一种一体化阵列电子枪及电子束选区熔化快速成形系统的制作方法

本发明涉及增材制造加工设备技术领域，特别涉及一种一体化阵列电子枪及电子束选区熔化快速成形系统。

背景技术：

增材制造技术又名3D打印或者快速成形技术。它是一种以数字模型文件为基础，运用金属粉末、金属丝材或可粘合性塑料等材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。快速成形制造技术被广泛用在模具制造、工业设计等领域，现正逐渐用于一些产品的直接制造,特别是一些高价值的应用(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)。

金属零部件快速成形制造方法主要有激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)、激光同轴送粉直接制造、电子束熔丝成形(EBAM)、粉床式电子束选区熔化成形(EBM)等方法。这几种方法都不同程度存在着局限性，比如几种采用激光为热源的增材制造方法和电子束选区熔化成形都是采用金属粉末作为成形原材料，这些方法成型精度高，但不能制造较大尺寸的零件。电子束熔丝成形采用金属丝材作为成形原材料，尽管成形速度快，但成形精度较低，难以成形制造精度较高的零件，仅能用于零件毛坯的制造。

为了制造精度高、质量可靠的金属零部件，通常选用粉床式电子束选区熔化成形技术，主要具有以下优点：

成形零件尺寸精度高，经简单的表面处理和机械加工后达到最终使用状态，缩短产品开发周期；

电子束能够极细微的聚焦，扫描熔化速度可达8000mm/s，成形速度快；

电子束可对粉床进行预热，使零件成形过程保持在一个较高的温度，降低了零件热应力引起的残余应力高、裂纹、变形等缺陷的发生几率。

现有电子束选区熔化成形技术都是通过偏转线圈实现单一电子束对一定区域内金属粉末精确扫描熔化成形。电子束经过偏转线圈后并不是完全垂直于工作表面，而是与竖直方向成一定夹角。随着电子束偏转角度的增大，电子束束流品质大幅下降，电磁校准已无法确保束流品质满足成形的需要。另外,电子束偏转角度增加粉床成形区域边缘部位的束斑有一定变形，导致熔池形状和能量分布发生偏差，从而造成成形零件精度和成形质量差。采用机械运动移动电子枪或粉缸，由于机械运动速度慢，将大大降低成型效率，同时移动电子枪或粉缸使设备电气和机械结构复杂，容易造成装备的运行可靠性下降。简单增加电子枪的数目，由于布置空间的问题也无法使每个电子枪负责区域有效衔接。

总之，在保证零部件制造精度和质量的前提下，单纯依靠电子束电磁偏转扫描不能生产较大尺寸的零部件；单纯增加电子枪的数目也无法制造较大尺寸的零部件。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，为此本发明提出一种一体化阵列电子枪。

一种一体化阵列电子枪，包括一个一体化箱体和多个独立的电子束发生单元；多个所述电子束发生单元均匀布置在一体化箱体内。

作为一种优选，多个所述独立的电子束发生单元以N×M矩形阵列形式排布在一体化箱体内。

进一步的，所述一体化箱体内设置有多个独立真空室，所述独立真空室位于一体化箱体的上部，所述电子束发生单元安装于所述独立真空室内。

作为一种改进，所述一体化箱体的一侧设有真空系统接口，用以连接真空系统；所述独立真空室之间还设有连通孔，用于真空系统对各独立真空室抽真空。

进一步，所述一体化箱体下部还包括一个共用的电子束聚焦扫描真空室，所述电子束聚焦扫描真空室通过阳极孔分别与各独立真空室相通。

具体的，所述电子束发生单元包括高压电缆接头、阴极灯丝、栅极、阳极。

具体的，每个阳极孔下方依次设置校准线圈、聚焦线圈和扫描线圈。

一种电子束选区熔化快速成形系统，包括上述的一体化阵列电子枪，还包括高压电源、电子枪控制系统、真空系统，所述高压电源用于分别向所述的电子束发生单元提供高压；所述电子枪控制系统用以控制各个电子束发生单元的栅极、电子束校准线圈、聚焦线圈、扫描线圈进行调节束流大小调节，束斑校准，电子束聚焦和精确扫描动作；所述真空系统用以对整个成形系统抽真空。

作为进一步改进，所述电子枪控制系统根据独立电子束发射单元的数量和阵列排布位置将粉床分为相应的阵列扫描区域，每个独立电子束发射单元对应一块阵列扫描区域，由电子枪控制系统控制相应区域上方的独立电子束发射单元对对应的阵列扫描区域进行精确扫描成形。

本发明一种一体化阵列电子枪，通过将多个电子束发射单元按照阵列方式进行有序排列，并控制不同阵列位置的电子束发射单元对其对应的粉床位置区域进行精确扫描成形，每一个电子束发生单元电子束束流品质得到了保证，从而负责一个区域，各个区域通过有效的衔接，从而在保证零件成形精度和质量的前提下，解决现有粉床式电子束选区熔化快速成形设备由于电子束偏转角过大不能生产较大零件的问题，实现大尺寸零部件的粉床式电子束选区快速制造。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图1为本发明一种一体化阵列电子枪剖面结构示意图；

图2为本发明一种电子束选区熔化快速成形系统剖面结构示意图；

图3为本发明一种一体化阵列电子枪的电子束发生单元排列示意图；

图4为本发明一种电子束选区熔化快速成形系统粉床阵列扫描区域分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一种一体化阵列电子枪20，包括一个一体化箱体3和多个独立的电子束发生单元，多个电子束发生单元均匀布置在一体化箱体3内；其中一体化箱体3为真空箱体，且分为上下两部分，上部分设置多个用于安装电子束发生单元的独立真空室8，下部分为电子束扫描真空室2；每个独立真空室8上方具有一个开口，开口下方设有高压电缆接头6用于连接外部接入的高压电缆7；该高压电缆接头6与开口进行密封处理，另一端连接栅极5和阴极10；所述独立真空室8下部设有阳极孔11，所述一体化箱体3下部还包括一个共用的电子束聚焦扫描真空室，所述电子束聚焦扫描真空室通过阳极孔11分别与各独立真空室8相通；阳极孔11的上方设有阳极4，所述阴极10将高压电缆7输送的电能以电子束的形式向阳极4发出，所述阳极孔11下方依次设置有校准线圈13、聚焦线圈14和扫描线圈15；所述电子束扫描真空室2底部设有电子枪底板1，所述电子枪底板1对应每个独立电子束发生装置开设有一个通孔，用于电子束19通过。

作为一种优选，如图3所示，多个所述独立的电子束发生单元以N×M矩形阵列形式排布在一体化箱体3内，阵列形式可以是1×2矩形阵列、2×2矩形阵列、2×3矩形阵列或3×3矩形阵列等排列方式。

作为一种优选方式，所述一体化箱体3的一侧设有第一真空系统接口12，用以连接真空系统；所述独立真空室8之间还设有连通孔9，用于真空系统对各独立真空室8抽真空。

具体的，所述电子束发生单元包括高压电缆7高压电缆7接头6、阴极10灯丝、栅极5、阳极4。

如图2所示，一种电子束选区熔化快速成形系统，包括上述的一体化阵列电子枪20，还包括高压电源(未图示)、电子枪控制系统(未图示)、真空系统(未图示)，所述高压电源通过高压电缆7分别向所述的电子束发生单元提供高压；所述电子枪控制系统用以控制各个电子束发生单元的栅极5、电子束校准线圈13、聚焦线圈14、扫描线圈15进行调节束流大小调节，束斑校准，电子束聚焦和精确扫描动作；所述真空系统用以对整个成形系统抽真空。一体化阵列电子枪20的下方连接成形真空室18，成形真空室18的一侧设置有第二真空系统接口24，用以连接真空系统；所述成形真空室18内设有粉床承载平台16，粉床承载平台16上放置待加工的成型零件，粉床承载平台16下方设置粉床升降机构21用于将待加工的成形零件17输送至成形加工位置；所述粉床承载平台16的一侧设有铺粉装置22，所述铺粉装置22的上方设有粉仓23，所述粉仓23进行送粉，由送粉装置将粉均匀铺设在待加工的成形零件17上。

作为进一步改进，如图4所示，所述电子枪控制系统根据独立电子束发射单元的数量和阵列排布位置将粉床分为相应的阵列扫描区域，每个独立电子束发射单元对应一块阵列扫描区域，由电子枪控制系统控制相应区域上方的独立电子束发射单元对对应的阵列扫描区域进行精确扫描成形。采用本发明所述的一种电子束选区熔化快速成形系统，可有效减小电子束的偏转角度，保证了电子束束流品质和成形区域边缘部位的束斑形状，从而改善电子束扫描熔化成形时熔池形状和能量分布。

本发明一种一体化阵列电子枪20，通过将多个独立电子束发射单元按照阵列方式进行有序排列，从而每一个电子束发生单元负责一个阵列扫描区域，控制不同阵列位置的独立电子束发射单元对粉床不同阵列扫描区域进行精确扫描成形，每一个电子束发生单元电子束束流品质得到了保证，各个区域通过有效的衔接，从而在保证零件成形精度和质量的前提下，解决现有粉床式电子束选区熔化快速成形设备由于电子束偏转角过大而不能生产较大零件的问题，实现大尺寸零部件的粉床式电子束选区快速制造。

采用本发明的装置可生产的金属零件尺寸比不具备粉床移动和电子束枪移动功能的电子束选区熔化设备生产的零件尺寸大3倍以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则的内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围的内。