一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法。用于实现当前3D打印技术及常规锻、铸方法难以实现的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的加工制造。它包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组、主控制系统、选丝及送丝系统、送丝管理单元、电子枪运动工作台、成形零件带载工作台、电源控制系统、电子枪电磁控制系统、电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元、机器视觉识别装置、图像处理单元、熔丝路径规划系统；该装置载丝种类多且量大，可以大幅提高异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件加工制造的生产效率；电子束源根据熔化丝材的材质，实时调节输出功率，满足其熔化沉积成形的需求。

Device and method for increasing electron beam melting material for manufacturing gradient material

The invention discloses an electron beam fuse material increasing device and method for realizing gradient material preparation. It is used to realize the manufacture of hetero-laminated metal structure and embedded special material parts which are difficult to be realized by current 3D printing technology and conventional forging and casting methods. It includes electronic gun, high voltage power supply, vacuum chamber and vacuum pump group, main control system, wire selection and wire feeding system, wire feeding management unit, electronic gun motion worktable, forming part carrying worktable, power control system, electronic gun electromagnetic control system, electronic gun motion control unit, worktable motion control unit and machine. The device, the image processing unit and the fuse path planning system, can improve the production efficiency of the heterogeneous laminated metal structure and the embedded special material parts, and the electronic beam source can adjust the output power to meet the melting sink according to the material of the molten wire. The demand for product forming.

【技术实现步骤摘要】
一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法
本专利技术涉及增材制造领域，具体的说，是一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，本专利技术还涉及实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造方法。
技术介绍
增材制造技术是近二十年来制造
的一次重大革新，是一种能有效缩短研制周期、降低成本，并且能制造一些采用常规技术难以制造的形状复杂的零部件新型制造技术，采用增材制造技术可以快速、直接、准确地将设计思想转化为具有一定结构性能的零件。当前，增材制造装置主要有以等离子、电弧、电子束、激光等为热源装置。以等离子或电弧为热源的增材制造技术，由于其弧柱截面积大，使加热区域很大，难以应用于选区熔化，当前主要应用于熔丝增材制造。但由于这两种热源都是在大气环境下工作，难以用于钛合金等高附加值材料的快速制造；此外这两种热源的弧柱难以大幅压缩，导致单位面积热输入极小，也很难用于带有高熔点材料的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的制备。以电子束为热源的增材制造技术包括电子束选区熔化增材制造和电子束熔丝增材制造，这两种技术工作模式差别较大。电子束选区熔化增材制造除了真空电子束装置以外，还需要送粉、铺粉、粉末回收、气氛控制等装置，一般用于小型复杂结构零部件的加工。如果制造异质叠层零部件，则成形一层材料后，在成形下一层材料前，需要全部更换粉缸内的金属粉末，清理粉末回收装置中的金属粉末；如此反复，使得生产效率及其低下。并且粉末清理很难做到百分之百干净，难免会使不同材质金属材料混合在一起，再次分离费时费力，很容易造成金属粉末的污染，难以回收利用。在当前技术条件下，电子束选区熔化制造异质叠层金属结构的零部件几乎不可能实现。目前，国内外电子束熔丝成形技术一般都是用来制造同种材料的零部件，普遍采用单丝或双丝送丝装置，按照预定轨迹成形出零部件。如果需要制备异质叠层金属结构、内埋异种材料的零部件，现有装置需要频繁启/停电子束源和真空系统、更换不同材料丝材，对于小型电子束熔丝试验装置，用于试验研究，勉强能够使用。但对于大型结构的零部件，真空室体积相对要大得多，频繁启/停大型真空系统，使得生产效率难以大幅提高；频繁更换丝材，使得成形零部件质量难以保障。现有电子束熔丝沉积增材制造装置已经难以适应异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的制造需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法，实现当前3D打印技术及常规锻、铸方法难以实现的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的加工制造。为解决上述技术问题，本专利技术一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组，还包括：主控制系统，用于对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行统筹控制，接收相关子系统的反馈信息，并发出工作指令；至少两套选丝及送丝系统，用于实现装载丝、选丝及送丝过程，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；送丝管理单元，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝器根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，另外一个载丝器电机保持停止状态；电子枪运动工作台，用于装载电子枪，并接收主控制系统指令，带动电子枪按照设定路径移动；成形零件带载工作台，承载金属基板及其零件，并受主控制系统控制进行移动；电源控制系统，用于对相关电源参数进行控制，包括加速电源控制电路、灯丝加热电源控制电路、偏压电源控制电路、丝材对应功率调节电路；电子枪电磁控制系统，接受主控制系统控制，用于根据不同丝材调节聚焦电流输出、调整电子束束斑加热区域、改变磁场分布，包括合轴线圈控制电路、聚焦线圈控制电路、扫描线圈控制电路、丝材对应聚焦电流调节电路；电子枪运动控制单元，包括使电子枪进行空间运动的控制电路；工作台运动控制单元，用于控制成形零件带载工作台运动；机器视觉识别装置，用于采集工作区图像信息；图像处理单元，用于将采集的工作区图像进行处理后，发送至主控制系统；熔丝路径规划系统，用于将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台的空间运动参数。上面所述主控制系统为基于CNC与PLC的控制系统。上面所述选丝及送丝系统包括第一选丝及送丝系统、第二选丝及送丝系统、第三选丝及送丝系统、第四选丝及送丝系统。上面所述每一套选丝及送丝系统包括两个载丝器，每个载丝器可以装载同种或异种丝材，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝器根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，另外一个载丝器电机保持停止状态。上面所述主控制系统中保存有预先获得的每一种丝材的最佳成形效果所需要的功率及对应的束流参数形成的工艺数据库，在熔丝成形过程中，主控制系统将丝材选用信号输入到丝材对应的功率调节电路，该电路调用工艺数据库中的功率参数，调节高压电源给定信号、灯丝加热电流给定信号、束流给定信号。上面所述真空室及真空泵组包括：真空室、真空室的真空泵组、真空室真空度检测电路、电子枪真空泵组、电子枪真空度检测电路。在熔丝成形过程中，所述熔丝路径规划系统将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台空间运动速度、方向信息，输入到主控制系统中，主控制系统在熔丝成形过程中，发出指令，并由电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元进行运动控制。一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造方法，包括以下步骤：（1）根据所加工的零件，分析所需要的丝材种类，将每一种丝材所需要的功率存储在丝材对应功率调节电路中，每一种丝材所需要的聚焦电流存储在丝材对应聚焦电流调节电路中；（2）在熔丝路径规划系统中对零件进行分层，对于每一层的熔丝沉积，规划规划电子枪运动工作台、成形零件带载工作台不同时刻的运动速度和方向，将相关数据存储到主控制系统中；（3）为各个送丝单元载丝器装载丝材所需要的各种丝材；在真空室真空度达到设定要求后，主控制系统输出控制电子枪运动到指定位置；（4）主控制系统按照预先设定程序启动所需要选丝及送丝系统，送出所需丝材，同时启动高压电源、聚焦电流调节电路，按照预定轨迹，完成一种丝材熔丝沉积后，关闭高压电源和聚焦电流调节电路；（5）主控制系统控制选丝及送丝系统对丝材进行更换；然后通过调整电子枪运动工作台、成形零件带载工作台，将电子枪熔丝堆积点调整到新的位置，重新开启高压电源和聚焦电流调节电路，按照预定轨迹，再次熔丝堆积成形；重复（4）、（5）步骤，直到零件加工完成。采用上述方案后，由于设置了主控制系统、选丝及送丝系统、送丝管理单元、电子枪运动工作台、成形零件带载工作台、电源控制系统、电子枪电磁控制系统、电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元、机器视觉识别装置、图像处理单元、熔丝路径规划系统，主控制系统与其他子系统实现信息、指令自由流通；得以对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行精确、高效的统筹控制；并具备以下优点：（1）载丝种类多且量大，可以大幅提高异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件加工制造的生产效率；（2）电子束源根据熔化丝材的材质，实时调节输出功率，满足其熔化沉积成形的需求；（3）电子枪运动机构带动送丝单元一起运动，提高控制的灵活性。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组，其特征在于，还包括：主控制系统，用于对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行统筹控制，接收相关子系统的反馈信息，并发出工作指令；至少两套选丝及送丝系统，用于实现装载丝、选丝及送丝过程，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；送丝管理单元，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝器根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，不工作的载丝器电机保持停止状态；电子枪运动工作台，用于装载电子枪，并接收主控制系统指令，带动电子枪按照设定路径移动；成形零件带载工作台，承载金属基板及其零件，并受主控制系统控制进行移动；电源控制系统，用于对相关电源参数进行控制，包括加速电源控制电路、灯丝加热电源控制电路、偏压电源控制电路、丝材对应功率调节电路；电子枪电磁控制系统，接受主控制系统控制，用于根据不同丝材调节聚焦电流输出、调整电子束束斑加热区域、改变磁场分布，包括合轴线圈控制电路、聚焦线圈控制电路、扫描线圈控制电路、丝材对应聚焦电流调节电路；电子枪运动控制单元，包括使电子枪进行空间运动的控制电路；工作台运动控制单元，用于控制成形零件带载工作台运动；机器视觉识别装置，用于采集工作区图像信息；图像处理单元，用于将采集的工作区图像进行处理后，发送至主控制系统；熔丝路径规划系统，用于将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台的空间运动参数。...

【技术特征摘要】
1.一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组，其特征在于，还包括：主控制系统，用于对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行统筹控制，接收相关子系统的反馈信息，并发出工作指令；至少两套选丝及送丝系统，用于实现装载丝、选丝及送丝过程，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；送丝管理单元，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝器根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，不工作的载丝器电机保持停止状态；电子枪运动工作台，用于装载电子枪，并接收主控制系统指令，带动电子枪按照设定路径移动；成形零件带载工作台，承载金属基板及其零件，并受主控制系统控制进行移动；电源控制系统，用于对相关电源参数进行控制，包括加速电源控制电路、灯丝加热电源控制电路、偏压电源控制电路、丝材对应功率调节电路；电子枪电磁控制系统，接受主控制系统控制，用于根据不同丝材调节聚焦电流输出、调整电子束束斑加热区域、改变磁场分布，包括合轴线圈控制电路、聚焦线圈控制电路、扫描线圈控制电路、丝材对应聚焦电流调节电路；电子枪运动控制单元，包括使电子枪进行空间运动的控制电路；工作台运动控制单元，用于控制成形零件带载工作台运动；机器视觉识别装置，用于采集工作区图像信息；图像处理单元，用于将采集的工作区图像进行处理后，发送至主控制系统；熔丝路径规划系统，用于将熔丝成形轨迹转化为电子枪、成形零件带载工作台的空间运动参数。2.根据权利要求1所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述主控制系统为基于CNC与PLC的控制系统。3.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述选丝及送丝系统包括第一选丝及送丝系统、第二选丝及送丝系统、第三选丝及送丝系统、第四选丝及送丝系统。4.根据权利要求1或2所述的实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，每一套选丝及送丝系统包括两个载丝器，每个载丝器可以装载同种或异种丝材，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝器根据所获得的指令，决定所需载丝器电机正转，对外输出丝材，其它载丝器电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：许海鹰，左从进，黄志涛，邢一思，桑兴华，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11