實現(xiàn)電子束寬幅掃描的控制裝置、方法以及增材制造設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及增材制造領(lǐng)域，特別涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)電子束寬幅掃描的控制裝置、方法以及能夠?qū)崿F(xiàn)電子束寬幅掃描的增材制造設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種〃自下而上〃的制造方法。近二十年來，AM技術(shù)取得了快速的發(fā)展，〃快速原型制造(Rapid Prototyping) 〃、〃三維打印(3D Printing) 〃、〃實體自由制造(Solid Free-form Fabricat1n) 〃之類各異的叫法分別從不同側(cè)面表達了這一技術(shù)的特點。
[0003]增材制造，是一種通過連續(xù)恪合一個以上薄層的材料來構(gòu)建三維物體的制造技術(shù)。
[0004]而電子束選區(qū)熔化，是增材制造技術(shù)中的一種，其基本的工藝步驟如下:
[0005]1)粉末供應(yīng)與鋪平系統(tǒng)將金屬粉末材料在工作平臺上鋪展成薄層，之后電子束在交變磁場驅(qū)動下在粉末層上掃描三維物體的一個截面；
[0006]2)工作平臺下降一個粉末層厚度的距離，在工作平臺上鋪一層新的粉末，電子束掃描三維物體的下一個截面；
[0007]3)重復(fù)以上步驟，直至該三維物體制造完成。
[0008]由于電子束需要掃描三維物體的截面，因此，增材制造技術(shù)所能制造的三維物體尺寸直接取決于電子束能夠掃描的最大范圍。電子束的寬幅掃描是實現(xiàn)大尺寸零件的增材制造的基礎(chǔ)。電子束窄幅掃描時的偏轉(zhuǎn)角度小，電子束的散焦、像散比較微弱，對制造質(zhì)量的影響有限；而電子束寬幅掃描時的偏轉(zhuǎn)角度較大，電子束的散焦、像散較大。散焦較大的電子束直徑較大，解析度有限。像散較大的電子束呈橢圓形，掃描的圖案模糊。這些因素對制造質(zhì)量的影響不可忽略，需要加以解決。
[0009]目前存在的問題是，在電子束焊接、電子束熔煉等電子束加工技術(shù)中，電子束的偏轉(zhuǎn)角度較小，電子束大幅偏轉(zhuǎn)而造成的散焦和像散比較小，不會影響焊接或熔煉質(zhì)量。因此，在這種電子束加工設(shè)備中，一般只有聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈，故不能實現(xiàn)高精度的電子束寬幅掃描。
[0010]同時，現(xiàn)有的電子束選區(qū)熔化增材制造設(shè)備一般采用電子束焊接用的電子束產(chǎn)生裝置，同樣不能實現(xiàn)高精度的電子束寬幅掃描。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)電子束寬幅掃描的裝置。
[0012]基于上述目的，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)電子束寬幅掃描的控制裝置，包括:陰極、柵極、陽極、聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、消像散線圈和DA轉(zhuǎn)換器，
[0013]所述陰極，用以產(chǎn)生電子束，所述電子束依次經(jīng)過柵極、陽極、消像散線圈、聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈后偏轉(zhuǎn)；
[0014]所述柵極，用以約束所述電子束中的電子，并改變電子束的束流；
[0015]所述陽極，用以與所述陰極產(chǎn)生電壓并使電子加速；
[0016]所述消像散線圈，用于調(diào)節(jié)所述電子束的像散程度；
[0017]所述聚焦線圈，用以調(diào)節(jié)所述電子束的焦距；
[0018]所述偏轉(zhuǎn)線圈，用以調(diào)節(jié)電子束在X軸方向上和Y軸方向上的偏轉(zhuǎn)量；
[0019]所述DA轉(zhuǎn)換器，與柵極相連，用于改變柵極電壓；與消像散線圈相連，用于改變消像散線圈中的電流；與聚焦線圈相連，用于改變聚焦線圈中的電流；偏轉(zhuǎn)線圈相連，用于改變偏轉(zhuǎn)線圈中X軸繞組和Y軸繞組上的電流；
[0020]所述DA轉(zhuǎn)換器，用以輸出多路可變化的電壓信號。
[0021]更進一步，所述消象散線圈包括至少兩組繞組，所述偏轉(zhuǎn)線圈包括至少兩組繞組，所述聚焦線圈包括一環(huán)形繞組；
[0022]所述DA轉(zhuǎn)換器，分別與所述消象散線圈上兩組繞組連接，用以控制電子束的像散;
[0023]所述DA轉(zhuǎn)換器，與所述聚焦線圈上的環(huán)形繞組連接，用以控制電子束的焦距。所述DA轉(zhuǎn)換器，分別與所述偏轉(zhuǎn)線圈上兩組繞組連接，用以控制電子束的偏轉(zhuǎn)。
[0024]更進一步，所述DA轉(zhuǎn)換器，至少包括6個電壓信號輸出通道，所述DA轉(zhuǎn)換器的電壓信號輸出通道，按照順序依次讀取其自身存儲器內(nèi)的控制電壓數(shù)據(jù)，并同步輸出電壓信號;
[0025]若所述DA轉(zhuǎn)換器上的儲存空間不足，所述DA轉(zhuǎn)換器電壓信號輸出通道按照順序依次讀取存儲在本地或遠端內(nèi)存中的控制電壓數(shù)值，并同步輸出電壓信號。
[0026]更進一步，所述電壓信號通過高壓電源與柵極相連，所述電壓信號通過驅(qū)動電路與繞組相連，所述電壓信號通過放大電路與聚焦線圈相連。
[0027]本發(fā)明的目的還在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電子束寬幅掃描的增材制造設(shè)備。
[0028]基于上述目的，本發(fā)明還提出了一種增材制造設(shè)備，包括實現(xiàn)電子束寬幅掃描的控制裝置和密閉裝置，以及設(shè)置于密閉裝置內(nèi)部的粉末供給裝置、粉末鋪平裝置、成形平臺；
[0029]當所述電子束從陰極產(chǎn)生后，依次經(jīng)過柵極、陽極、消像散線圈、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈，最后進入所述密閉裝置；
[0030]當所述電子束進入密閉裝置后，通過所述粉末供給裝置用以儲存待制造的原材料，并通過所述粉末鋪平裝置將所述待制造的原材料平鋪在所述成形平臺上形成粉末層；
[0031]當所述電子束射在該金屬粉末層上后，進行掃描并繪制出要制造的三維物體的截面或該截面的輪廓。
[0032]更進一步，所述密閉裝置為壓力范圍在0.001-lPa的真空室，其中電子束的加速電壓為60kV，功率不大于3kW。更進一步，所述粉末供給裝置為一與真空室側(cè)壁相連的送粉器，所述粉末鋪平裝置為一設(shè)置在真空室底部的鋪粉器，所述成形平臺由成形缸、活塞板組成，所述成形缸與所述鋪粉器連接，所述成形缸下部設(shè)置有活塞板，所述可在豎直方向上活動，當所述活塞板下降一個高度，該下降的高度等于粉末層的厚度。
[0033]更進一步，所述粉末層包括鈦合金、鈦、鋁合金、鋁、鈦鋁合金、不銹鋼、Co-Cr合金的多種合金中的一種或者多種。
[0034]本發(fā)明還提供了一種通過所述的控制裝置來實現(xiàn)電子束寬幅掃描的方法，在預(yù)設(shè)好三維模型后，包括如下步驟:
[0035]在掃描幅面上選取坐標已知的點作為標定點；
[0036]通過改變輸出的控制電壓，使得電子束落在所述標定點上，并在插值表中記錄該標定點的坐標值，所述控制電壓包括像散、聚焦、偏轉(zhuǎn)的控制電壓，重復(fù)直至所有標定點的坐標值、像散、聚焦、偏轉(zhuǎn)的控制電壓都被記錄在插值表中；
[0037]根據(jù)三維模型的截面確定電子束將要執(zhí)行的掃描路徑，沿著所述掃描路徑每隔一段距離取一個掃描點；
[0038]對于所述取到的掃描點，根據(jù)其坐標值在插值表中進行插補運算，確定并記錄該掃描點對應(yīng)的像散、聚焦、偏轉(zhuǎn)的控制電壓以及該掃描點的電子束流的控制電壓，直至存儲所有掃描點的電子束流、像散、聚焦以及偏轉(zhuǎn)的控制電壓；
[0039]同步地讀取記錄的數(shù)據(jù)，并同步輸出電壓信號，得到掃描路徑后驅(qū)動所述電子束沿著既定路徑進行掃描。
[0040]更進一步，在每一個掃描點上，增加功率控制電壓值。
[0041]更進一步，所述掃描幅面為方形，將該掃描幅面沿著X軸放線