复合式电子束增材制造设备及工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种复合式电子束增材制造设备及工艺，该设备的电子束枪的底座上安装送丝喷嘴和送粉喷嘴，送粉喷嘴与送粉系统连接，金属丝通过送丝机送入送丝喷嘴，组成复合式电子束增材熔化系统；电子束枪的底座上设有XYZ三坐标移动驱动机构，XYZ三坐标移动驱动机构连接XYZ三坐标移动驱动控制器，XYZ三坐标移动驱动控制器根据零件成型要求控制XYZ三坐标移动驱动机构准确移动电子束枪，以及送丝喷嘴和送粉喷嘴同步移动，使得零件在需要的位置进行沉积；电子束枪发射电子束将金属丝和成型基板表面熔化，凝固后形成沉积层；并使金属粉末熔化，沉积在成型基板表面形成沉积层，从而实现零件的复合式增材制造，同时满足制造的效率要求和精度要求。

Compound electron beam additive manufacturing equipment and technology

【技术实现步骤摘要】
复合式电子束增材制造设备及工艺
本专利技术涉及一种金属3D打印设备，尤其是一种电子束增材打印设备。
技术介绍
增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。目前可用于直接制造金属功能零件的主要金属3D打印工艺有：包括选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(DirectMetalLaserSintering，DMLS)、选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)技术、激光近净成形(LaserEngineeredNetShaping，LENS)技术和电子束选择性熔化(ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM)技术等。选择性激光烧结(SLS)，选择性激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。由于烧结好的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。选择性激光熔化，SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。选择性激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，但是成型范围小，成型效率非常低，成本高昂。激光熔化沉积(LaserMetalDeposition，LMD)于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出，随后在全世界很多地方相继发展起来，由于许多大学和机构是分别独立进行研究的，因此这一技术的名称繁多，虽然名字不尽相同，但是他们的原理基本相同，成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体。LENS技术使用的是千瓦级的激光器，由于采用的激光聚焦光斑较大，一般在1mm以上，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但其尺寸精度和表面光洁度都不太好，需进一步进行机加工后才能使用。在研究领域，也出现了采用激光技术的复合式增材制造技术，采用激光作为能量源，结合送丝和送粉技术，进行复合式增材制造，但是由于激光需要进行聚焦，同时实现送丝与送粉的结构复杂，并且激光的效率较低，在实际生产中难以实现。
技术实现思路
针对上述现有技术的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的复合式电子束增材制造装备及工艺，以解决现有直接能量沉积3D打印生产中存在的精度低、效率低、加工成本高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种复合式电子束增材制造设备，具有一个可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板，一个用于熔化金属丝和金属粉末的电子束枪，一个送丝喷嘴，以及一个送粉喷嘴，所述电子束枪的底座上安装送丝喷嘴和送粉喷嘴，送粉喷嘴与送粉系统相连接，金属丝通过送丝机送入送丝喷嘴，组成复合式电子束增材熔化系统；所述成型基板置于复合式电子束增材熔化系统下方；所述电子束枪的底座上设有XYZ三坐标移动驱动机构，XYZ三坐标移动驱动机构连接XYZ三坐标移动驱动控制器，所述XYZ三坐标移动驱动控制器根据零件成型要求控制XYZ三坐标移动驱动机构准确移动电子束枪，以及送丝喷嘴和送粉喷嘴同步移动，使得零件在需要的位置进行沉积；所述电子束枪发射电子束，聚焦在金属丝和成型基板表面，同时将金属丝和成型基板表面熔化，金属丝熔化后液滴与成型基板表面结合，凝固后形成沉积层；所述送粉系统将金属粉末送入送粉喷嘴，使金属粉末在下落过程中被电子束枪发射的电子束熔化，沉积在成型基板表面形成沉积层，从而实现零件的复合式增材制造。进一步，所述成型基板设有可沿垂直轴旋转的转动驱动机构，以及可沿水平轴倾斜的倾斜驱动调节机构，转动驱动机构和倾斜驱动调节机构连接沉积控制器，由沉积控制器转动驱动机构和倾斜驱动调节机构，使成型基板进行旋转和倾斜动作。保证零件特殊形状得到成型。进一步，所述送丝机连接沉积控制器，由沉积控制器按照设定的程序调节送丝机的送丝速度，使金属丝送入送丝喷嘴。进一步，所述送丝喷嘴的角度和位置根据光斑的位置设置，用于确保金属丝熔化后沉积在成型基板上。进一步，所述送粉系统采用螺杆式结构，所述螺杆式结构将金属粉末进行预混合挤压后送入送粉喷嘴。进一步，所述电子束枪发射的电子束熔化从下落过程中的金属粉末，所述金属粉末根据零件成型要求，沉积在发生送丝沉积的缺陷位置。进一步，所述金属丝及金属粉末的材质为不锈钢、钛合金、铜合金、高温合金中的任一种。一种采用复合式电子束增材制造设备的零件成形工艺，采用送丝沉积和送粉沉积相复合方法，将零件模型切片后分成两部分，一部分通过电子束熔丝进行沉积，另一部分精细部位通过电子束熔粉沉积，整体沉积完成后，再用电子束熔粉沉积进行补偿。与现有技术相比，本专利技术解决了以下问题，具有以下有益效果：1.本专利技术提供了一种复合式电子束增材制造设备与工艺，包括电子束枪、送丝喷嘴、送粉喷嘴、金属丝、送粉系统、成型基板、沉积层。采用电子束作为能量源，结合送丝和送粉技术进行复合式3D打印，送丝打印效率高、精度低，送粉技术效率低，但是精度高，实现金属机构件的复合式增材制造，同时满足制造的效率要求和精度要求。2.所述电子束枪采用常规电子束枪，能量转换效率高，输入功率小，可以有效控制沉积过程中的输入热量，减少变形，控制金属材料凝固质量。3.所述送丝喷嘴，可以将不同规格的金属丝材根据熔积策略需要将丝材准确地送到电子束光斑区域，实现电子束送丝直接能量沉积。4.所述送粉喷嘴，可以将不同规格的金属粉末，准确地送到电子束光斑区域，实现电子束送粉直接能量沉积。5.所述成型基板，可以作为零件成型的辅助基板，也可以作为零件的一部分，提高成型的效率。6.本专利技术的工艺采用电子束技术，在成型基板上采用电子束送丝沉积零件的主要尺寸，再采用电子束送粉技术对零件的精细尺寸进行补偿，不仅成型效率高，而且精度可控，成本低，零件打印质量稳定。附图说明图1为本专利技术的复合式电子束增材制造设备结构示意图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术的复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合式电子束增材制造设备，具有一个可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板，一个用于熔化金属丝和金属粉末的电子束枪，一个送丝喷嘴，以及一个送粉喷嘴，其特征在于：所述电子束枪的底座上安装送丝喷嘴和送粉喷嘴，送粉喷嘴与送粉系统相连接，金属丝通过送丝机送入送丝喷嘴，组成复合式电子束增材熔化系统；所述成型基板置于复合式电子束增材熔化系统下方；所述电子束枪的底座上设有XYZ三坐标移动驱动机构，XYZ三坐标移动驱动机构连接XYZ三坐标移动驱动控制器，所述XYZ三坐标移动驱动控制器根据零件成型要求控制XYZ三坐标移动驱动机构准确移动电子束枪，以及送丝喷嘴和送粉喷嘴同步移动，使得零件在需要的位置进行沉积；所述电子束枪发射电子束，聚焦在金属丝和成型基板表面，同时将金属丝和成型基板表面熔化，金属丝熔化后液滴与成型基板表面结合，凝固后形成沉积层；所述送粉系统将金属粉末送入送粉喷嘴，使金属粉末在下落过程中被电子束枪发射的电子束熔化，沉积在成型基板表面形成沉积层，从而实现零件的复合式增材制造。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合式电子束增材制造设备，具有一个可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板，一个用于熔化金属丝和金属粉末的电子束枪，一个送丝喷嘴，以及一个送粉喷嘴，其特征在于：所述电子束枪的底座上安装送丝喷嘴和送粉喷嘴，送粉喷嘴与送粉系统相连接，金属丝通过送丝机送入送丝喷嘴，组成复合式电子束增材熔化系统；所述成型基板置于复合式电子束增材熔化系统下方；所述电子束枪的底座上设有XYZ三坐标移动驱动机构，XYZ三坐标移动驱动机构连接XYZ三坐标移动驱动控制器，所述XYZ三坐标移动驱动控制器根据零件成型要求控制XYZ三坐标移动驱动机构准确移动电子束枪，以及送丝喷嘴和送粉喷嘴同步移动，使得零件在需要的位置进行沉积；所述电子束枪发射电子束，聚焦在金属丝和成型基板表面，同时将金属丝和成型基板表面熔化，金属丝熔化后液滴与成型基板表面结合，凝固后形成沉积层；所述送粉系统将金属粉末送入送粉喷嘴，使金属粉末在下落过程中被电子束枪发射的电子束熔化，沉积在成型基板表面形成沉积层，从而实现零件的复合式增材制造。


2.根据权利要求1所述的复合式电子束增材制造设备，其特征在于：所述成型基板设有可沿垂直轴旋转的转动驱动机构，以及可沿水平轴倾斜的倾斜驱动调节机构，转动驱动机构和倾斜驱动调节机构连接沉积控制器，由沉积控制器转动驱动机构和倾斜驱动调节机构，使成型基板进行旋转和倾斜动作，保...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志强，沈爱萍，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31