一种磁聚焦器及粉床电子束选区熔化成形设备的制作方法

本发明涉及粉床电子束选区熔化技术领域，更具体的涉及一种磁聚焦器及粉床电子束选区熔化成形设备。

背景技术：

对于金属增材制造，粉床电子束选区熔化(英文为：electronbeamselectivemelting，简写：ebsm)技术在生物医疗和航空航天领域有着广泛的应用。对于粉床电子束选区熔化成形设备，其核心部件之一就是电子枪，传统的粉床电子束选区熔化成形设备的电子枪电子光学系统都包含发射极，电聚焦器，消像散器，磁聚焦器以及偏转器。在大面积电子束选区熔化过程中，必须对熔化区域不同点的磁聚焦激励进行改变，以达到最好的聚焦效果，而且电子束选区熔化偏转速度非常快，现在频率最高可达9000hz，这意味着磁聚焦的频率也必须达到9000hz，随着电子束选区熔化面积的增大，各个电子光学器件激励的最大幅值也会提高，当然，各个电子光学器件的响应频率越快越好。

传统的单个磁聚焦线圈会嵌入铁磁类材料，并通过改变输入电流，对自身的磁场强度以及磁场分布进行改变，以达到改变电子束聚焦的效果。要实现大面积、高精度、快速的选区熔化效果，传统的磁聚焦器的聚焦效果会随着频率的增大出现各种问题，比如聚焦线圈感抗值大而导致束斑聚焦延迟，聚焦线圈发热严重等等。

综上所述，现有的磁聚焦器的聚集效果随着频率的增大导致束斑聚焦延迟和聚焦线圈发热等问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种磁聚焦器及粉床电子束选区熔化成形设备，用以解决现有的磁聚焦器的聚集效果随着频率的增大导致束斑聚焦延迟和聚焦线圈发热等问题。

本发明实施例提供一种磁聚焦器，包括：至少一个主线圈和至少一个辅线圈；

所述主线圈和所述辅线圈单独供电，且所述主线圈输入的电流恒定以及电流方向不变，所述辅线圈输入的电流大小和方向均变化。

优选地，当所述主线圈的数量为偶数时，有50％所述主线圈的绕线方式为逆时针，有50％所述主线圈的绕线方式为顺时针。

优选地，当所述主线圈的数量为奇数时，具有逆时针绕线方式的所述主线圈的数量比具有顺时针绕线方式的所述主线圈的数量多1个。

优选地，所述主线圈的轴线和所述辅线圈的轴线重合；

且所述辅线圈位于所述主线圈的内部，外部，前部，后部中的任意一个位置。

优选地，当所述辅线圈位于所述主线圈的内部时，所述辅线圈的线圈外径等于所述主线圈的内径，且所述辅线圈的长度等于所述主线圈的长度。

优选地，当所述辅线圈位于所述主线圈的前部时，所述辅线圈的内径等于所述主线圈内部包括的所述辅线圈的内径，且所述辅线圈的轴向长度为所述主线圈的轴向长度的1/3～1/2之间；或者

当所述辅线圈位于所述主线圈的后部时，所述辅线圈的内径等于所述主线圈内部包括的所述辅线圈的内径，且所述辅线圈的轴向长度为所述主线圈的轴向长度的1/3～1/2之间；或者

当所述辅线圈位于所述主线圈的外部时，所述辅线圈的内径等于所述主线圈内部包括的所述辅线圈的内径，且所述辅线圈的轴向长度为所述主线圈的轴向长度的1/3～1/2之间。

优选地，所述主线圈的安匝数为所述辅线圈的安匝数的3～7倍。

优选地，与成形面距离最近的所述主线圈的安匝数从上至下依次递减呈梯形分布，其中，所述梯形的上底与成形面之间的距离大于所述梯形的下底与成形面之间的距离；所述梯形的下底与所述梯形的腰之间形成的夹角介于70-90度。

优选地，两个相邻的所述主线圈的端面之间的距离为所述主线圈轴向长度的1/5～1/2之间；或者

两个相邻的所述辅线圈的端面之间的距离为所述主线圈轴向长度的1/5～1/2之间；或者

两个相邻的一个所述主线圈和一个所述辅线圈的端面之间的距离为所述主线圈轴向长度的1/5～1/2之间。

本发明实施例还提供了一种粉床电子束选区熔化成形设备，其特征在于，包括任一一项所述的磁聚焦器；

当当所述磁聚焦器内包括的主线圈的数量为偶数时，粉床电子束选区熔化成形设备以电子束束斑形状为直线形进行扫描预热及熔化；或者

当所述磁聚焦器内包括的主线圈的数量为奇数时，粉床电子束选区熔化成形设备以电子束束斑形状为圆形进行扫描预热及熔化。

本发明实施例提供了一种磁聚焦器及粉床电子束选区熔化成形设备，该线圈包括至少一个主线圈和至少一个辅线圈，所述主线圈和所述辅线圈单独供电，且所述主线圈输入的电流恒定以及电流方向不变，所述辅线圈输入的电流大小和方向均变化。本发明实施例提供的磁聚焦器由多组主线圈和辅线圈组合，由于主线圈输入的电流恒定以及电流方向不变，可以确定主线圈产生恒定的强磁场并能减少磁场发热；再者，辅线圈可以灵活调节输入电流值来调节聚集效果。该方法提供的磁聚焦器从结构上解决了电子束聚焦效果差，存在球差严重的问题，再者，将该磁聚焦器应用至粉床电子束选区熔化成形设备中，确定了电子束束斑扫描形状，并能提高了成形精度，从而大幅度提高了电子束选区熔化的成形效率。进一步地解决了现有磁聚焦器的聚集效果随着频率的增大导致束斑聚焦延迟和聚焦线圈发热等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的磁聚焦器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的磁场分布示意图；

图3为现有技术中电子束斑成形及扫描原理图；

图4为本发明实施例中电子束斑成形及扫描原理图；

图5为本发明实施例1提供磁聚焦器结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的磁聚焦器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的磁聚焦器结构示意图，如图1所示，该磁聚焦器主要包括至少一个主线圈和至少一个辅线圈。

需要说明的是，磁聚焦器可以包括有多个主线圈和多个辅线圈组成的线圈簇，也可以只包括一个主线圈和一个辅线圈组成的线圈簇，在本发明实施例中，对线圈簇包括的主线圈和辅线圈的数量不做限定。

在实际应用中，主线圈主要是用于保证电子枪聚焦效果，保持电子束聚焦前与聚焦后束斑形状和方向一致性，并减小传统聚焦器中的球差，辅线圈主要是为了实现大面积高精度的聚焦效果，并减少聚焦器的发热。

具体地，主线圈和辅线圈是单独进行供电的。在本发明实施例中，主线圈的匝数较多，电感值大，为了确定主线圈产生恒定的强磁场且强磁场减少热量，所以保持主线圈输入的电流恒定且电流的方向不变；进一步地，由于辅线圈的匝数比较少，电感值小，所以可以灵活调节辅线圈的输入电流值，进而可以调整聚焦效果。需要说明的是，在本发明实施例中，辅线圈输入的电流的大小和电流的方向均是可以调节的，且辅线圈输入的电流的大小和电流的方向不做具体的限定。

在实际应用中，设置在主线圈和辅线圈上的导线可以选取直径为0.3mm至0.8mm之间的耐高温漆包铜线，基于此，各个线圈上输入电流值范围可以在0-10a，需要说明的是，还可以在确保在主线圈和辅线圈的安匝数值不变的情况下，对主线圈和辅线圈的匝数和输入电流值进行改变。

在本发明实施例中，为了方便控制磁场分别，可以将辅线圈的绕制方式统一定为顺时针绕制或者逆时针绕制。在实际应用中，为了确保将该磁聚焦器应用至粉床电子束选区熔化成形设备中，且电子束扫描预热及熔化方法为以电子束束斑形状为直线形进行扫描预热及熔化，优选地，主线圈的总数量需要为偶数个，且需要将偶数个主线圈分为一半为逆时针绕制，另一半为顺时针绕制；进一步地，还需要确保全部主线圈通入电流的方向和电流大小均一致。

在实际应用中，为了确保将磁聚焦器应用至粉床电子束选区熔化成形设备中，且电子束扫描预热及熔化方法为以电子束束斑形状为圆形进行扫描预热及熔化，优选地，主线圈的总数量需要为奇数个，且具有逆时针绕制的主线圈的数量比具有顺时针绕线方式的主线圈的数量多1个，进一步地，还需要确保全部主线圈通入电流的方向和电流大小均一致。

在将主线圈和辅线圈进行安装时，需要确保主线圈和辅线圈组成的线圈簇的轴线始终重合，即主线圈的轴线和辅线圈的轴线均重合。

具体地，当辅线圈整体位于主线圈的内部时，辅线圈的线圈外径等于主线圈的内径，且辅线圈的长度等于主线圈的长度；当辅线圈位于主线圈的前部时，辅线圈的内径等于主线圈内部包括的辅线圈的内径，且辅线圈的轴向长度为主线圈的轴向长度的1/3～1/2之间；当辅线圈位于主线圈的后部时，辅线圈的内径等于主线圈内部包括的辅线圈的内径，且辅线圈的轴向长度为主线圈的轴向长度的1/3～1/2之间；当辅线圈位于主线圈的外部时，辅线圈的内径等于主线圈内部包括的辅线圈的内径，且辅线圈的轴向长度为主线圈的轴向长度的1/3～1/2之间。

在本发明实施例中，线圈簇内包括有至少一个主线圈和至少一个辅线圈，当线圈簇内包括有两个相邻的主线圈时，主线圈的端面之间的距离为主线圈轴向长度的1/5～1/2之间；当线圈簇内包括有两个相邻的辅线圈时，辅线圈的端面之间的距离为主线圈轴向长度的1/5～1/2之间；当线圈簇内包括有两个相邻的一个主线圈和一个辅线圈时，主线圈和辅线圈的端面之间的距离为主线圈轴向长度的1/5～1/2之间。

在本发明实施例中，保证每个主线圈和每个辅线圈的安匝数保持一致，且至少一个主线圈的安匝数为至少一个辅线圈的安匝数的3～7倍。

如图1所示，图中主线圈的匝数为各为900-1500匝，所有辅线圈的匝数各为100-350匝，导线为直径0.6mm的耐高温漆包铜线。图1中直径d为30-60mm，为了使得相邻两个线圈的的磁场影响较小，所以确定相邻两个线圈的距离为d/3，主线圈1的高为1.25d，辅线圈的高为0.5d。

在实际应用中，电子束在磁聚焦线圈中垂直端面向下穿入第一个端面时，电子束由于受到不均匀分布磁场的作用，整体会进行螺旋式前进，并且电子束半径会逐渐减小，当电子束穿出另一个端面时，磁聚焦线圈端面的不均匀磁场会使电子束有较小的阻力效果，在本发明实施例中，为了增强磁聚焦线圈的聚焦效果，所以将磁聚焦线圈的整体线圈匝数分布进行如图1所示呈梯形分布，即成形面距离最近的主线圈的安匝数从上至下依次递减呈梯形分布，其中，梯形的上底与成形面之间的距离大于梯形的下底与成形面之间的距离；在本发明实施例这，梯形的下底与梯形的腰之间形成的夹角介于70-90度左右，图1为本发明实施例提供的优选方案，即梯形的下底与梯形的腰之间形成的夹角为85度。

本发明实施例还提供了一种粉床电子束选区熔化成形设备，该设备包括有上述描述的磁聚焦器。

传统电子枪磁聚焦器以及其他关键部件由于线圈自身的不足，限制了粉床电子束选区熔化的成形面积，所以对于大批量零件的生产，每次加工的数量都会得到限制，另外，对于大面积电子束选区熔化成形技术，电子束的扫描束斑形状应该变成一条线，而不是传统的一个点的扫描束斑。通过本发明实施例提供的聚焦器，由于聚焦器包括正螺旋和逆螺旋两种聚焦效果，保证了电子束在聚焦前的束斑形状，具体的束斑形状可以通过消象散器来实现，而对聚焦后束斑位置的选取，可通过具体需求进行确定，本发明实施例中，确定了电子束束斑扫描形状，并能提高了成形精度，从而大幅度提高了电子束选区熔化的成形效率。

具体地，本发明实施例提供的粉床电子束选区熔化成形设备中，当磁聚焦器内包括的主线圈的数量为偶数时，粉床电子束选区熔化成形设备以电子束束斑形状为直线形进行扫描预热及熔化；当磁聚焦器内包括的主线圈的数量为奇数时，粉床电子束选区熔化成形设备以电子束束斑形状为圆形进行扫描预热及熔化。

图1中当两个主线圈的绕线方式、电流大小和电流方向一致时，其磁场分布如图2所示，图2为本发明实施例提供的磁场分布示意图，通过图2可知，当两个主线圈的绕线方式、电流大小和电流方向一致时，磁场形成的这种分布，可以保证了电子束螺旋前进时旋转方向的可调性，最终可实现束斑旋转角度为零的特点。

图3为现有技术中电子束斑成形及扫描原理图，图4为本发明实施例中电子束斑成形及扫描原理图。现有技术中，电子束斑进入磁聚焦线圈时的束形状的方向如图3中a所示，则通过两个磁聚焦线圈后的形状一般会如图3中b所示，图3中a和b之间会形成一定的角度。在本发明实施例中，为了确保电子束斑的物的方向和像的方向保持一致以提高电子束成形效率，所以确定两个主线的的绕线方式一个为逆时针，另一个为顺时针，当输入线圈电流方向相反，且电流的大小为2安培时，若电子束斑进入磁聚焦线圈时的束形状的方向如图4中a所示，则通过两个磁聚焦线圈后的形状一般会如图4中b所示，图4中a和图4中b之间形成的角度接近0度。在本发明实施例中，当图4中的a和b之间的夹角为0时，就可以通过线扫描方式来对电子束粉床进行预热、扫描，不仅大大提高了生产效率，而且增加了加工工艺方式。

在实际应用中，大面积电子束选区熔化，由于电子束的像距一直在变，所以需要不停的改变线圈的磁场强度以达到最好的聚焦效果，为了减小线圈发热并实现快速聚焦，所以只对辅聚焦线圈的电流值进行改变，其变化频率可达到9000hz。而且大面积电子束选区熔化的预热及熔化扫描策略需由点变成线，这样以提高预热及熔化速率以及对成形底板的持续保温。

在本发明实施例中，为了减小聚焦器垂直轴向的距离并保持实现聚焦前的束斑形状功能，可将图1进行结构优化。在实际应用中，可以根据不同要求，对聚焦器的垂直尺寸进行更改，为了满足各种电子枪的需求，在本发明实施例中，还提供了两个实施例，分别为图5所示的实施例1中的磁聚焦器结构示意图和图6所示的实施例2中的磁聚焦器结构示意图。

具体地，图5中提供的磁聚焦器同样可实现图1提供的磁聚焦器的功能，但是图5中的磁聚焦器的变化频率即速度会有所降低，同时可以缩小聚焦器整体的尺寸，从而使得磁聚焦器的结构较图1提供的结构相对简单；图6中提供的磁聚焦器同样可实现图1提供的磁聚焦器的功能，但是图6中的磁聚焦器的变化频率即速度会降低的更多，同时可以缩小聚焦器的整体尺寸，使得磁聚焦器的结构更加简单，需要说明的是，图6提供的磁聚焦器只具有减小电子束球差的功能。

综上所述，本发明实施例提供了一种磁聚焦器及粉床电子束选区熔化成形设备，本发明实施例提供的磁聚焦器由多组主线圈和辅线圈组合，由于主线圈输入的电流恒定以及电流方向不变，可以确定主线圈产生恒定的强磁场并能减少磁场发热；再者，辅线圈可以灵活调节输入电流值来调节聚集效果。该方法提供的磁聚焦器从结构上解决了电子束聚焦效果差，存在球差严重的问题，再者，将该磁聚焦器应用至粉床电子束选区熔化成形设备中，确定了电子束束斑扫描形状，并能提高了成形精度，从而大幅度提高了电子束选区熔化的成形效率。进一步地解决了现有磁聚焦器的聚集效果随着频率的增大导致束斑聚焦延迟和聚焦线圈发热等问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。