本發(fā)明涉及快速成形制造領(lǐng)域，特別涉及一種電子束快速成形制造方法。

背景技術(shù)：

增材制造技術(shù)又名3D打印或者快速成形技術(shù)。它是一種以三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末、金屬絲材或可粘合性塑料等材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。快速成形制造技術(shù)被廣泛用在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是一些高價(jià)值的應(yīng)用(比如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機(jī)零部件)。

金屬零部件快速成形制造方法主要有激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)、激光同軸送粉直接制造(LENS)、電子束熔絲成形(EBAM)、電子束選區(qū)熔化成形(EBM)等方法。其中，電子束選區(qū)熔化成形(EBM)和激光選區(qū)熔化(SLM)屬于粉末床快速成形制造方法。粉末床快速成形方向相比其他快速成形技術(shù)具有零件尺寸精度高、表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，是快速成形技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。目前電子束快速成形用的電子槍加速電壓通常是60KV，電子束選區(qū)熔化成形(EBM)利用電子槍發(fā)射電子電子束，同時(shí)控制電子束按照預(yù)定的軌跡快速掃描粉床，使金屬粉末快速熔化快速凝固。通過(guò)逐層掃描照射粉床上的金屬粉末，可以制造出三維實(shí)體金屬零件。

電子束選區(qū)熔化成形制造方法的原理是通過(guò)高壓電場(chǎng)加速的電子，使電子就有很高的能量轟擊金屬粉末層，電子的動(dòng)能和金屬粉末相互作用后轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化。

但是加速電壓對(duì)電子加速后會(huì)帶來(lái)不利的影響。已據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，電子轟擊金屬粉末時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的粉末潰散或粉末飛散的現(xiàn)象(加速電壓60KV)。其原因是電子具有質(zhì)量，在高壓電場(chǎng)的加速作用下每個(gè)電子都攜帶了很高的動(dòng)能，電子撞擊金屬粉末后將動(dòng)能傳遞給了金屬粉末，金屬粉末也具備了相當(dāng)大的動(dòng)能，當(dāng)金屬粉末所受的摩擦阻力不足以阻礙其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)將會(huì)發(fā)生金屬粉末潰散，甚至飛散。這種金屬粉末的飛散，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法成形、燒穿基板甚至破壞電子槍等設(shè)備。為此，需要采用預(yù)熱和大粒度的金屬粉末制造零件，用以克服粉末飛散的不利現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致成形零件尺寸精度降低。

因此，迫切需要找到一種既能防止金屬粉末飛散，又能克服聚焦難保證加工精度的快速成形制造方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述情況，有必要提供一種電子束快速成形制造方法。

一種電子束快速成形制造方法，包括如下步驟：

根據(jù)粉床成形工藝要求確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值P_b；

根據(jù)所述金屬粉末平均粒徑D₀確定加速電壓U；

根據(jù)束流功率值P_b和加速電壓U以及工藝要求確定束流值I_b；

啟動(dòng)快速成形設(shè)備，并按照確定的加速電壓U和束流值I_b發(fā)射電子束；

控制多級(jí)聚焦線(xiàn)圈，將電子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直徑達(dá)到d₀的要求；

通過(guò)設(shè)備控制快速成形設(shè)備的其他部分完成快速成形零件的制造。

進(jìn)一步，所述加速電壓U小于等于臨界加速電壓U_c，所述臨界加速電壓U_c為單個(gè)電子撞擊使金屬粉末飛散的臨界值。

所述臨界加速電壓U_c通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同金屬材料不同粉末特征參數(shù)的金屬粉末臨界發(fā)生潰散現(xiàn)象時(shí)獲得。

具體的，對(duì)電子束多次聚焦，使束斑達(dá)到設(shè)計(jì)要求的d₀，滿(mǎn)足如下原理：

其中u為物距，v為像距，f為焦距。

本發(fā)明一種電子束快速成形制造方法，通過(guò)根據(jù)粉床成形工藝要求，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值Pb等參數(shù)，經(jīng)本方案科學(xué)合理的輸出加速電壓U，有效的控制了電子轟擊金屬粉末的速度，進(jìn)而在保證成形要求的情況下避免了粉末潰散的問(wèn)題；同時(shí)由于采用多級(jí)聚焦的方式，能夠改善和控制低加速電壓帶來(lái)的電子束的聚焦困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電子束束斑更小并且可控；從而進(jìn)一步可以采用比現(xiàn)有電子束快速成形設(shè)備更細(xì)小的金屬粉末，獲得表面質(zhì)量更好尺寸精度更高的金屬零件；本發(fā)明根據(jù)不同零件特點(diǎn)和技術(shù)要求選擇束斑直徑的大小和粉末材料粒徑的大小，能夠提高成形效率和降低成形零件的生產(chǎn)成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種電子束快速成形制造方法的工作狀態(tài)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

根據(jù)電子槍的工作原理，加速電壓越高電子的熱初速對(duì)聚焦后的束斑尺寸影響就越小，即加速電壓越高聚焦后束斑直徑越小。對(duì)粉末快速成形來(lái)說(shuō)，獲得小的束斑直徑是保證成形零件尺寸精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵。通常為了得到更好的金屬成形零件的表面質(zhì)量和尺寸精度，通常都會(huì)采用較高的加速電壓。

根據(jù)電子槍的工作原理，電子在電場(chǎng)中加速后速度很高，考慮相對(duì)論的情況一個(gè)電子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后具有的動(dòng)能可用下式表示：E_k＝U_e·e-M_e·c²，U_e是加速電壓，M_e是單個(gè)電子的質(zhì)量，可以看出加速電壓越高電子撞擊金屬粉末時(shí)就會(huì)具有更高的動(dòng)能，飛散現(xiàn)象就會(huì)更嚴(yán)重。

因此，本發(fā)明提出一種降低加速電壓的方式降低單個(gè)電子動(dòng)能，從而避免電子束選區(qū)熔化成形過(guò)程金屬粉末飛散。但是如背景技術(shù)中所提到的，加速電壓降低必然帶來(lái)束斑尺寸的增大?，F(xiàn)在普通電子束成形設(shè)備都是采用一組聚焦線(xiàn)圈對(duì)電子束進(jìn)行聚焦，即只對(duì)電子束聚焦一次。一個(gè)電磁透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)的聚焦效果是有限的，當(dāng)電子束發(fā)散比較嚴(yán)重時(shí)一個(gè)電磁透鏡很難滿(mǎn)足聚焦的要求。因此，本發(fā)明采用多級(jí)聚焦的方式改善和控制低加速電壓帶來(lái)的電子束的聚焦難的問(wèn)題。

因此，本發(fā)明如圖1所示，提供一種電子束快速成形制造方法，包括如下步驟：

根據(jù)粉床成形工藝要求確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值P_b；然后根據(jù)D₀和粉末材料的密度計(jì)算金屬粉末的平均質(zhì)量m₀；

根據(jù)所述金屬粉末平均粒徑D₀確定加速電壓U；加速電壓U小于等于臨界加速電壓U_c，所述臨界加速電壓U_c為單個(gè)電子撞擊使金屬粉末飛散的臨界值。

束流值I_b由加速電壓U和束流功率值P_b以及工藝要求確定；其中束流值I_b、束流功率值P_b和加速電壓U符合關(guān)系式：P_b＝U＊I_b。

使快速成形設(shè)備發(fā)射電子束，并將加速電壓調(diào)整至已經(jīng)確定的加速電壓U，使加速電壓U小于或等于臨界加速電壓U_c；

所述臨界潰散加速電壓通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同金屬材料不同粉末特征參數(shù)的金屬粉末臨界發(fā)生潰散現(xiàn)象時(shí)獲得。

進(jìn)一步，控制多級(jí)聚焦線(xiàn)圈(電磁透鏡)，將電子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直徑達(dá)到d₀的要求；對(duì)電子束多次聚焦，使束斑達(dá)到設(shè)計(jì)要求的d₀，滿(mǎn)足如下原理：其中u為物距，v為像距，f為焦距。

最后，通過(guò)設(shè)備控制快速成形設(shè)備的其他部分完成快速成形零件的制造。

本發(fā)明一種電子束快速成形制造方法，通過(guò)根據(jù)粉床成形工藝要求，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值P_b等參數(shù)，科學(xué)合理的輸出加速電壓，有效的控制了電子轟擊金屬粉末的速度，進(jìn)而在保證成形要求的情況下避免了粉末潰散的問(wèn)題。

本發(fā)明采用降低加速電壓的方式降低單個(gè)電子動(dòng)能，從而避免電子束選區(qū)熔化成形過(guò)程金屬粉末飛散，確保了成形過(guò)程順利完成。同時(shí)采用多級(jí)聚焦的方式改善和控制低加速電壓帶來(lái)的電子束的聚焦困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電子束束斑更小并且可控。

本發(fā)明還可以獲得比現(xiàn)有電子束快速成形設(shè)備更小的束斑直徑，從而可以采用比現(xiàn)有電子束快速成形設(shè)備更細(xì)小的金屬粉末，從而獲得表面質(zhì)量更好尺寸精度更高的金屬零件?？梢愿鶕?jù)不同零件特點(diǎn)和技術(shù)要求選擇束斑直徑的大小和粉末材料粒徑的大小，能夠提高成形效率和降低成形零件的生產(chǎn)成本。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。