实现电子束宽幅扫描的控制装置以及增材制造设备的制作方法

本实用新型涉及增材制造领域，特别涉及一种能够实现电子束宽幅扫描的控制装置以及能够实现电子束宽幅扫描的增材制造设备。

背景技术：

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，"快速原型制造(Rapid Prototyping)"、"三维打印(3D Printing)"、"实体自由制造(Solid Free-form Fabrication)"之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

增材制造，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。

而电子束选区熔化，是增材制造技术中的一种，其基本的工艺步骤如下：

1)粉末供应与铺平系统将金属粉末材料在工作平台上铺展成薄层，之后电子束在交变磁场驱动下在粉末层上扫描三维物体的一个截面；

2)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，电子束扫描三维物体的下一个截面；

3)重复以上步骤，直至该三维物体制造完成。

由于电子束需要扫描三维物体的截面，因此，增材制造技术所能制造的三维物体尺寸直接取决于电子束能够扫描的最大范围。电子束的宽幅扫描是实现大尺寸零件的增材制造的基础。电子束窄幅扫描时的偏转角度小，电子束的散焦、像散比较微弱，对制造质量的影响有限；而电子束宽幅扫描时的偏转角度较大，电子束的散焦、像散较大。散焦较大的电子束直径较大，解析度有限。像散较大的电子束呈椭圆形，扫描的图案模糊。这些因素对制造质量的影响不可忽略，需要加以解决。

目前存在的问题是，在电子束焊接、电子束熔炼等电子束加工技术中，电子束的偏转角度较小，电子束大幅偏转而造成的散焦和像散比较小，不会影响焊接或熔炼质量。因此，在这种电子束加工设备中，一般只有聚焦线圈和偏转线圈，故不能实现高精度的电子束宽幅扫描。

同时，现有的电子束选区熔化增材制造设备一般采用电子束焊接用的电子束产生装置，同样不能实现高精度的电子束宽幅扫描。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种能够实现电子束宽幅扫描的装置。

基于上述目的，本实用新型提供一种实现电子束宽幅扫描的控制装置，包括：阴极、栅极、阳极、聚焦线圈、偏转线圈、消像散线圈和DA转换器，

所述阴极，用以产生电子束，所述电子束依次经过栅极、阳极、消像散线圈、聚焦线圈、偏转线圈后偏转；

所述栅极，用以约束所述电子束中的电子，并改变电子束的束流；

所述阳极，用以与所述阴极产生电压并使电子加速；

所述消像散线圈，用于调节所述电子束的像散程度；

所述聚焦线圈，用以调节所述电子束的焦距；

所述偏转线圈，用以调节电子束在X轴方向上和Y轴方向上的偏转量；

所述DA转换器，与栅极相连，用于改变栅极电压；与消像散线圈相连，用于改变消像散线圈中的电流；与聚焦线圈相连，用于改变聚焦线圈中的电流；偏转线圈相连，用于改变偏转线圈中X轴绕组和Y轴绕组上的电流；

所述DA转换器，用以输出多路可变化的电压信号。

更进一步，所述消象散线圈包括至少两组绕组，所述偏转线圈包括至少两组绕组，所述聚焦线圈包括一环形绕组；

所述DA转换器，分别与所述消象散线圈上两组绕组连接，用以控制电子束的像散；

所述DA转换器，与所述聚焦线圈上的环形绕组连接，用以控制电子束的焦距。所述DA转换器，分别与所述偏转线圈上两组绕组连接，用以控制电子束的偏转。

更进一步，所述DA转换器，至少包括6个电压信号输出通道，所述DA转换器的电压信号输出通道，按照顺序依次读取其自身存储器内的控制电压数据，并同步输出电压信号；

若所述DA转换器上的储存空间不足，所述DA转换器电压信号输出通道按照顺序依次读取存储在本地或远端内存中的控制电压数值，并同步输出电压信号。

更进一步，所述电压信号通过高压电源与栅极相连，所述电压信号通过驱动电路与绕组相连，所述电压信号通过放大电路与聚焦线圈相连。

本实用新型的目的还在于提供一种能够实现高精度的电子束宽幅扫描的增材制造设备。

基于上述目的，本实用新型还提出了一种增材制造设备，包括实现电子束宽幅扫描的控制装置和密闭装置，以及设置于密闭装置内部的粉末供给装置、粉末铺平装置、成形平台；

当所述电子束从阴极产生后，依次经过栅极、阳极、消像散线圈、聚焦线圈和偏转线圈，最后进入所述密闭装置；

当所述电子束进入密闭装置后，通过所述粉末供给装置用以储存待制造的原材料，并通过所述粉末铺平装置将所述待制造的原材料平铺在所述成形平台上形成粉末层；

当所述电子束射在该金属粉末层上后，进行扫描并绘制出要制造的三维物体的截面或该截面的轮廓。

更进一步，所述密闭装置为压力范围在0.001-1Pa的真空室，其中电子束的加速电压为60kV，功率不大于3kW。

更进一步，所述粉末供给装置为一与真空室侧壁相连的送粉器，所述粉末铺平装置为一设置在真空室底部的铺粉器，所述成形平台由成形缸、活塞板组成，所述成形缸与所述铺粉器连接，所述成形缸下部设置有活塞板，所述可在竖直方向上活动，当所述活塞板下降一个高度，该下降的高度等于粉末层的厚度。

更进一步，所述粉末层包括钛合金、钛、铝合金、铝、钛铝合金、不锈钢、Co-Cr合金的多种合金中的一种或者多种。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型除了聚焦线圈、偏转线圈外，还增加了消像散线圈；当电子束偏转角度较大时，不仅可以通过改变聚焦线圈电流来使电子束良好聚焦，还可以通过改变消像散线圈电流来消除电子束的像散，使得束斑仍然保持较高质量。

2)本实用新型大大提升了电子束选区熔化增材制造(3D打印)的成形质量，特别是打印较大零件的精度和质量。

3)给出了一种电子束宽幅扫描的控制方法，方法可操作性强，使的电子束能够在宽幅范围内实现任意路径的高质量扫描。

4)结合附图4，本实用新型中的DA转换器的6个通道按照顺序依次读取存储在计算机内存中的控制电压数值，同步地输出电压信号。

附图说明

图1是本实用新型所述的实现电子束宽幅扫描的控制装置的示意图。

图2示出了运用了本实用新型的增材制造设备的一个实施例。

图3示出了本实用新型所述的实现电子束宽幅扫描的方法一个实施例。

图4示出了储存器的数据储存和DA转换方式。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

图1是本实用新型所述的电子束宽幅扫描的控制装置示意图。

电子从阴极1中产生，依次经过栅极2、阳极3、消像散线圈4、聚焦线圈5、偏转线圈6。

其中，电子在阴极1与阳极3之间被加速，加速后的电子可以使金属粉末熔化。

栅极2与高压电源8相连，栅极2与阴极1之间产生的电场可以约束电子。当改变栅极2上的电压，电子束流(即功率)会随之改变。

消象散线圈4包括第一绕组4-1和第二绕组4-2，以产生消像散磁场。

聚焦线圈5包括一个环形绕组，用以产生轴对称的聚焦磁场。

偏转线圈6包括第三绕组6-1和第四绕组6-2，分别产生X、Y方向的磁场，使得电子束偏转。

DA(数模转换)器7具有至少6个通道，所述的6个通道均可输出控制电压。其中第一通道7-1产生的电压信号与高压电源8相连，以控制电子束流；其中第二通道7-2、第三通道7-3产生的电压信号通过第一驱动电路9、第二驱动电路10分别和消象散线圈4的第五绕组4-1、第六绕组4-2相连，以控制绕组中通过的电流；其中第四通道7-4产生的电压信号通过放大电路11和聚焦线圈5相连，以控制聚焦线圈中通过的电流；其中第五通道7-5、第六通道7-6产生的电压通过第一放大电路13、第二放大电路12和偏转线圈6上的X绕组6-1、Y绕组6-2相连，以控制绕组中通过的电流，从而控制电子束14发生偏转。

图2示出了运用了本实用新型的增材制造(三维打印)设备的实施例，本实用新型所述的阴极1、栅极2、阳极3、消像散线圈4、聚焦线圈5、偏转线圈6等位于真空室15的上方。真空室内还安装有送粉器16、铺粉器17、成形缸18、活塞板19。真空室15可以通过真空系统保持真空环境，该真空系统包括涡轮分子泵、涡旋泵、离子泵以及多个阀。电子束14离开偏转线圈6后，进入真空室15，作用于活塞板19上的粉末材料20，使其烧结或熔化。本实施例中真空室的压力可介于0.001-1Pa的范围，电子束的加速电压为60kV，功率最大为3kW。

送粉器16、铺粉器17可在活塞板19上形成粉末薄层，电子束14在粉末层扫描三维模型的截面，使粉末烧结或熔化。活塞板19可在竖直方向上运动，活塞板19下降一个高度，该高度等于粉末层的厚度。之后，送粉器16、铺粉器17在活塞板19上形成一层新的粉末，电子束14在粉末层上扫描三维模型的下一个截面，使粉末烧结或熔化，并与上一层结合。通过以上所述的逐层熔化的方法制造三维实体21。该制造方法所用的粉末材料包括纯金属或金属合金，如钛合金、钛、铝合金、铝、钛铝合金、不锈钢、Co-Cr合金等。用于降低活塞板19的方式包括伺服电机或步进电机带动的齿轮齿条、螺杆等结构。所述的三维模型可通过计算机辅助设计工具产生。

图3示出了本实用新型所述的宽幅扫描控制方法的一个实施例。电子束的扫描幅面22为方形，位于活塞板19上方，并且不会超出活塞板19的尺寸范围。在扫描幅面内选取若干个成阵列分布的标定点23。在本实施例中，扫描幅面尺寸为200mm×200mm，标定点23共49个，成7×7的均匀阵列分布。

对于每一个标定点，改变DA转换器7中像散、聚焦、偏转所对应的通道7-2、7-3、7-4、7-5、7-6的输出电压，使得电子束恰好落在标定点上，并且聚焦良好，没有像散。在插值表中记录该标定点的坐标值和对应的像散、聚焦、偏转的控制电压。逐个校准，直至所有标定点的坐标值和像散、聚焦、偏转的控制电压都被记录在插值表中。判断电子束是否落在标定点上、是否聚焦良好、是否像散的方法可以是肉眼观察，也可以借助于摄像头拍摄图像后通过图像识别判断。

之后，根据三维模型的截面确定电子束要执行的扫描路径，该路径可以包含一条或多条直线、曲线。沿着该扫描路径，每隔一段距离取一个扫描点。以图3中的圆形路径24为例，扫描点25为圆形路径上的扫描点。由此，电子束实际上为逐点扫描，为保证扫描路径上粉末熔化的连续，相邻两个扫描点上的熔池需有所重叠。因此，扫描点的间隔需要根据实际工艺下熔池的直径确定。在本实施例中，若熔池直径为d，则扫描点的间隔为d/4～d。

对于每一个扫描点，根据其坐标值，在插值表中进行插补运算，确定该扫描点对应的像散、聚焦、偏转的控制电压。在本实施例中，阵列排布的标定点23将扫描幅面22分为若干个方形小区域。对于确定的扫描点，首先确定其落在哪个方形小区域之中，并利用位于方形小区域角点的4个标定点的像散、聚焦、偏转的控制电压进行插补运算。可以认为，当DA转换器输出插补运算得到的像散、聚焦、偏转的控制电压时，扫描点的位置精度、聚焦、像散均达到最优状态。

逐个对所有扫描点进行插补运算，将像散、聚焦、偏转的控制电压记录在储存器中。图4示出了储存器的数据储存和DA转换方式。存储器26为DA转换器的6个通道划分了对应的储存空间27、28、29、30、31、32。像散的控制电压包括两个绕组的控制电压，保存在储存空间28、29中；聚焦的控制电压保存在储存空间30中；偏转的控制电压包括X、Y两个绕组的控制电压，保存在储存空间31、32中。对于每一个扫描点，还附加了一个束流控制电压，表示电子束落在该扫描点时的束流(功率)。束流控制电压保存在储存空间27中。

所有扫描点的控制电压保存完毕后，DA转换器的6个通道分别读取对应的储存空间中的控制电压值，并输出电压波形。6个通道读取储存空间中的控制电压值并转换成模拟电压是同步的，即不存在某一个或某几个通道提前或者滞后的情况。同步的方法是借助于时钟信号33，在时钟信号的上升或下降沿，6个通道同时被触发并读取数据、转换成模拟电压。

时钟信号33的频率决定了输出电压波形的频率，也即影响了电子束逐点扫描时在每个点的滞留时间，也即决定了电子束的扫描速度。为使电子束快速扫描，DA转换器7的采样频率需尽量高。在本实施例中，DA转换器7的采样频率大于2Ms/s。输出电压波形的频率高，要求高压电源8、驱动电路9、10、11、12、13具有足够的频率响应性能，本实施例中，高压电和驱动电路的响应频率高于20kHz。

在本实施例中，所有要执行的扫描点的控制电压值事先一次性地写入储存器，然后再由DA转换器7读取、输出波形。在本实施例中，存储器共512Mb，每个通道拥有最多85Mb的储存空间。也可采用较小的存储器，扫描点的控制电压值分批写入。DA转换器7读取一定大小的存储空间后，将扫描点的控制电压值写入，直至充满储存空间。如此循环，直至所有扫描点的控制电压值被写入并被转换为模拟电压。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上，所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。