一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备制造技术

一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备，涉及一种利用高能束流，对材料依层烧结或熔化沉积，实现分层实体制造的技术与装置。本发明专利技术的特点是电子束扫描控制装置可以控制电子束在指定区域内以图形投影方式快速扫描，均匀加热粉末。电子束每一次扫描选定成形区域的时间极短，以至扫描起始点的温度还没有发生较大变化时，整个成形区域就已经扫描完成，经过一帧或多帧扫描，成形区域内材料阶梯式同步升温，共同达到烧结或重熔所需的温度，一起沉积到成形区域上，然后同步地降温。由于整体成形区域内的材料同步升温、烧结、沉积和降温，因此产生的热应力可大大减小，提高零件成形的精度和质量。

Electron beam selective synchronous sintering process and three-dimensional layered manufacturing equipment

The invention relates to an electron beam selective synchronous sintering process and a three-dimensional layered manufacturing equipment, in particular to a technique and a device for realizing layered solid fabrication of materials by layer sintering or melting deposition using high energy beam. The invention is characterized in that the electron beam scanning control device can control the electron beam to scan rapidly in a designated area, and uniformly heats the powder. Each time the electron beam scans the selected forming areas in a very short period of time, and scanning the starting point of the temperature hasn't changed, the whole forming area was scanning, after one or more frames to scan, forming regional material ladder synchronous heating, sintering or remelting temperature required to achieve, together with the deposition to the forming of the region, and then synchronized cooling. Due to the synchronous heating, sintering, deposition and cooling of the material in the overall forming area, the thermal stress can be greatly reduced, and the accuracy and quality of the forming of the parts can be improved.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种利用高能束流，对材料依层烧结或熔化沉积，实现分层实体制造的技术与装置。
技术介绍
零件的分层制造或称快速成形是解决单件、小批量功能零件快速、低成本制造的有效方法。目前的主要工艺是利用高能激光束或电子束进行逐点逐层的扫描，以熔化金属微粒，堆积成形。具体方法是选区烧结和熔覆两种。典型工艺是激光选区烧结(Journal of MaterialsProcessing Technology，2003，141(1))和激光工程化近成形(Proceedings of The 10thSolid Freeform Fabrication Symposium，University of Texas Austin，August 9-11，1999)。以及采用电子束的有电子束熔化(Rapid Prototyping Journal，2004 10(1))技术。基于电子束的快速成形技术与基于激光的快速成形技术相比具有能量转换率和吸收率高、运行成本低、有利于金属材料烧结的真空环境等特点，特别是电子束扫描无惯性，可以数千赫兹、每秒数十米的速度扫描。在前述的快速成形技术中，与本申请最接近的是上述电子束熔化技术。它也是一种选区烧结的工艺。先在成形区域铺上一层材料粉末，用电子束(对于其它工艺就是激光)将零件的横截面一次性、逐点或分区地扫描到到成形区域上，电子束焦点扫描到的地方材料粉末烧结并沉积，整个零件截面扫描完后，工作台下降一个层厚的高度，在成形区域铺上新的材料粉末层，进行下一层零件截面的扫描。如此反复直到整个零件烧结沉积完成。该方法的特点是在一个较短暂的时间内(如1秒)电子束(或激光)只加热整个成形区域中的一个局部，而且，材料粉末随电子束(或激光)焦点的移动而依次完成烧结并沉积在成形区域内。由于受到能量密度和材料烧结特性的限制，上述分层制造工艺为了通过一次扫描完成材料的烧结沉积，电子束或激光的扫描速度受到限制，只能逐点或分区加热，材料粉末也只能逐点或分区被烧结沉积。因此加热的均匀性较差，而且效率较低。由于材料受热不均匀，烧结过程产生较大的热应力。当加工完成后，零件内存在较大的残余应力。这些应力对零件的精度和力学性能都有不良影响。特别是烧结过程的热应力，严重时会导致零件翘曲、开裂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能实现电子束选区同步烧结工艺的三维分层制造设备，实现任意复杂曲线/区域的投影式扫描，使扫描区域内的粉末均匀受热，同步升温、同步烧结、同步降温，减小因温度和烧结不均匀而产生的内应力。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的一种电子束选区同步烧结三维分层制造设备，包括真空室，设在真空室顶部的电子枪，分别与电子枪和真空室相连的真空系统以及为电子枪各部分供电的高压电源和控制各组成部分的控制计算机；在所述的真空室内设有铺粉平台，设置在铺粉平台上的粉末铺压装置和铺粉平台中心的活塞式成型缸以及设在铺粉平台上方的粉末供给装置；在所述的电子枪内从下至上依次设有扫描磁透镜、聚焦磁透镜、阳极和聚束极，其特征在于该设备还包括用于实现电子束投影式扫描的控制电路，所述扫描控制电路由以下部分构成通过控制指令传输线路连接于控制计算机的控制器，通过数据总线、地址总线和控制总线连接于控制器的存储器，通过数据总线与控制器连接的电子枪扫描磁透镜驱动电路，通过数据总线与控制器连接的电子枪聚束极电压调控电路，与控制计算机的一个电压信号输出端相连的工作频率控制电路；所述工作频率控制电路还通过其输出信号线路与控制器、电子枪扫描磁透镜驱动电路、电子枪聚束极电压调控电路相连；所述电子枪扫描磁透镜驱动电路均包括处于输入端位置并与控制器通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，以及与数模转换器输出端相连的功率放大器；所述电子枪聚束极电压调控电路包括处于输入端位置并与控制器通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，与数模转换器输出端相连的电压放大器，与数模转换器输出端和聚束极初始设定电压相连的电压叠加元件；所述工作频率控制电路包括一个电压—频率转换元件。本专利技术所述的三维分层制造设备，其特征在于该设备还包括使粉末材料预热的装置，所述装置包括设在真空室外的温控表，布置在粉末供给装置中并与温控表相连的温度传感器以及布置在粉末供给装置中并与温控表相连的电阻加热丝。本专利技术提供的一种实现电子束选区同步烧结的工艺方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)控制计算机按照预先设定的主程序调用Z轴控制子程序，控制活塞式成形缸的活塞相对铺粉平台下降一个高度，该高度等于预先设定的铺粉厚度；2)主程序调用供铺粉控制子程序，控制粉末供给装置输送出经过预热并且总量预先设定的粉末，然后控制粉末铺压装置将粉末送至所述活塞式成型缸上部空间内并铺平、压实，随后将多余粉末推入余料回收箱；3)主程序调用扫描路径生成子程序，读取零件CAD模型一个截面的轮廓线信息，生成一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，控制电子束在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域预热，使材料粉末的温度同步升高到预先设定的值；4)主程序再调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域内的粉末进行微烧结，将其固定住，防止其在随后的扫描步骤中脱离位置；5)主程序再调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域的粉末进行烧结或熔化，使成形区域内粉末固结为一个层片，并与前一个相邻层片之间也发生固结；6)主程序调用扫描路径生成子程序，根据已经读取的轮廓线信息，生成另一组扫描路径，并按照预先设定的方式离散化后得到一系列依序排列的二维点的坐标，存储在计算机中，主程序再调用指令生成子程序，依次读取这些点的坐标并附加一个电子束束流强度控制值，生成指令向电子束投影式控制电路发送，所述控制电路在相应于零件截面的粉末表面区域内进行一帧或几帧投影，对成形区域内材料层的降温过程进行控制，使其以期望的速度降温；7)主程序对零件CAD模型的下一个截面重复以上1)～6)个步骤，直至所有需要加工的层面加工完毕，即得到三维零件的形状。上述步骤1～6，完成一层成形选区的加热、烧结或重熔并沉积的过程称为一个层片加工循环。上述步骤中的1～2构成一个粉末操纵循环，3～6即构成一个电子束投影式扫描循环。在本专利技术所述的方法中，电子束投影式扫描循环中每一次投影的形状等于当前的零件截面图形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子束选区同步烧结三维分层制造设备，包括真空室（１６），设在真空室顶部的电子枪（４），分别与电子枪和真空室相连的真空系统（５、６）以及为电子枪各部分供电的高压电源（１９）和控制各组成部分的控制计算机（１０）；在所述的真空室内设有铺粉平台（１４），设置在铺粉平台上的粉末铺压装置（１２）和铺粉平台中心的活塞式成型缸（２０）以及设在铺粉平台上方的粉末供给装置（１１）；在所述的电子枪内从下至上依次设有扫描磁透镜（１８）、聚焦磁透镜（１７）、阳极（３）和聚束极（２），其特征在于：该设备还包括用于实现电子束投影式扫描的控制电路，所述扫描控制电路由以下部分构成：通过控制指令传输线路连接于控制计算机（１０）的控制器（２３），通过数据总线、地址总线和控制总线连接于控制器（２３）的存储器，通过数据总线与控制器（２３）连接的电子枪扫描磁透镜驱动电路（２４、２５），通过数据总线与控制器（２３）连接的电子枪聚束极电压调控电路（２６），与控制计算机（１０）的一个电压信号输出端相连的工作频率控制电路（２７）；所述工作频率控制电路还通过其输出信号线路与控制器（２３）、电子枪扫描磁透镜驱动电路（２４、２５）、电子枪聚束极电压调控电路相连；所述电子枪扫描磁透镜驱动电路（２４、２５）均包括处于输入端位置并与控制器（２３）通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，以及与数模转换器输出端相连的功率放大器；所述电子枪聚束极电压调控电路（２６）包括处于输入端位置并与控制器（２３）通过数据总线相连的锁存器，与锁存器输出端相连的数模转换器，与数模转换器输出端相连的电压放大器，与数模转换器输出端和聚束极初始设定电压相连的电压叠加元件；所述工作频率控制电路（２７）包括一个电压－频率转换元件。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林峰，颜永年，闫占功，齐海波，张人佶，卢清萍，吴任东，王小红，熊卓，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]