，将M₁个区域内的第二条扫描路径依次编号为H(1，2)、H(2，2)、H (3，2)…H(m₁，2)，以此类推，将M₁个区域内的第N₁条扫描路径依次编号为 H(1，n₁)、H(2，n₁)、H(3，n₁)…H(m₁，n₁)。同时，将M₂个区域内的第一条扫描路径依次编号为V(1，1)、V(2，1)、V(3，1)…V(m₂，1)，将M₂个区域内的第二条扫描路径依次编号为V(1，2)、V(2，2)、V(3，2)…V(m₂，2)，以此类推，将M₂个区域内的第N₂条扫描路径依次编号为V(1，n₂)、V(2，n₂)、 V(3，n₂)…V(m₂，n₂)。通过上述编号，即形成光栅式扫描所需的扫描路径。

随后，控制电子束20依次根据上述形成的光栅式扫描路径进行扫描，具体是控制电子束20按以下扫描规律依次对粉末层进行扫描： H(1-1)、V(1-1)、H(2-1)、V(2-1)、H(3-1)、V(3-1)……H(m₁-1)、V (m₂-1)；H(1-2)、V(1-2)、H(2-2)、V(2-2)、H(3-2)、V(3-2)……H(m₁-2)、 V(m₂-2)；……；H(1-n₁)、V(1-n₂)、H(2-n₁)、V(2-n₂)、H(3-n₁)、V(3-n₂)…… H(m₁-n₁)、V(m₂-n₂)，直至电子束20沿所有扫描路径对粉末层扫描一次，即完成了整个光栅式扫描，然后重复以上过程，反复加热该截面区域进行预热。

需要说明的是，对于M₁个水平区域内的扫描路径H，本实施例的扫描顺序可以是从上往下或从下往上；对于M₂个竖直区域内的扫描路径V，扫描顺序可以是从左往右或从右往左。因此可以引申出四种扫描顺序，即：从上往下+从左往右、从上往下+从右往左、从下往上+从左往右以及从下往上+从右往左，上述四种扫描顺序均处于本实施例的保护范围内。本实施例中，前述的扫描规律即为从下往上+从右往左的扫描顺序。

本实施例中，上述扫描路径H(m₁，n₁)与扫描路径H(m₁+1，n₁)之间的距离D₁大于所述扫描路径H(m₁，n₁)与扫描路径H(m₁，n₁+1)之间的距离d₁，其中，上述m₁小于M₁，上述n₁小于N₁；

上述扫描路径V(m₂，n₂)与扫描路径V(m₂+1，n₂)之间的距离D₂大于上述扫描路径V(m₂，n₂)与扫描路径V(m₂，n₂+1)之间的距离d₂，其中，上述m₂小于M₂，上述n₂小于N₂。通常，上述距离D₁和D₂在5mm以上，距离d₁和d₂在 0.1mm-2mm之间，以便于多次的扫描，而且通过水平、垂直交替进行的扫描可以使预热扫描形成的温度场更加均匀，也最大限度地避免电荷集中。

本实施例中，可以采用上述方式进行多遍扫描预热，使得扫描区域内材料的温度按照预设的速率升温或者降温。

在扫描预热结束后，通过电子束20对预热后的粉末材料进行熔化，使得粉末材料形成三维零件的一个截面层。

本实施例的上述增材制造装置和增材制造方法，通过激光器12产生激光，并由激光加热阴极11，使得阴极11产生电子并形成电子束20，其相较于现有技术的电加热阴极11的方式，无需大电流加热，避免了因流产生磁场会影响电子的分布，提高了阴极11的寿命，也提高了增材制造时束斑的质量以及增材制造的质量和效率。而且本实用新型的上述结构，其结构简单，便于制造和维护。

实施例二

本实施例的增材制造装置和实施例一的区别在于本实施例的增材制造装置为送丝式，而非实施例一所述的铺粉式结构。

在本实施例中，可参照图5，该增材制造装置包括射线发生装置1以及金属丝10料盘9，在金属丝10料盘9上设有金属丝10，上述射线发生装置1形成的电子束20会在三维零件的已成型部分上形成熔池，具体是三维零件的已成型部分放置在至少具有X、Y、Z三个运动自由度的平台上，平台按照编程确定的路径移动，随后通过电子束20在该已成型部分上形成熔池。

之后通过金属丝10料盘9进行金属丝10的输送，使得金属丝10填入熔池，并通过电子束20加热融化堆积，通过堆积的形式制造出三维零件。

本实施例的增材制造装置的增材制造方法与实施例一也有所区别，其在调节好成形室2的真空度以及形成电子束20后，需要额外移动平台来使得三维零件的已成型部分上形成所需的熔池，随后在通过融化金属丝10于熔池内的方式，堆积形成三维零件。

本实施例的增材制造装置通过激光器12产生激光，并由激光加热阴极11，使得阴极11产生电子并形成电子束20，其相较于现有技术的电加热阴极11的方式，无需大电流加热，避免了因流产生磁场会影响电子的分布，提高了阴极 11的寿命，也提高了增材制造时束斑的质量以及增材制造的质量和效率。而且本实用新型的上述结构，其结构简单，便于制造和维护。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种增材制造装置，包括射线发生装置(1)，其特征在于，所述射线发生装置(1)包括：

阴极(11)，受热后能够逸出电子；

激光器(12)，用于产生激光，所述激光用于加热所述阴极(11)；

栅极(13)，用于汇聚所述电子形成电子束(20)；

阳极(14)，位于所述阴极(11)下方且接地设置，所述阳极(14)中间开设有孔，所述阳极(14)和所述阴极(11)之间形成有用于使所述电子束(20)穿过所述孔的电位差。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述射线发生装置(1)还包括光纤(15)，所述光纤(15)连接于所述激光器(12)，用于传导所述激光。

3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述射线发生装置(1)还包括光纤固定头(16)，所述光纤固定头(16)连接于所述光纤(15)，用于使所述光纤(15)传导的激光垂直的加热所述阴极(11)。

4.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，所述光纤固定头(16)上设置有可拆卸的玻璃片，所述激光经所述玻璃片通过并加热所述阴极(11)。

5.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括高压电源(17)，所述高压电源(17)分别连接阴极(11)以及栅极(13)。

6.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括成形室(2)，所述成形室(2)内部为真空环境，所述激光器(12)位于所述成形室(2)的顶部外侧，所述阴极(11)、栅极(13)以及阳极(14)位于所述成形室(2)的顶部内侧。

7.根据权利要求6所述的增材制造装置，其特征在于，所述成形室(2)包括上真空腔室(21)以及下真空腔室(22)，所述上真空腔室(21)和下真空腔室(22)均连接有抽真空设备(8)。

8.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述阴极(11)设有圆环形底面，所述圆环形底面能够逸出所述电子。