具备在线监测功能的电子束快速成型设备及其运行方法与流程

本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及具备在线监测功能的电子束快速成型设备及其运行方法。

背景技术：

电子束快速成形技术是最近发展起来的一种新兴技术，其利用了金属粉料在电子束轰击下熔化的原理，通过分层选区扫描熔化的方式来完成零件的加工过程。电子束快速成形具有能量利用率高、可用材料来源广泛和成形速度高等优势。加工时，装粉箱将金属粉料送到铺粉平台上，铺粉器把铺粉平台上的粉料均匀地铺展到成形缸的成形面上。电子枪在计算机的控制下发射的电子束被聚焦在成形件的成形面上，并按照截面轮廓信息进行有选择的烧结。金属粉料在电子束的轰击下被烧结在一起，并与下层已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部烧结完成。

电子束快速成形过程会偶然发生金属液飞溅或金属粉溃散等现象，这些现象将造成工件缺陷甚至报废。电子束快速成形过程有必要对制造工件进行实时在线监测，并在出现缺陷及时修补或报警警示。目前，最常用的监测手段就是光学图像处理技术，但电子束快速成形工作在真空环境，产生的金属蒸汽逐渐污染光路系统，光学监测装置就会变得模糊不清。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有电子束快速成形过程所采用的光学监控手段易受污染的问题，提供一种具备在线监测功能的电子束快速成型设备及其运行方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

具备在线监测功能的电子束快速成型设备，包括中央控制单元、电子枪电源、偏扫电源、工作台电源、电子枪、工作室、装粉箱和工作台；工作室为密闭的真空腔体；装粉箱和工作台设置在工作室之内，且装粉箱位于工作台的上方；电子枪设置在工作室之外，且电子枪发出的电子束进入工作室并聚焦在工作台的铺粉平台表面；中央控制单元经电子枪电源连接电子枪；中央控制单元经偏扫电源连接电子枪内的偏扫装置；中央控制单元经工作台电源连接工作台；中央控制单元连接装粉箱；其不同之处是，还进一步包括二次电子收集器和二次电子变送器；二次电子收集器设置在工作室之内，并处于工作室的电子束入口处；二次电子变送器设置在工作室之外；二次电子收集器经由二次电子变送器与中央控制单元连接；二次电子收集器接收电子束微束扫描过程产生的二次电子信息；二次电子变送器对上述二次电子信息进行整形放大后送入中央控制单元；中央控制单元对同步记录的二次电子信号进行分析处理，判断制造层是否存在缺陷。

上述方案中，偏扫装置设置在电子枪的出口端。

上述方案中，电子枪电源包括阴极加热电源、加速高压电源、栅偏电源和聚焦电源。

上述方案中，工作台包括铺粉器、铺粉平台、成形缸和升降装置。

上述具备在线监测功能的电子束快速成型设备的运行方法，包括准备步骤、工件制造步骤和工件冷却步骤。

上述工件制造步骤具体包括：

步骤2-1)降成形缸：中央控制单元给工作台电源输出指令，操作工作台的升降装置使得工作台的成形缸表面下沉一个制造层高度，同时打开装粉箱开关，装粉箱中的粉料落到工作台的铺粉平台上；

步骤2-2)铺粉：工作台的铺粉器将铺粉平台上的粉料均匀地送到成形缸中，使得成形缸的上表面与铺粉平台平齐；

步骤2-3)电子束选区扫描熔化：中央控制单元进行电子束选区扫描，形成制造层；

步骤2-4)检测：中央控制单元控制偏扫装置的励磁电流及减小电子束值对工作台的成形缸的表面进行微束扫描；二次电子收集器采集电子束扫描区域的各扫描轨迹点的二次电子信号，该二次电子信号经二次电子变送器的整形放大送达中央控制单元；

步骤2-5)判断：微束扫描结束后，中央控制单元对同步记录电子束扫描区域的各扫描轨迹点的二次电子信号进行分析处理，判断制造层是否存在缺陷；如果制造层存在可修复缺陷时，则直接返回步骤2-2)；如果制造层存在不可修复缺陷时，则停止工件制造，并发出警示信号，由人工来处理；如果制造层不存在缺陷，则返回步骤2-1)，直至工件制造完成。

上述准备步骤具体包括：

步骤1-1)装粉：把待制造工件所需粉料装入装粉箱；

步骤1-2)固定基板：将一块金属基板固定到工作台的成形缸内部和工作台的升降装置顶部；由中央控制单元操作升降装置移动使得金属基板上表面与工作台的铺粉平台平齐；

步骤1-3)抽真空：关闭工作室门，启动真空泵机组，直到工作室内部真空度和电子枪内部真空度都达到工作要求；

步骤1-4)生成工艺参数：中央控制单元根据要制造工件的三维CAD模型由数据处理软件进行分层切片处理，形成加工轨迹；设定电子束参数后，数据处理软件自动生成数控加工程序。

上述工件冷却具体为：工件制造完成后关闭电子枪电源、偏扫电源和工作台电源，让工件在真空状态下冷却。

与现有技术相比，本发明利用二次反射电子信号对电子束快速成型设备制造元件过程进行质量在线监测，从而克服了光学监测手段易受污染的缺点。

附图说明

图1为具备在线监测功能的电子束快速成型设备的结构示意图。

图2为图1中电子束快速成型设备电子束扫描区域示意图。

图中标记：1、中央控制单元；2、电子枪电源；3、偏扫电源；4、二次电子变送器；5、工作台电源；6、电子枪；61、偏扫装置；7、工作室；8、二次电子收集器；9、装粉箱；10、工作台；11、电子束；12、电子束扫描区域；13、制造层。

具体实施方式

一种具备在线监测功能的电子束快速成型设备，如图1所示，主要由中央控制单元1、电子枪电源2、偏扫电源3、二次电子变送器4、工作台电源5、电子枪6、工作室7、二次电子收集器8、装粉箱9和工作台10组成。工作室7为密闭的真空腔体；装粉箱9、工作台10和二次电子收集器8设置在工作室7之内。装粉箱9位于工作台1的上方。二次电子收集器8处于工作室7的电子束11入口处。电子枪6和二次电子变送器4设置在工作室7之外。电子枪6发出的电子束11进入工作室7并聚焦在工作台10的铺粉平台表面。二次电子收集器8经由二次电子变送器4与中央控制单元1连接。中央控制单元1经电子枪电源2连接电子枪6；中央控制单元1经偏扫电源3连接电子枪内的偏扫装置61；中央控制单元1经工作台电源5连接工作台10；中央控制单元1连接装粉箱9。

中央控制单元1：承担整台设备的控制与监测，包括电子束11参数的设定、工件三维CAD模型进行分层切片的数据处理等。此外，中央控制单元1还对同步记录的二次电子信号进行分析处理，判断制造层13是否存在缺陷。

电子枪电源2：包括电子枪6的阴极加热电源、电子束11的加速高压电源、电子束11控制栅偏电源和聚焦电源等。

偏扫电源3：提供电子枪6的偏扫装置61中x偏扫绕组和y偏扫绕组的驱动电源。

二次电子变送器4：接收二次电子收集器8信号，通过整形放大送达中央控制单元1。

工作台电源5：供给工作台10中工件升降电机及铺粉电机供电。

电子枪6：产生电子束11的装置，在电子枪6的出口端设置xy平面偏扫装置61。

工作室7：由25～30mm厚的钢板焊接加工而成，工作室7的壁、门及壁、门上所开的窗和孔都需能耐1个大气压力，同时具备真空密封和防X射线泄漏功能。

二次电子收集器8：二次电子收集器8安装在工作室7内部，电子束11入口处；二次电子收集器8接收电子束11扫描过程产生的二次电子信息。

装粉箱9：装粉箱9安装在工作室7内部，内装待制造工件的粉料，由中央控制单元1控制出粉时间及出粉量。

工作台10：由铺粉器、铺粉平台、成形缸和升降装置组成。铺粉平台处于工作室7的中部，并通过支撑杆与工作室7的底部连接；铺粉器活动置于铺粉平台上表面；铺粉平台位于装粉箱9的下方；成形缸固定在铺粉平台的下表面；成形缸的内部设有升降台，升降台底部设有升降杆，该升降杆通过动密封结构延伸至工作室7外。

上述具备在线监测功能的电子束快速成型设备的运行方法，包括如下步骤：

第一步：准备过程，包括装粉、固定基板、抽真空和生成工艺参数。

步骤1-1)装粉：把待制造工件所需粉料装入装粉箱9。

步骤1-2)固定基板：将一块金属基板固定到工作台10的成形缸内部和升降装置顶部，工件将在该金属基板上生长出来。金属基板的成分与工件的成分一致或接近。由中央控制单元1操作升降装置移动使得金属基板上表面与工作台10的铺粉平台平齐。

步骤1-3)抽真空：关闭工作室7门，启动真空泵机组，直到工作室7内部真空度和电子枪6内部真空度都达到工作要求。

步骤1-4)生成工艺参数：中央控制单元1根据要制造工件的三维CAD模型由数据处理软件进行分层切片处理，形成加工轨迹；设定电子束11参数后，数据处理软件自动生成数控加工程序。

第二步：制造工件，包括降成形缸、铺粉、电子束选区扫描熔化、检测和判断过程。

步骤2-1)降成形缸：中央控制单元1给工作台电源5输出指令，操作工作台10的升降装置使得成形缸表面下沉一个制造层高度，同时打开装粉箱9开关，适当的粉料落到工作台10的铺粉平台上。

步骤2-2)铺粉：铺粉器将铺粉平台上的粉料均匀地送到成形缸中，使得成形缸的上表面与铺粉平台平齐。

步骤2-3)电子束选区扫描熔化：中央控制单元1根据加工程序控制电子束11选区扫描，形成如图2所示的制造层13。

步骤2-4)检测：中央控制单元1控制偏扫装置61的励磁电流及减小电子束11值对工作台10的成形缸的表面进行微束扫描，如图2所示，扫描过程中央控制单元1同步记录电子束扫描区域12内扫描轨迹上各点二次电子信号。电子束11的微束扫描不足以熔化粉末及损伤熔化了的制造层13表面，微束扫描过程在粉末表面和制造层13表面会有不同的二次电子反射信号。

步骤2-5)判断：微束扫描结束后，中央控制单元1对记录的二次电子信号数据进行分析处理，判断电子束扫描区域12内制造层13是否存在缺陷。

如果制造层13正确且制造工件未完成(即制造层13层数未达设定值)时，则从步骤2-1)开始新的制造层13制造；如果制造层13正确且制造工件已全部完成(即制造层13层数已达到设定值)时，则执行第三步；

如果制造层13存在可修复的缺陷时，则从步骤2-2)开始重复；如果制造层13存在不可修复的缺陷时，则停止制造过程，并发出警示信号，由人工来处理。

第三步：工件冷却。

工件制造完成后关闭电子枪电源2、偏扫电源3和工作台电源5，让工件在真空状态下冷却，冷却时间由工艺要求设定。冷却结束，停止真空泵机组，最后取出工件并清理多余粉料。