面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，包括真空模块

【技术实现步骤摘要】
面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统


[0001]本专利技术涉及增材制造领域，特别是涉及一种面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统
。

技术介绍

[0002]系统小型化是电子通信
、
生物医疗
、
自动化
、
光学系统等众多领域的共同追求，这需要越来越小的零部件，为此人们采用各种微加工技术生产微小零件，如微执行器
、
微机械装置
、
传感器与探针及其他微机电系统器件等，但由于没有合适尺寸的配套微零件，导致这些微器件经过封装后尺寸还是大幅增加，要想解决这一问题，介观尺度
(
亚毫米
—
亚微米
)
复杂形状金属微零件的加工制造是必不可少的
。
以现有的加工技术来说，传统机械加工所擅长的制造尺度在亚毫米级以上，若向更小的特征尺度延伸，会因为工夹具困难而难以制造；先进微制造技术所擅长的制造尺度在微米级以下，若向更大的特征尺度延伸，会因为光刻
、
刻蚀
、
沉积等工艺难度激增而面临挑战
。
因此，如何制造出介观尺度复杂形状金属微零件成为了难点
。
[0003]增材制造
(Additive Manufacturing
，
AM)
又称“3D
打印”，它是基于离散
‑
堆积的成形原理，通过数字控制系统采用电子束
、
激光与电弧等高能束热源熔化金属粉末或丝材，进行逐点
、
逐线
、
逐层堆积，实现三维立体工件快速而精准成形
。
基于粉床的电子束熔融
(Electron Beam Melting
，
EBM)
是
AM
技术的一种，它是指在工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层；重复上述扫描过程，连续地层面累积即可形成一个完整的金属零件实体
。
该技术不受任何模具和零件的外部几何形状以及内部复杂腔体的限制
,
可便捷地自由成形任何复杂零件，有效降低零件的制造成本，大幅缩短生产周期
。
由于现有的
EBM
系统所产生的电子束斑直径一般在
100
μ
m
以上，因此只能用于宏观金属零件的制造
。
可见，对于介观尺度复杂形状金属微零件的制造，现有
EBM
系统仍然难以满足
。
[0004]公开于本申请
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本申请的一般
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术
。

技术实现思路

[0005]申请人发现，介观尺度复杂形状金属微零件是微小机械系统智能制造领域的迫切需求，现有的电子束熔融增材制造系统无法实现介观尺度复杂形状金属微零件的加工制造，主要原因在于电子束斑直径较大
(
一般在
100
μ
m
以上
)
，所产生的金属熔池更大，因而无法实现复杂形状金属微零件的增材微制造
。
此外，传统增材制造系统中大都采用热阴极电子枪，但热阴极工作温度过高时会导致其成份蒸发，影响使用寿命，同时，热阴极发射电流密度最高为
50A/cm2；而冷阴极电子枪发射电流密度可达
1500A/cm2，且具有瞬间启动
、
室温
工作
、
抗辐射性好
、
体积小以及成本低等优点，是比较理想的新型电子源，因此本专利技术采用冷阴极电子枪作为电子电子光学模块的核心器件
。
然而，冷阴极发射电子初级阶段存在天然的发散现象，不利于电子束的汇聚，会对金属微零件制造的最终成效产生负面影响，若将其应用于增材制造系统中，将会成为一个需要解决的技术难点
。
[0006]基于此，需要在保证足够功率密度的前提下，进一步减小电子束斑尺寸，将
EBM
技术升级为电子微束熔融
(Microbeam Electron Beam Melting
，
mEBM)
技术，才可以解决介观尺度复杂金属微零件的制造难题
。
基于该需求，本专利技术提供了一种面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统
。
[0007]上述目的通过下述技术方案实现：
[0008]如图1和图2所示，本专利技术第一方面实施例提供了一种面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，其包括：
[0009]真空模块，所述真空模块用以在预设区域形成真空腔室；
[0010]成型模块，所述成型模块包括移动工作台，所述移动工作台位于所述真空腔室内，所述移动工作台上设置有用以供金属微零件成型的成型区域；
[0011]电子光学模块，所述电子光学模块包括微束电子枪
、
静电透镜
、
磁透镜和偏转透镜，沿靠近所述移动工作台的方向，所述微束电子枪
、
所述静电透镜
、
所述磁透镜和所述偏转透镜顺次设置，所述电子光学模块用以生成电子微束和控制电子微束束斑尺寸及扫描轨迹；所述微束电子枪为冷阴极微束电子枪；
[0012]供料模块，所述供料模块用以向成型区域供给成型原材料
。
[0013]在其中一个实施例中，所述微束电子枪包括：阴极
、
阴极夹具
、
阴极底座
、
栅极板
、
绝缘连接件和辅助汇聚线圈；所述阴极固定于所述阴极夹具中，所述阴极夹具固定于所述阴极底座，所述栅极板通过所述绝缘连接件连接于所述阴极底座，所述栅极板和所述阴极之间的距离可通过所述绝缘连接件调整；所述辅助汇聚线圈用以抑制所述阴极发射电子的发散效应
。
[0014]在其中一个实施例中，所述栅极板的孔径可调
。
[0015]在其中一个实施例中，所述绝缘连接件材质为聚醚醚酮树脂
、
陶瓷
、
橡胶
、
硅胶
、
聚四氟乙烯
、
聚酰亚胺中的一种或任意多种组合
。
[0016]在其中一个实施例中，所述微束电子枪包括：
[0017]管体，所述管体为能够导电的金属管；
[0018]灯丝，所述灯丝同轴插装于所述管体，所述灯丝的一端露出所述管体预设长度，所述灯丝与所述管体电性连接，所述灯丝为准宏观碳纤维材质
。
[0019]在其中一个实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，其特征在于，包括：真空模块，所述真空模块用以在预设区域形成真空腔室；成型模块，所述成型模块包括移动工作台，所述移动工作台位于所述真空腔室内，所述移动工作台上设置有用以供金属微零件成型的成型区域；电子光学模块，所述电子光学模块包括微束电子枪
、
静电透镜
、
磁透镜和偏转透镜，沿靠近所述移动工作台的方向，所述微束电子枪
、
所述静电透镜
、
所述磁透镜和所述偏转透镜顺次设置，所述电子光学模块用以生成电子微束和控制电子微束束斑尺寸及扫描轨迹；所述微束电子枪为冷阴极微束电子枪；供料模块，所述供料模块用以向成型区域供给成型原材料
。2.
根据权利要求1所述的面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，其特征在于，所述微束电子枪包括：阴极
、
阴极夹具
、
阴极底座
、
栅极板
、
绝缘连接件和辅助汇聚线圈；所述阴极固定于所述阴极夹具中，所述阴极夹具固定于所述阴极底座，所述栅极板通过所述绝缘连接件连接于所述阴极底座，所述栅极板和所述阴极之间的距离可通过所述绝缘连接件调整；所述辅助汇聚线圈用以抑制所述阴极发射电子的发散效应
。3.
根据权利要求2所述的面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，其特征在于，所述栅极板的孔径可调
。4.
根据权利要求2所述的面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，其特征在于，所述绝缘连接件材质为聚醚醚酮树脂
、
陶瓷
、
橡胶
、
硅胶
、
聚四氟乙烯
、
聚酰亚胺中的一种或任意多种组合
。5.
根据权利要求2所述的面向介观尺度金属微零件的电子微束熔融增材制造系统，其特征在于，所述微束电子枪包括：管体，所述管体为能够导电的金属管；灯丝，所述灯丝同轴插装于所述管体，所述灯丝的一端露出所述管体预设长度，所述灯丝与所述管体电性连接，所述灯丝为准宏观碳纤维材质
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾凡光，董海雪，高晶，李鹏，张振力，夏欢欢，秦鑫垚，郭德杰，彭宝龙，刘成康，丁贺，马永鹏，麻华丽，霍海波，李明玉，唐召军，许坤，李艳，钟发成，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：