粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及技术领域，尤其涉及一种粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来构建三维物体的制造技术。粉床式电子束增材制造是增材制造技术路线的一种，其基本的工艺步骤如下:粉末供应与铺平系统将粉末材料在工作平台上铺展成薄层，高能量密度的电子束在粉末层上扫描三维物体的一个截面;之后，工作平台下降一个粉末层厚度的距离，在工作平台上铺一层新的粉末，射线扫描三维物体的下一个截面;重复以上步骤，直至该三维物体制造完成。
[0003]在电子束熔化粉末材料时，熔池温度高，粉末层温度低，两者之间温度差较大，会产生较大的热应力。热应力会导致裂纹、变形等制造缺陷。为减小热应力，粉末层的熔合一般分为以下两个步骤:1)电子束预热粉末层。粉末层温度被电子束预热至一定温度，但不会发生熔化;2)电子束在粉末层上熔化一个截面。截面内的粉末材料被电子束扫描、被熔化并与上一层结合。由于粉末层被预热至一定温度，熔池与粉末层的温度差减小，制造过程中的热应力降低，减小了缺陷出现的几率。
[0004]但是，现有的上述方法存在熔化过程中前后热应力不一致的情况。即:电子束扫描截面需要一定时间。当电子束扫描截面时，粉末层的截面以外的区域的温度不断降低。造成的情况是:随着扫描的进行，熔池与粉末层之间的温度差不断增大，热应力不断升高。这种热应力前后不一致的现象会对制造产生不利影响。特别是，当截面较大时，电子束扫描截面耗时较长，热应力的前后差别很大，不利影响更为明显。
[0005]授权公告号为CN1235705C的专利公布了一种生产三维物体的设备和方法，其具体公开了通过在真空室上方外侧设置摄像头(摄像机)，并在真空室上设置透明的玻璃观测窗口，摄像头(摄像机)透过该观测窗口得到温度分布矩阵Tij-measured，并与给走温度Tij-desired进行比较，两者的差值为ΛΤ^。当ATlj大于某个临界值，则需要对电子束的能量输入做出相应调整，比如电子束扫描截面后的温度过高，则需要在下一层的扫描中减小电子束功率或提高扫描速度。如果电子束扫描截面后的温度过低，则电子束再次扫描截面，使其温度升高至预定值附近。如果截面以外的粉末层温度过低，则需要利用电子束或外部加热装置加热粉床，使其温度升高至预定值附近。但是其依旧存在着热应力前后不一致的问题。
[0006]而且上述设备中，采用透明膜遮挡观测窗口，并不断卷绕、送进新膜，维持膜和观测窗口的透明度，以保证摄像机可以不间断的拍摄，提高温度检测的准确度。但是，上述透明膜会受热辐射和射线作用，往往会受热变形、变脆、进而在卷绕过程中被撕裂，最终无法起到保持窗口具有足够透明度的作用。并且，随着透明膜不断被卷绕，其越卷越厚，需要在真空室中预留较大空间，使得整体设备整体结构空间过大。
[0007]目前还有一种防止观测窗口被蒸镀污染的方法:采用挡板遮挡，在需要拍摄的时候打开挡板，摄像机拍摄图像;拍摄完后，挡板关闭。如此，摄像机进行间断地拍摄，每隔一段时间拍摄一副图像，挡板则不停地重复打开/关闭动作。但是该种方法其挡板每次打开的时间较长，远远大于摄像机拍摄一副图像需要的曝光时间。因此当挡板打开时，玻璃观测窗口暴露于金属蒸汽，重复打开很多次后，玻璃观测窗口仍然会被蒸镀污染，导致其更换频率过尚。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置及方法，能够更好的实现对增材制造中热应力的控制，且能够有效地保持玻璃窗口的透明度，降低了玻璃窗口的更换频率。
[0009]为达此目的，本发明采用以下技术方案:一种粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置，包括位于真空室外侧的摄像机，所述真空室内部设有铺设粉末层的成形缸，成形缸上方设有电子束发生装置，所述电子束发生装置与摄像机均连接于控制装置，所述真空室上且沿摄像机拍摄方向设有透明的玻璃窗口，所述摄像机透过玻璃窗口对真空室内部拍摄图像，且拍摄的图像包含所述粉末层以及其温度分布信息;所述玻璃窗口的一侧设有密封穿过真空室且可转动的转轴，所述转轴固接有位于真空室内的挡板，所述挡板由转轴带动在遮挡玻璃窗口的位置与错开玻璃窗口的位置之间切换。
[0010]作为优选，所述真空室与转轴之间通过磁流体密封件密封连接。
[0011 ]作为优选，所述挡板在遮挡玻璃窗口的位置与错开玻璃窗口的位置之间切换的角度小于90° O
[0012]作为优选，所述挡板处于错开玻璃窗口的位置的时间不小于摄像机拍摄一次图像的时间。
[0013]作为优选，所述摄像机热成像摄像机。
[0014]本发明采用摄像机透过玻璃窗口对真空室内部拍摄图像，且拍摄的图像包含粉末层以及其温度分布信息，能够更好的实现对增材制造中热应力的控制。
[0015]通过设置能够遮挡玻璃窗口的挡板，使玻璃窗口暴露于金属蒸汽内的总时间大大减小，有效地保持玻璃窗口的透明度，玻璃窗口的更换频率大大降低。
[0016]在转轴与真空室之间采用磁流体密封，转轴与磁流体密封元件之间的摩擦非常小，没有磨损，可以灵活转动，使得挡板在转轴的带动下能够实现快速打开/关闭，有效地避免玻璃窗口较长时间的暴露在金属蒸汽内，放置玻璃窗口被金属蒸汽蒸镀，进一步降低了玻璃窗口的更换频率。
[0017]本发明还提供一种粉床式电子束增材制造中热应力的控制方法，包括以下步骤:
[0018]开始粉末层熔合；
[0019]控制摄像机对所述粉末层进行摄像，获取所述粉末层的粉末区的各点温度值；
[0020]根据所述粉末层的粉末区的各点温度值计算出所述粉末区的平均温度值T;
[0021]将平均温度值T与预设温度下限值Tl以及预设温度上限值T2比较，根据比较结果控制电子束发生装置对所述粉末层进行处理；
[0022]结束粉末层熔合。
[0023]作为优选，所述控制摄像机对所述粉末层进行摄像包括:
[0024]控制转轴带动挡板从遮挡玻璃窗口的位置旋转至错开玻璃窗口的位置，并从错开玻璃窗口的位置再次旋转至遮挡玻璃窗口的位置；
[0025]所述挡板处于错开玻璃窗口的位置时，控制摄像机透过玻璃窗口对粉末层进行摄像。
[0026]作为优选，所述根据比较结果控制电子束发生装置对所述粉末层进行处理包括:
[0027]当T<T1时，控制电子束发生装置发出电子束对所述粉末层进行预热；
[0028]当Τ>Τ2时，控制电子束发生装置发出电子束对所述粉末层进行截面熔化。
[0029]作为优选，所述控制电子束发生装置发出电子束对所述粉末层进行预热包括:
[0030]将所述粉末层分成η个子区域，所述η大于I;
[0031]控制电子束发生装置发出电子束对第一个子区域扫描预设时间t，并沿同一方向依次对其余子区域扫描预设时间t;
[0032]当电子束对第η个子区域扫描预设时间t后，控制电子束发生装置跳转到第一个子区域未扫描部分，循环上述扫描过程至所述粉末层完全扫描完毕。
[0033]本发明通过将粉末层粉末区的平均温度值与预设温度值比较，控制电子束对粉末层进行预热或熔化，使得粉末层温度在进行截面扫描的过程中保持在一定温度范围之内，而且本发明中对于每层的熔合过程并不是遵循先预热再熔化的顺序，而是有可能在预热和熔化之间切换多次，使扫描过程中的熔化区与粉末区之间的温度差可控制在一定范围内，热应力也相应的在一定范围内保持稳定，避免裂纹、变形等制造缺陷的出现。
[0034]而且本发明中采用设置多个子区域，进行分区扫描，使得各个子区域之间的温度差别更小，温度更均匀，不同区域内的热应力更加一致。
【附图说明】
[0035]图1是本发明的控制装置位于增材制造装置上的结构示意图；
[0036]图2是本发明的挡板的结构示意图；
[0037]图3是本发明的控制方法的流程图；
[0038]图4是本发明的摄像机拍摄的图像示意图；
[0039]图5是本发明的粉末层预热模式的流程图；
[0040]图6是本发明电子束扫描分区示意图；
[0041 ]图7是本发明是三维实体零件的一个截面的部分截面示意图。
[0042]图中:
[0043]1、真空室;2、成形缸;3、电子束发生装置;4、摄像机;5、玻璃窗口；6、转轴;7、挡板；
8、磁流体密封件;9、粉箱；10、铺粉平台；11、铺粉装置；12、三维实体零件;21、成形缸筒;22、活塞;31、电子束;100、熔化区；101、粉末区；1100、扫描路径。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0045]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件