电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造装备的制作方法

本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种利用电子束选区熔化加热材料，使材料逐层烧结或熔化沉积，同时利用电子束切割成形材料轮廓，使得成形材料与粉末分离，实现高性能、高效率和较高精度的三维零件的增材制造装备。

背景技术：

电子束选区熔化(Electron Beam selective Melting，EBSM)是典型的增材制造工艺，在复杂结构和特殊材料的三维成形方面具有很大的优势。电子束选区熔化工艺采用高能电子束作为热源，逐层烧结或熔化粉末材料，使材料逐层堆积成形。

但是，与其它增材制造工艺类似，电子束选区熔化工艺制造的零件的表面粗糙度较差，需要后续机械加工或者抛光来改善制件的表面光洁度和精度。这些后续加工步骤不但降低了零件的制造效率，更重要的是，对于一些刀具无法进入的部位(如内孔道等)无法实施加工，无法改善其表面质量。因此，制件的表面光洁度较差已经成为增材制造技术的一个瓶颈问题。

为了克服这一瓶颈，相关技术中提出了一些在线切削加工的处理方法来改善增材制造制件的表面质量，即将“增材”和“减材”结合的增减材复合工艺的思路。发明专利申请CN104741609A、CN104526359A和CN105945578 A分别提出在电子束选区熔化和熔丝成形的过程中结合机械减材、激光切割，通过机械铣削头或激光切割扫描实时切削加工零件截面轮廓，改善零件精度和表面光洁度。

这些发明虽然将切削加工融入到在线增材制造过程中，但都需要单独的切削工具或激光系统，要么工件需要在增材和减材两个工位间不断移动，影响加工精度(如：CN104741609A和CN105945578A)；要么增材和减材两套系统无法同时处于最佳加工位置(如CN104526359A中电子束发射结构与激光切削头无法同时处于成形/加工区域正上方的最佳位置)，也会影响加工质量。而多了一套切削装置(切削铣刀或激光切削系统)都不同程度增加了设备结构的复杂程度。

发明专利申请CN105538728A提出在激光选区熔化增材制造过程中利用脉冲激光束扫描轮廓边缘去除表面粗糙部分，改善制件的表面光洁度。该专利利用同一扫描振镜系统，输入不同激光光源发射来的连续激光和脉冲激光，进行增减材复合加工。虽然避免了上述“增材”和“减材”两套激光扫描系统不能同时处于最佳加工位置的结构干涉问题，但仍然需要配置两套性质不同的激光器和光路整合系统。增加了设备成本和调试难度。

另外，该专利所针对的激光选取熔化工艺，为防止激光熔化材料时发生氧化和材料气化蒸镀激光透镜，需要在大于大气压力的正压惰性保护氛围中运行，这极大地限制了脉冲激光切割材料的效率。而该发明提出要利用脉冲激光扫描轮廓边缘“去除表面粗糙部分”，需要切削较大量材料，进一步增大了该发明的实施困难。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

在目前所有的电子束选区熔化工艺中，电子束仅作为热源用来预热、熔化、保温、成形粉末材料，逐层烧结或熔化粉末材料，使材料逐层堆积成形，达到增材制造中“增材”的目的。而对于电子束选区熔化工艺中零件的表面光洁度不好的问题，通常是在后续工序中，以“减材”为手段提高表面质量，这样不仅降低了零件制造的整体效率，还会存在内孔道等无法进行表面加工的问题。

在电子束选区熔化工艺中，可以采用数字化控制系统，使电子束扫描的精度和任意图形扫描的能力大大增强，电子束选区熔化与电子束切割所需的电子束参数和扫描参数完全可以在一台电子束发生、加速、聚焦和扫描系统上实现集成，无需像激光选区熔化与激光切割必需采用不同性质的激光(连续激光和超短脉冲激光)，实现只用一台电子枪(包括了电子束发生、加速、聚焦和扫描功能)，通过采用不同的工作参数(低速扫描和高速扫描)或工作模式(连续束流和脉冲束流)既可用于选区熔化又可用于轮廓切割加工的增减材复合制造。

这样，既简化了系统，又降低了设备成本。同时在电子束选区熔化的真空环境中，材料气化得更加容易，电子束切割的效率会比激光切割的效率更高。而相对于通过增加专用切割工位或切割工具的增减材技术(如发明专利申请CN104741609 A、CN104526359 A和CN105945578 A等)，则系统更加简化；而且一套扫描加工系统既完成“增材”，又完成“减材”，有效地保证了加工精度。

本发明的目的在于提出一种新型的电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造装备，该增材制造装备可将电子束选区熔化与电子束切割复合起来进行复杂三维零件的成形。

根据本发明实施例的电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造装备，其特征在于，包括：真空成形室；工作台装置，所述工作台装置的成形区域至少设在所述真空成形室内；粉末供给装置，所述粉末供给装置用于将粉末铺展到所述成形区域上形成一定厚度的粉末床；至少一个所述电子束发射聚集扫描装置，所述电子束发射聚集扫描装置的扫描范围至少覆盖所述成形区域的一部分；控制器，所述控制器控制每个所述电子束发射聚集扫描装置工作，以发射加热、选区熔化和电子束切割三种模式的电子束，其中，所述粉末供给装置将粉末铺展到成形区域上形成一定厚度的粉末床，电子束发射聚焦扫描装置发射处于加热模式的电子束对所述粉末床进行扫描预热，以加热粉末使之产生微烧结；电子束发射聚焦扫描装置发射处于选区熔化模式的电子束对截面轮廓内的粉末进行扫描熔化，以熔化沉积所述粉末，形成所需的零件截面层；电子束发射聚焦扫描装置发射处于电子束切割模式的电子束对所述零件截面的内外轮廓进行一次或多次切割扫描，去除或切除轮廓上的粗糙边缘和熔接粉末，以获得精确平顺的零件截面内外轮廓；在所述切割轮廓的零件截面层上铺展粉末，然后依次进行加热、熔化沉积和轮廓切割，重复上述铺展、加热、熔化沉积和轮廓切割分层制造过程，直至得到所需的三维实体零件。

本发明提出的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备，在电子束选区熔化工艺中，通过改变电子束的发射参数和扫描参数等，使电子束发射聚焦扫描装置具备对粉末床的加热功能、选区熔化沉积功能和对零件截面的内外轮廓切割功能，将电子束选区熔化和电子束轮廓切割结合起来，实现“增材”与“减材”的同步复合加工。

利用电子束发射聚焦扫描装置的这一功能集成，在电子束选区熔化粉末材料的同时，利用电子束对刚沉积的零件截面轮廓进行切割，去除或切除轮廓上的粗糙边缘和熔接粉末，以获得精确平顺的零件截面内外轮廓。这样的电子束选区熔化沉积(即“增材”过程)和内外轮廓电子束切割(即“减材”过程)交替进行，保证最终得到尺寸精度和表面光洁度都较高的三维实体零件，特别是保证零件的内孔道等难加工部位的表面光洁度和精度。

另外，本发明提出的上述电子束选区熔化与电子束切割复合的增材制造装备还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置的电子束加速电压在10kV-200kV内变化。

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置能够产生连续电子束和脉冲电子束。

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置发射的电子束在成形区域的扫描速度在0到100米/秒内任意变化。

根据本发明的一个示例，在所述加热模式下，所述电子束发射聚焦扫描装置发射的电子束聚焦在成形平面的上方或下方，扫描速度为0.01米/秒至50米/秒，且两次相邻的扫描路径之间不重叠，扫描间距大于10微米。

根据本发明的一个示例，在所述选熔化模式下，所述电子束发射聚焦扫描装置发射的电子束聚焦在成形平面上，扫描速度为0.01米/秒至10米/秒，且两次相邻的扫描路径之间不重叠，扫描间距大于10微米。

根据本发明的一个示例，在所述选区熔化模式下，所述电子束发射聚焦扫描装置通过调整电子束的束流强度、在成形平面上的焦点移动速度、相邻扫描路径的扫描间距和间隔时间来调整熔化深度，其中，对于当前成形层的下面是零件实体且当前成形层需要与之熔合的区域时，熔化深度超过当前成形层的厚度；对于当前成形层的下面是粉末床或切割出的轮廓边缘的区域时，熔化深度小于等于当前成形层的厚度。

根据本发明的一个示例，在所述电子束切割模式下，所述电子束发射聚焦扫描装置发射的连续电子束聚焦在零件截面平面上，扫描速度为1米/秒至50米/秒，且两次相邻的扫描路径有重叠，扫描间距小于8微米。

根据本发明的一个示例，在所述电子束切割模式下，所述电子束发射聚焦扫描装置发射的脉冲电子束聚焦在零件截面平面上，脉冲频率1Hz至100kHz，扫描速度0.1米/秒至5米/秒，且两次相邻的扫描路径需重叠，扫描间距小于8微米。

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置设在所述真空成形室的顶部且位于成形区域的正上方。

根据本发明的一个示例，所述粉末包括陶瓷粉末和/或金属粉末。

进一步地，所述电子束发射聚集扫描装置相对于所述工作台装置可移动，以扩大扫描范围。

进一步地，所述工作台装置可移动地设在所述真空成形室内，以扩大扫描范围。

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置包括两个，每个所述电子束发射聚集扫描装置发射的电子束均具有加热、选区熔化和电子束切割三种模式，且两个所述电子束发射聚焦扫描装置的扫描区域在边缘部分有重叠，其余90％以上的扫描区域互不重叠。

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置包括按阵列排布的至少四个，每个所述电子束发射聚集扫描装置发射的电子束均具有加热、选区熔化和电子束切割三种模式，且每个所述电子束发射聚焦扫描装置的扫描区域在边缘部分有重叠，其余80％以上的扫描区域互不重叠。

根据本发明的一个示例，所述工作台装置包括：工作平台，所述成形区域设置在所述工作平台上；活塞式成形缸装置，所述活塞式成形缸装置设置在所述工作平台之下并包括成形缸和活塞式升降装置，所述成形缸的上边缘与所述工作平台相齐平，所述活塞式升降装置在所述成形缸内可升降。

根据本发明的一个示例，所述粉末供给装置包括：粉末供给器，所述粉末供给器将所述粉末供给至所述工作平台的上表面上；粉末铺设器，所述粉末铺设器设置在所述工作平台上且可将所述粉末推送至所述成形缸内并铺平。

根据本发明的一个示例，所述电子束发射聚集扫描装置包括：壳体，所述壳体设在所述真空成形室外；产生电子束的灯丝，所述灯丝设在所述壳体内；阴极，所述阴极在所述壳体内且位于所述灯丝的下面；栅极，所述栅极在所述壳体内且位于所述阴极的下面；阳极，所述阳极在所述壳体内且位于所述栅极的下面；聚焦线圈，所述聚焦线圈在所述壳体内且位于所述阳极的下面；偏转线圈，所述偏转线圈在所述壳体内且位于所述聚焦线圈的下面。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备的示意图；

图2至图7是图1中所示装备的电子束选区熔化和切割区域示意图；

图8是根据本发明另一个实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备的示意图；

图9是根据本发明又一个实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备的示意图；

图10是图9中所示装置的扫描范围及目标区域示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对根据本发明实施例的增材制造装备和进行详细描述。

如图1至图10所示，根据本发明实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备可包括：真空成形室1、工作台装置、粉末供给装置、至少一个电子束发射聚集扫描装置6以及控制器(未示出)。

具体地说，所述工作台装置的成形区域至少设在真空成形室1内。

根据本发明的一个实施例，所述工作台装置包括：工作平台2和活塞式成形缸装置。所述成形区域设置在工作平台2上。所述活塞式成形缸装置设置在工作平台2之下并包括成形缸31和活塞式升降装置32。成形缸31的上边缘与工作平台2相齐平，活塞式升降装置32在成形缸31内可升降。

所述粉末供给装置用于将粉末供给至所述成形区域。根据本发明的一个实施例，该粉末可以是陶瓷粉末和金属粉末中的至少一种。但是，需要说明的是，该粉末可以根据所需要进行增材制造的零部件的需要而选用合适的材料，这也落入本发明的保护范围之内。

根据本发明的一个实施例，所述粉末供给装置可以包括：粉末供给器4和粉末铺设器5。如图1所示，粉末供给器4将粉末供给至工作平台2的上表面上。粉末铺设器5设置在工作平台2上且可将粉末推送至成形缸31内，并铺平。

电子束发射聚集扫描装置6设置成使得电子束发射聚集扫描装置6的扫描范围至少覆盖所述成形区域的一部分，其具体扫描范围可以根据成型需求等进行设置。如图1所示，在本发明的一些实施例中，电子束发射聚集扫描装置6内从上到下可依次设有灯丝61、阴极62、栅极63、阳极64、聚焦线圈65、包含x方向偏转绕组和y方向偏转绕组的扫描偏转线圈66。

每个电子束发射聚集扫描装置6都能够发射出电子束，以进行单束或多束扫描，每束电子束都有足够的功率，拥有加热、选区熔化和电子束切割三种模式，可以对成形材料进行加热、熔化、烧结和切割轮廓处理。此外，此处的扫描、加热、熔化、烧结和切割轮廓应做材料加工领域的广义理解，例如加热可以包括持续或者间断的预热、升温等。

具体地，如图2和图3所示，根据本发明实施例的增材制造装备在具体使用时，电子束发射聚集扫描装置6发射的电子束67在控制器的控制下可用于扫描成形区域。首先，可以利用电子束发射聚焦扫描装置6发射处于加热模式的电子束对粉末床进行扫描预热，以加热粉末使之产生微烧结；然后利用电子束发射聚焦扫描装置6发射处于选区熔化模式的电子束对截面轮廓内的粉末进行扫描熔化，以熔化沉积所述粉末，形成所需的零件截面层；再利用电子束发射聚焦扫描装置6发射处于电子束切割模式的电子束对所述零件截面的内外轮廓进行一次或多次切割扫描，去除或切除轮廓上的粗糙边缘和熔接粉末，以获得精确平顺的零件截面内外轮廓；之后，可在切割轮廓的零件截面层上铺展粉末，然后依次进行加热、熔化沉积和轮廓切割，重复上述铺展、加热、熔化沉积和轮廓切割分层制造过程，直至得到所需的三维实体零件。

由此，可以使截面内材料逐步升温、烧结、熔化，形成清晰、连续、完整的截面及其轮廓，在制造的过程中实现增材和减材的同步进行，无需或减少后续处理，可以获得高性能和较高精度的零件。

根据本发明实施例的增材制造装备可以通过控制器控制电子束发射聚集扫描装置6发射具有不同参数的电子束，电子束在制造过程中可以灵活地对成型区域的材料进行加热、熔化、烧结和切割轮廓处理，将电子束选区熔化和切割轮廓结合起来，实现“增材”与“减材”的同步加工，在制造的过程中就可以获得高性能和较高精度的零件，无需或减少后续处理。

电子束发射聚集扫描装置6的电子束加速电压可在10kV-200kV内变化。电子束发射聚集扫描装置6发射的电子束在成形区域的扫描速度可在0到100米/秒内任意变化。由此，可以通过控制器控制电子束发射聚集扫描装置6的电子束加速电压以及扫描速度在一定的范围内变化，电子束可以具有不同的能量以及作用时间，实现加热、熔化、烧结和切割轮廓功能。

在本发明的一些实施例中，在加热模式下，电子束发射聚焦扫描装置6发射的电子束可聚焦在成形平面的上方或下方，扫描速度为0.01米/秒至50米/秒，且两次相邻的扫描路径之间不重叠，扫描间距大于10微米。由此，可以实现较好的加热效果以及加热效率。例如，电子束在加热模式下的扫描速度可以为10米/秒、20米/秒、30米/秒或40米/秒等，相邻两次扫描的扫描路径的扫描间距可以为15微米、20微米或25微米等。

在选区熔化模式下，电子束发射聚焦扫描装置6发射的电子束可聚焦在成形平面上，扫描速度为0.01米/秒至10米/秒，且两次相邻的扫描路径之间不重叠，扫描间距大于10微米，熔化烧结效果好以及烧结效率。例如，电子束在选区熔化模式下的扫描速度可以为1米/秒、3米/秒、5米/秒、7米/秒或9米/秒等，相邻两次扫描的扫描路径的扫描间距可以为15微米、20微米或25微米等。

进一步地，在选区熔化模式下，电子束发射聚焦扫描装置6可以通过调整电子束的束流强度、在成形平面上的焦点移动速度、相邻扫描路径的扫描间距和间隔时间来调整熔化深度，以保证良好的熔化烧结效果。

在本发明中，电子束发射聚集扫描装置6能够产生连续电子束和脉冲电子束。有利地，在进行电子束切割处理时的电子束可以为脉冲电子束，以保证更好的切割效果。

需要说明的是，电子束切割时，若能量密度不够或作用时间过长，就会导致焦点周围的材料熔化，而将气化去除的部分重新填补，导致无法切割或降低切割效率，另外也会引起温度梯度效应，产生裂纹，切割效果并不理想，产品的表面光洁度较差。为提高切割效果，本申请的发明人对电子束切割的一些参数进行了优化设计，可以显著提高切割效果。

例如，在本发明的一些实施例中，在电子束切割模式下，电子束发射聚焦扫描装置6发射连续电子束，连续电子束聚焦在零件截面平面上，扫描速度为1米/秒至50米/秒，且两次相邻的扫描路径完全重叠或扫描间距小于8微米。由此，可以保证有效加深切割深度。例如，电子束在电子束切割模式下的扫描速度可以为10米/秒、20米/秒、30米/秒或40米/秒等，相邻两次扫描路径的扫描间距可以为0微米、2微米、4微米或6微米等。

再例如，在本发明的另一些实施例中，在电子束切割模式下，电子束发射聚焦扫描装置6发射脉冲电子束，且脉冲电子束聚焦在零件截面平面上，脉冲频率1Hz至100kHz，扫描速度0.1米/秒至5米/秒，且两次相邻的扫描路径需重叠或扫描间距小于8微米，切割效果好。例如，电子束在电子束切割模式下的扫描速度可以为1米/秒、2米/秒、3米/秒或4米/秒等，相邻两次扫描的扫描路径的扫描间距可以为0微米、2微米、4微米或6微米等。

这里需要说明的是，在本发明中，扫描间距可以理解为所述电子束在所述粉末床或零件截面上扫描形成的相邻两条扫描轨迹中心线或扫描痕迹中心线的距离；也可以理解为输入所述电子束发射聚焦扫描装置的所述控制器的扫描数据所定义的相邻两条扫描路径的距离。

如图1所示，根据本发明的一个示例，电子束发射聚集扫描装置6设置在真空成形室1的顶部并且位于成形区域的正上方。由此，不仅方便安装而且可以保证较好的成型效果。

有利地，电子束发射聚集扫描装置6相对于工作台装置可移动，也就是说，电子束发射聚集扫描装置6相对于工作台装置可以发生位置移动，从而可以扩大扫描范围。进一步地，工作台装置在真空成形室1内可以发生位置移动，以进一步扩大电子束发射聚集扫描装置6的扫描范围。

如图8所示，根据本发明的一个示例，增材制造装备可以包括两个电子束发射聚集扫描装置6，两个电子束发射聚集扫描装置6都具有加热、选区熔化和电子束切割三种不同工作模式，且两个电子束发射聚焦扫描装置6的扫描区域仅在边缘部分有重叠，其余90％以上的扫描区域互不重叠。由此，可以进一步扩大扫描范围，增材制造装备具有较好的成型效果和较高的成型效率。

可选地，两个电子束发射聚集扫描装置6并列设置在真空成形室1的顶部。由此，不仅方便安装，而且可以扩大扫描范围，提高成型质量和成型效率。

如图9所示，根据本发明的一个示例，电子束发射聚集扫描装置6可包括四个，电子束发射聚集扫描装置6可分布成阵列，在阵列中的每个电子束发射聚焦扫描装置6都具有加热、选区熔化和电子束切割三种工作模式，且每个电子束发射聚焦扫描装置6的扫描区域仅在边缘部分有重叠，其余80％以上的扫描区域互不重叠。由此，可以进一步扩大扫描范围，增材制造装备具有较好的成型效果和较高的成型效率。

可选地，四个电子束发射聚集扫描装置6阵列设置在真空室1的顶部。由此，不仅方便安装，而且可以扩大扫描范围，提高成型质量和成型效率。

需要说明的是，在本发明中，对于电子束发射聚集扫描装置6的数量不做特殊限制，还可以为三个、五个或多于五个等，可以根据具体情况进行灵活设置。

根据本发明的一个示例，电子束发射聚集扫描装置6可包括：壳体60，灯丝61，阴极62，栅极63，阳极64，聚焦线圈65以及偏转线圈66。壳体60设在真空成形室1外。灯丝61设在壳体60内以产生电子束。阴极62在壳体60内位于灯丝61的下面。栅极63在壳体60内位于阴极62的下面。阳极64在壳体60内位于栅极63的下面。聚焦线圈65在壳体60内位于阳极64的下面。偏转线圈66在壳体60内位于聚焦线圈65的下面。

综上所述，根据上述利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备，将电子束选区熔化和切割轮廓结合起来，实现“增材”与“减材”的同步加工，实现高性能、高效率、较高精度和材料适应面更广的选区熔化的增材制造技术。

电子束发射聚集扫描装置发射的扫描电子束可用于扫描成形区域，预热粉末和控制降温过程，使成形区域温度场处于适当范围，控制温度梯度，降低热应力，扫描零件截面及其切割内外轮廓，使截面内材料逐步升温、烧结、熔化，形成清晰、连续、完整的截面及其轮廓，获得高性能和较高精度的零件。

对于较大的成形区域，可以在真空室顶部布置多个电子束发射聚集扫描装置6，多个电子束发射聚集扫描装置6的扫描区域组合成较大的合成扫描区域，各电子束发射聚集扫描装置6扫描区域之间不能存在缝隙，应有部分重叠或搭接，以避免出现成形区域中有无法扫描到的地方，影响制造过程。

对于更大的成形区域，至少一个电子束发射聚集扫描装置6可在真空成形室1顶部可通过相对于工作平台2移动位置，以扩大扫描范围。可选地，对于更大的成形区域，成形缸31和工作平台2可在真空成形室通过位置移动，以扩大所述电子束发射聚集扫描装置的扫描范围。

下面将对图1-图10中公开的具体实施例进行简单说明。

实施例1

如图1所示，根据本发明一个实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备，包括：真空成形室1，工作平台2，成形缸31，活塞式升降装置32，粉末供给器4，粉末铺设器5，电子束发射聚集扫描装置6以及作为控制器的控制计算机。

电子束发射聚集扫描装置6包括产生电子束67的灯丝61，阴极62，栅极63，阳极64，聚焦线圈65，偏转线圈66，产生电子束67用于扫描成形区域，加热、烧结和熔化粉末，切割成形材料内外轮廓。

真空成形室1为选区熔化工艺提供真空环境，中间水平设置工作平台2。

粉末供给器4设在工作平台2上方，用于储存粉末和定量供应粉末41。

粉末铺设器5可以在工作平台2上往复移动，将粉末推送并铺平在成形区域，并铺平。

成形缸31设在工作平台2之下，成形缸31中有活塞式升降装置32。活塞式升降装置32与成形缸31组成的高度可变化的容纳腔内盛有粉末床7和已经成形的工件72。

如图1和图2所示，根据本发明一个实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备的工艺过程如下：当先前的一层沉积层成形完毕，新的沉积层成形开始时，活塞式升降装置32相对于工作平台2下降等于一个粉末层厚度的高度，使粉末床7的上表面与工作平台2的表面形成一个粉末层厚的高度差。在控制计算机的控制下，粉末供给器4输出一定量的成形材料粉末41，并落在工作平台2表面，随后粉末铺设器5将粉末41推送至成形缸31内并铺平在粉末床7上形成一层新粉末层。

电子束发射聚集扫描装置6发射加热模式的电子束对新粉末层进行复合扫描，加热成形区域内的粉末使之产生微烧结。电子束发射聚集扫描装置6发射选区熔化模式的电子束67扫描熔化成形零件截面内的粉末71。电子束发射聚集扫描装置6发射切割模式的电子束68对成形材料的内轮廓75和外轮廓74进行切割，进行一次或多次切割扫描，直接切除轮廓上的粗糙部分和未扫描成形的粉末。在工件72的上表面沉积出新沉积层71。

如此反复，逐次逐层在工件72上堆积新沉积层，直至获得工件72的最终形状，完成工件的增材制造过程。

如图3-图6示出了本发明一个实施例的利用电子束选区熔化与切割复合扫描方式。在熔化沉积模式下，电子束发射聚焦扫描装置6可以通过调整电子束的束流强度、在成形平面上的焦点移动速度、相邻扫描路径的扫描间距和间隔时间等扫描参数，调整熔化深度。

图3和图4是当前成形层大于或者等于上一成形层(在图中位于当前成形层之下)的示意图，即当前成形层的外沿向外延伸超过上一成形层。图5和图6是当前成形层小于上一成形层(在图中位于当前成形层之下)的示意图，即上一成形层的外沿向外延伸超过当前成形层。其中，图3和图5是没有增加电子束切割轮廓的成形情况，此时仅仅利用选区熔化模式的电子束67扫描成形粉末，已经熔化成形的工件72表面没有进行处理，表面质量粗糙，边缘参差不齐；图4和图6是利用电子束选区熔化和电子束切割复合的扫描区域示意图。

对于图4中所示的上方三层中，当前成形层大于上一成形层的部分76(图中白色带剖面线部分)，由于下面是粉末床或切割出的轮廓边缘的区域，熔化深度需等于或小于当前成形层的厚度，防止当前成形层下方的粉末粘在上一成形层已切割好的表面，影响切割好的表面质量；而对于下面是零件实体且当前成形层需要与之熔合的区域77(图中灰色实心部分)，熔化深度需超过当前成形层的厚度，使当前成形层与上一成形层完全熔合。由此，不仅可以保证上下两个成形层的连接效果而且可以保证较好的表面光洁度。

对于图4所示的下方三层中，当前成形层等于上一成形层时，也就是说，当前车成形层的边沿与上一成形层的边沿平齐时，当前成形层的熔化深度不会影响上一成形切割好的表面质量，所以当前成形层的熔化深度均需超过当前成形层的厚度，使当前成形层与上一成形层完全熔合，切割平面平整。对于图6所示的当前成形层小于上一成形层的情况，当前成形层的熔化深度也不会影响上一成形层切割好的表面质量，所以当前成形层的熔化深度也需超过当前成形层的厚度，使当前成形层与上一成形层完全熔合，保证切割效果以及成形质量。

如图7所示，本发明一个实施例的利用电子束选区熔化与电子束切割复合扫描方式，处于电子束切割模式的电子束68进行一次或多次轮廓切割，直接切除粗糙部分78和未扫描成形的粉末73，使粗糙部分78和未扫描成形的粉末73与已成形的工件72完全分离，得到较高成形精度和表面光洁度的成形件。

实施例2

图8和图9示出了根据本发明另一些实施例的利用电子束选区熔化与切割复合的增材制造装备，包含多个电子束发射聚集扫描装置6进行选区熔化与切割的增材制造装备。其他组成与实施例1类似，其工艺过程也与实施例1类似，在此不在赘述。

其中，图8表示了两个电子束发射聚集扫描装置6的组合情况，所述两个电子束发射聚集扫描装置6发射的电子束都拥有加热、熔化沉积和电子束切割三种不同工作模式，且两个电子束发射聚焦扫描装置6的扫描区域仅在边缘部分有重叠，其余90％以上的扫描区域互不重叠。两个电子束发射聚集扫描装置6并列设置在真空室1的顶部。

图9表示了四个电子束发射聚集扫描装置6的组合情况，四个电子束发射聚集扫描装置6发射的电子束都拥有加热、熔化沉积和电子束切割三种不同工作模式，且每个电子束发射聚焦扫描装置6的扫描区域仅在边缘部分有重叠，其余80％以上的扫描区域互不重叠。例如，四个电子束发射聚集扫描装置6呈2×2阵列布置，每个电子束发射聚集扫描装置6的扫描区域771、772、773、774大小一致，组合成较大的合成扫描区域77(如图10所示)，各电子束发射聚集扫描装置6扫描区域之间不存在缝隙(例如，有部分重叠或搭接)，以避免出现成形区域中有无法扫描到的地方。另外，还可以将四个电子束发射聚集扫描装置6组成一个电子束扫描模块，利用机械平移运动机构，以获得更大成形扫描区域，实现更大尺度的三维零件增材制造。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“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必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”或“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。