一种电子束金属3D打印装置的制作方法

本实用新型属于精密增材制造领域，尤其涉及一种电子束金属3D打印装置及方法，用以制造高精密的医用植入件及高性能的工业零件。

背景技术：

金属3D打印是一种通过逐层的材料堆积来实现零件加工的高端制造技术，广泛应用在航空航天、汽车、模具、医疗等领域，尤其是在医用植入件和工业高性能零件方面有着广泛地需求。目前金属3D打印技术根据热源不同分为激光式3D打印和电子束3D打印。电子束3D打印技术相对于激光3D打印技术而言，由于其输出功率和扫描速度较高、预热效果较好、成形零件力学性能及表面质量较好等优势，所以具有更大的应用空间和更好的发展前景。

目前利用电子束进行金属3D打印的主要工作流程为铺粉、熔融、铺粉，即逐层堆积、烧结、熔化金属粉末，其加工装置与选择性激光熔化成形技术(SLM)的加工装置除热源、真空设备及部分运动参数不同以外没有太大的差异。利用以上加工系统及方法进行电子束成形的过程中，必然会面临高质量粉末制备、均匀铺粉、送料收料、加工环境清洁等技术问题。然而，现有的国内金属粉末颗粒制备技术难以制备出满足电子束加工要求的高质量金属粉末颗粒，细粉的收得率不高，成本相对较高；虽然国内的许多高校在金属粉末的铺粉效果方面取得了一定进展，但依然存在着粉层厚度较厚、铺粉不均匀，粉层致密度较低、铺粉效率较低等问题；在铺粉过程中，铺粉装置、铺粉装置行走机构及驱动部分、余料回收机构的设计都较为复杂，且在工作平台上方占用大量的空间，一定程度上降低了电子束的烧结能量；同时由于电子束加工需要真空且清洁的加工环境，而在送料、铺粉、加工、余料回收过程中难以避免粉末颗粒被吹飞而散落对加工环境的影响，极大降低了电子束3D打印的加工效果及安全性。综上所述，对于电子束金属3D打印的而言，采用以往熔融金属粉末颗粒的方式进行增材制造的系统和方法，会产生一系列的技术难题。目前急需一种适应于电子束金属3D打印技术的加工系统和方法。

技术实现要素：

本实用新型提供一种电子束金属3D打印装置，以解决上述熔融金属粉层增材制造中存在的问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括成形室、升降台、工作台、电子枪、送料模块、张紧模块和预热模块，电子枪位于成形室的正上方，成形室位于工作台下方，其方口与工作台方口连接，可上下移动的升降台位于成形室内部，送料模块与张紧模块分别与工作台上表面固定连接、且在工作台方口两侧呈对称分布，预热模块与工作台上表面固定连接，其分布在工作台方口四周。

本实用新型所述送料模块包括驱动机构、送膜机构、收膜机构以及传动机构，其中驱动机构位于送膜机构的一侧，与送膜机构通过联轴器进行连接，收膜机构与送膜机构相互平行，传动机构位于送膜机构的另一侧，且与送膜机构通过齿形带轮一连接，该传动机构还通过齿形带轮二与收膜机构连接；

本实用新型所述送膜机构包括送膜辊子支撑件、送膜辊子、深沟球轴承一，其中深沟球轴承一位于送膜辊子两侧，深沟球轴承的内径与送膜辊子两端过盈配合连接，送膜辊子支撑件上设置有圆形槽，深沟球轴承一外径通过过盈配合安装在圆形槽中；送膜辊子支撑件安装在工作台方口一侧；

本实用新型所述收膜机构包括收膜辊子支撑件、收膜辊子、深沟球轴承二，其中深沟球轴承二位于收膜辊子两侧，深沟球轴承二的内径与收膜辊子两端过盈配合连接，收膜辊子支撑件上设置有圆形槽，深沟球轴承二外径通过过盈配合安装在圆形槽中，收膜辊子支撑件安装在工作台方口另一侧；

本实用新型所述驱动机构包括电机支撑件、电机座、步进电机以及联轴器，其中步进电机与电机座固定连接，电机座位于电机支撑件上表面与其固定连接，电机座与电机支撑件固定连接，电机支撑件的下表面利用螺栓通过槽口与工作台上表面连接。

本实用新型所述传动机构包括齿形带一、齿形带轮二以及齿形带，齿形带绕接在两个齿形带轮外部。

本实用新型所述张紧模块包括张紧压辊一、张紧压辊二该张紧压辊一、张紧压辊二分别安装在工作台方口的两侧且在送料模块的内侧。

本实用新型所述张紧压辊一、张紧压辊二结构相同，所述张紧压辊一包括紧固螺母、张紧压辊一支撑件、轴套、深沟球轴承三、张紧轴、张紧辊筒，其中张紧辊筒两侧设置有圆形槽，深沟球轴承三外径通过过盈配和安装在张紧辊筒两侧的圆形槽口中，张紧轴与深沟球轴承三内径配合，并且张紧轴的中心轴线与张紧辊筒的中心轴线一致，利用张紧轴两侧的轴套对压辊进行轴向定位，张紧轴两侧设置有外螺纹，利用紧固螺母固定在张紧压辊支一撑件上。

本实用新型所述预热模块包括电热辊、电热辊支撑件、电热条、电热条连接件，其中电热辊支撑件和电热条连接件通过螺纹孔与工作台的上表面固定连接，电热辊固定在电热辊支撑件上，并安装在张紧模块的内侧，电热条固定在电热条连接件上。

本实用新型所述工作台包括槽口、方口、螺纹孔以及凹槽，其中槽口的设置是用于送料模块的位置调节，方口位于凹槽内。

本实用新型所述升降台包括基板、预热装置、托板和电缸，其中托板与电缸上方固定连接，预热装置与托板上方固定连接，基板安装在预热装置上方。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

金属薄膜相对于金属粉末颗粒而言更容易制备，成本较低，使得本实用新型的熔融金属薄膜的增材制造方法更具有经济性，加工成本较低；具有很强的实用性和广泛的发展空间；

用金属薄膜代替金属粉层，使得每个灼烧层的金属质量分布绝对均匀，排除粉末缺陷对零件的影响，减少缝隙、孔洞等加工缺陷，提高了零件的力学性能；

现有技术制备的金属薄膜厚度可以远远低于电子束3D打印要求的金属颗粒铺粉层厚度，通过适当的减小金属薄膜的厚度，可以减小成形件表面的台阶效应，大大提高了成形件的表面质量；

避免了金属粉层颗粒飞溅散落对加工环境的影响，提高了加工装置的安全性，保证了加工环境的清洁；

排除了在真空室中散布的金属飞溅颗粒对电子束电子能量的干扰，提高电子束的真实灼烧功率，增强了电子束的熔融效果；

除了电子束灼烧的图案为封闭图形，使得部分金属薄膜余料脱落的情况以外，其他的情况的灼烧层金属薄膜余料会在每次灼烧结束后马上回收，即加工余料立即回收且余料回收方式简单高效；

送料及余料回收的机构设计简单有效，节省了原有铺粉装置及其行走机构所占的空间，使得整个电子束加工装置的空间体积较原来减小1/3。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型送料模块的结构示意图；

图4是本实用新型送料模块的爆炸图；

图5是本实用新型张紧模块的结构示意图；

图6是本实用新型张紧模块的爆炸图；

图7是本实用新型预热模块的结构示意图；

图8是本实用新型工作台的结构示意图；

图9是本实用新型升降台的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，包括成形室3、升降台7、工作台6、电子枪1、送料模块2、张紧模块5和预热模块4，电子枪1位于成形室3的正上方，与工作台6上方保持适当距离，成形室3位于工作台6下方，其方口与工作台方口6-3连接，可上下移动的升降台7位于成形室3内部，送料模块2与张紧模块5分别与工作台6上表面固定连接，、且在工作台方口6-3两侧呈对称分布，预热模块4与工作台6上表面固定连接，其分布在工作台方口6-3四周。

如图3所示，送料模块2用以实现金属薄膜的输送与回收，包括驱动机构2-1、送膜机构2-2、收膜机构2-3以及传动机构2-4，其中驱动机构2-1位于送膜机构2-2的一侧，与送膜机构2-2通过联轴器2-1-4进行连接，收膜机构2-3与送膜机构2-2相互平行，传动机构2-4位于送膜机构2-2的另一侧，且与送膜机构2-2通过齿形带轮一2-4-3连接，该传动机构2-4还通过齿形带轮二2-4-2与收膜机构2-3连接；

如图4所示，送膜机构2-2包括送膜辊子支撑件2-2-1、送膜辊子2-2-2、深沟球轴承一2-2-3，其中深沟球轴承一2-2-3位于送膜辊子2-2-2两侧，深沟球轴承2-2-3的内径与送膜辊子2-2-2两端过盈配合连接，送膜辊子支撑件2-2-1上设置有圆形槽，深沟球轴承一2-2-3外径通过过盈配合安装在圆形槽中；送膜辊子支撑件2-2-1安装在工作台方口6-3一侧；

收膜机构2-3包括收膜辊子支撑件2-3-1、收膜辊子2-3-2、深沟球轴承二2-3-3，其中深沟球轴承二2-3-3位于收膜辊子2-3-2两侧，深沟球轴承二2-3-3的内径与收膜辊子2-3-2两端过盈配合连接，收膜辊子支撑件2-3-1上设置有圆形槽，深沟球轴承二2-3-3外径通过过盈配合安装在圆形槽中，收膜辊子支撑件2-3-1安装在工作台方口6-3另一侧；

金属薄膜连接在送膜辊子2-2-2与收膜辊子2-3-2上。

驱动机构2-1包括电机支撑件2-1-1、电机座2-1-2、步进电机2-1-3以及联轴器2-1-4，其中步进电机2-1-3与电机座2-1-2固定连接，电机座2-1-2位于电机支撑件2-1-1上表面与其固定连接，电机座2-1-2与电机支撑件2-1-1固定连接，电机支撑件2-1-1的下表面利用螺栓通过槽口6-1与工作台6上表面连接。

传动机构2-4包括齿形带一2-4-3、齿形带轮二2-4-2以及齿形带2-4-1，齿形带绕接在两个齿形带轮外部。

通过调整送膜机构2-2中送膜机构2-2和收膜机构2-3的相对位置可以实现传动机构2-4的张紧，使送膜辊子2-2-2和收膜辊子2-2-5实现同步运动。

如图5所示，张紧模块5包括张紧压辊一5-1、张紧压辊二5-2该张紧压辊一5-1、张紧压辊二5-2分别安装在工作台方口6-3的两侧且在送料模块2的内侧，利用螺钉连接在工作台6上，用以实现金属薄膜的张紧，使金属薄膜的下表面与加工工件的上表面重合。

如图6所示，张紧压辊一5-1、张紧压辊二5-2结构相同，所述张紧压辊一5-1包括紧固螺母5-1-1、张紧压辊一支撑件5-1-2、轴套5-1-4、深沟球轴承三5-1-3、张紧轴5-1-6、张紧辊筒5-1-5，其中张紧辊筒5-1-5两侧设置有圆形槽，深沟球轴承三5-1-3外径通过过盈配和安装在张紧辊筒5-1-5两侧的圆形槽口中，张紧轴5-1-6与深沟球轴承三5-1-3内径配合，并且张紧轴5-1-6的中心轴线与张紧辊筒5-1-5的中心轴线一致，利用张紧轴5-1-6两侧的轴套5-1-4对压辊进行轴向定位，张紧轴5-1-6两侧设置有外螺纹，利用紧固螺母5-1-1固定在张紧压辊支一撑件5-1-2上。

张紧压辊一5-1、张紧压辊二5-2与工作台6上表面的安装距离应与金属薄膜的厚度一致，且两个张紧压辊的中心轴线应在同一水平面上，以保证金属薄膜的下表面与成形件的上表面重合。

如图7所示，预热模块4包括电热辊4-2、电热辊支撑件4-1、电热条4-4、电热条连接件4-3，用以实现金属薄膜的预热，避免成形件内应力的产生。其中电热辊支撑件4-1和电热条连接件4-3通过螺纹孔6-2与工作台6的上表面固定连接，电热辊4-2固定在电热辊支撑件4-1上，并安装在张紧模块5的内侧，电热条4-4固定在电热条连接件4-3上，安装在金属薄膜的两侧。

如图8所示，工作台6包括槽口6-1、方口6-3、螺纹孔6-2以及凹槽6-4，其中槽口6-1的设置是用于送料模块2的位置调节，方口6-3位于凹槽6-4内，凹槽6-4的设置是为了防止金属薄膜与工作台6接触面积过大，影响加工精度。

如图9所示，升降台7包括基板7-1、预热装置7-2、托板7-3和电缸7-4，其中托板7-3与电缸7-4上方固定连接，预热装置7-2与托板7-3上方固定连接，基板7-1与预热装置7-2上方连接。

工作原理：

(一)将金属薄膜安装于送膜辊子2-2-2上，并将金属薄膜预先与收膜棍子2-3-2固定连接；如图1所示，金属薄膜在安装过程中需要先后穿过张紧模块5和预热模块4，由于本实用新型需要预先铺开金属薄膜，所以是通过升降台7下方的预热装置7-2对基板7-1进行预热；

(二)完成以上的准备工作之后，待真空条件和预热温度达成之后系统控制电子束通，进行电子束灼烧金属薄膜，当该层金属薄膜烧完成之后，电子枪1控制电子束中断，结束这一层的材料熔融沉积；随后升降台7下移一个金属薄膜厚度值的位移，步进电机2-1-3带动收膜棍子2-2-5旋转，回收已经熔融完毕的金属薄膜并铺开新的金属薄膜于已成形部分的上方，且使得基板7-1上的成形件上表面与新的金属薄膜下表面依然接触但无接触力，之后进行再次熔融沉积，循环以上的步骤最终实现金属零件的增材制造；

进一步说明，张紧压辊一5-1、张紧压辊二5-2与工作台6上平面留有金属薄膜厚度值大小的缝隙，即将升降台7升至基板7-1上表面与工作台上表面齐平时，基板7-1上表面与预先铺好的金属薄膜下表面接触但无接触力；

进一步说明预热模块4，电热辊4-2和电热条4-4与工作台6上平面都留有金属薄膜厚度值大小的缝隙，由于金属薄膜的散热较快，温度降低较快，为了避免加工过程中由于金属薄膜冷热不均所产生的内应力，电热辊4-2和电热条4-4对金属薄膜有持续预热的作用。