一种电子束光学系统及增材制造装置的制作方法

本发明涉及3d打印技术领域，尤其涉及一种电子束光学系统及增材制造装置。

背景技术：

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。

在铺粉式电子束金属3d打印中，电子束从阴极发射后，分别经过聚焦线圈以及偏转线圈，然后到达工作台，熔化预置的粉末层。如图1所示，一般的电子束光学系统包括聚焦系统101以及偏转系统102，聚焦系统101和偏转系统102中间有供电子束通过的束通孔103，聚焦系统101的束通孔103与偏转系统102的束通孔103是同轴的，由于电子束的能量较高，在熔化金属粉末的同时，会导致部分金属材料的汽化，金属蒸汽在真空室内弥散并经束通孔103向上运动，很容易穿过束通孔103达到阴极，在阴极表面形成金属蒸镀层，而阴极表面被蒸镀会带来一系列的问题，如加速电压与阴极(接地)之间短路、阴极发射电子的密度降低甚至丧失发射电子的能力，这些问题会对增材制造的产品质量和效率带来不利影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电子束光学系统及增材制造装置，以解决现有增材制造装置电子束光学系统存在的金属蒸汽对阴极产生不利影响的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电子束光学系统，包括均设有供电子束通过的束通孔且所述束通孔依次连通设置的聚焦系统、正偏转系统、负偏转系统以及偏转系统，所述正偏转系统的束通孔与负偏转系统的束通孔交错设置，所述电子束经聚焦系统射入，并依次经正偏转系统、负偏转系统以及偏转系统射出。

作为优选，所述正偏转系统中通入的电流与负偏转系统中通入的电流方向相反，以使所述电子束射入正偏转系统后偏转的角度和射入负偏转系统后偏转的角度相反。

作为优选，所述正偏转系统和负偏转系统中的电流大小相同。

作为优选，所述正偏转系统和负偏转系统之间设有连接件，所述连接件上开设有连接孔，所述连接孔用于将正偏转系统的束通孔以及负偏转系统的束通孔连通。

作为优选，所述聚焦系统、正偏转系统、负偏转系统以及偏转系统之间密封连接。

作为优选，所述聚焦系统的束通孔与正偏转系统的束通孔同轴，所述偏转系统的束通孔与负偏转系统的束通孔同轴。

作为优选，所述聚焦系统、正偏转系统、负偏转系统以及偏转系统均包括外壳以及位于外壳内的线圈，所述束通孔开设在所述外壳上。

作为优选，所述正偏转系统以及负偏转系统均设置有多个，且多个正偏转系统与多个负偏转系统之间交替设置。

本发明还提供一种增材制造装置，包括上述的电子束光学系统。

作为优选，还包括成形缸，所述偏转系统的束通孔的轴心与所述成形缸的轴心重合。

本发明通过在聚焦系统与偏转系统之间设置正偏转系统和负偏转系统，该正偏转系统和负偏转系统的束通孔交错设置，使得电子束通过的通道不是笔直贯通的，而是弯折的，进而在产生金属蒸汽时，金属蒸汽需要通过弯折的通道才能到达阴极，到达阴极的金属蒸汽的量大大减少，有效地保护了阴极，大大地提高增材制造的稳定度、效率和产品质量。

将正偏转系统和负偏转系统中通入方向相反的电流，能够使电子束射入正偏转系统的方向与射出负偏转系统的方向一致但不同轴，而是在水平方向错开一定距离，且能够确保电子束最终从偏转系统射出。

附图说明

图1是本发明现有技术中电子束光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一电子束光学系统的结构示意图；

图3是本发明实施例一电子束光学系统显示有正偏转系统以及负偏转系统的结构示意图；

图4是本发明实施例二的增材制造装置的结构示意图；

图5是本发明实施例三的增材制造装置的结构示意图。

图中：

1、聚焦系统；2、正偏转系统；3、负偏转系统；4、偏转系统；5、束通孔；6、连接件；7、外壳；8、线圈；9、阴极；10、成形室；20、成形缸；30、铺粉平台；40、料斗；50、刮刀；60、电子束发生装置；70、活塞；80、粉末输送板；90、混粉盒；61、连接孔；101、聚焦系统；102、偏转系统；103、束通孔。

具体实施方式

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。

实施例一

本实施例提供一种电子束光学系统，如图2所示，该电子束光学系统包括沿电子束射入方向依次密封连接的聚焦系统1、正偏转系统2、负偏转系统3以及偏转系统4，且上述聚焦系统1、正偏转系统2、负偏转系统3以及偏转系统4均包括有外壳7，在外壳7内设有线圈8，具体的，上述聚焦系统1可包括消像散线圈、聚焦线圈，用于使电子束汇聚。上述正偏转系统2的线圈8中通入有恒定的电流，使得电子束偏转一个固定的角度。在负偏转系统3的线圈8中也通入有恒定的电流，使得电子束偏转一个固定的角度。上述偏转系统4包括设置在x、y两个相互垂直方向的偏转线圈，用于产生变化的磁场，使得电子束按照预定的路径进行运动，其中上述x、y的方向与图2中的z方向相垂直。

上述聚焦系统1、正偏转系统2、负偏转系统3以及偏转系统4上均设有位于外壳7上且直径相同的束通孔5，该束通孔5用于供电子束通过，也就是说，电子束经聚焦系统1的束通孔5射入，并依次经正偏转系统2、负偏转系统3以及偏转系统4的束通孔5射出。具有的，上述束通孔5的直径可选用40mm-60mm之间，具体可根据需要设置。

本实施例中，上述聚焦系统1的束通孔5与正偏转系统2的束通孔5同轴，以便于经聚焦系统1的束通孔5通过的电子束能够顺利进入到正偏转系统2的束通孔5中；同理，上述偏转系统4的束通孔5与负偏转系统3的束通孔5同轴，以便于负偏转系统3束通孔5中的电子束能够顺利进入到偏转系统4的束通孔5中。

上述正偏转系统2的束通孔5与负偏转系统3的束通孔5交错设置，能够使得电子束通过的通道不是笔直贯通的，而是弯折的，即具有转角特性，进而在产生金属蒸汽时，金属蒸汽通过弯折通道后的量大大减少，有效地保护了阴极9，避免阴极9表面形成金属蒸镀层。提高阴极9发射电子的密度。

本实施例中，上述正偏转系统2中通入的电流与负偏转系统3中通入的电流方向相反，以使电子束射入正偏转系统2后偏转的角度和射入负偏转系统3后偏转的角度相反。通过上述设置，能够使电子束射入正偏转系统2的方向与射出负偏转系统3的方向一致但不同轴，而是在水平方向错开一定距离，且能够确保电子束最终从偏转系统4射出。

进一步的，上述正偏转系统2和负偏转系统3中的电流大小相同，相反的电流方向以及相同的电流大小的设置，能够使得电子束射入正偏转系统2的角度与射出负偏转系统3的角度相同(如图3所示)。进而使得进入偏转系统4时的电子束角度与聚焦系统1射出的电子束的角度相同，不会产生偏差。

进一步的，上述正偏转系统2和负偏转系统3之间设有连接件6，该连接件6上开设有连接孔61，该连接孔61用于将正偏转系统2的束通孔5以及负偏转系统3的束通孔5连通。进一步的，该连接孔61的直径大于束通孔5的直径，保证了正偏转系统2的束通孔5以及负偏转系统3的束通孔5交错连通的同时，也能够极大程度的减少金属蒸汽到达阴极9的量。

本实施例中，上述电子束光学系统可以仅包括一个正偏转系统2以及一个负偏转系统3，也可以设置多个正偏转系统2和多个负偏转系统3，正偏转系统2和负偏转系统3的个数相同。且在正偏转系统2和负偏转系统3为多个时，正偏转系统2与负偏转系统3之间交替设置。通过设置多个正偏转系统2和多个负偏转系统3，能够进一步减少金属蒸汽到达阴极9的量。

实施例二

本实施例提供一种增材制造装置，该增材制造装置包括实施例一所述的电子束光学系统，具体的，如图4所示，该增材制造装置包括成形室10、成形缸20、铺粉平台30、料斗40、刮刀50以及电子束发生装置60，其中：

上述成形室10内为真空环境，具体可以通过旋片泵、分子泵、真空计等构成的真空系统，抽走成形室10中空气，获得真空环境。

在成形室10内设有成形缸20，该成形缸20的上端面密闭且平齐的安装于铺粉平台30上，且其内设有上下移动的活塞70。

料斗40对称设于成形缸20的一侧或两侧，在料斗40下方设有粉末输送板80，用于将料斗40内的粉末材料输送至铺粉平台30上。

上述刮刀50至少能够在水平方向上移动，其可以将铺粉平台30上的粉末材料平铺在活塞70的顶部，并使粉末材料形成粉末薄层。本实施例中，上述刮刀50可以双向刮粉，即从左到右可以刮粉，从右到左也可以刮粉。

上述电子束发生装置60中安装在有本实施例的电子束光学系统，且该电子束光学系统的偏转系统4的束通孔5的轴心与所述成形缸20的轴心重合，通过电子束光学系统发射出的电子束，可以对成形缸20上铺设好的粉末材料进行扫描、熔化。本实施例中，上述电子束的加速电压为60kv，功率为0-10kw。

本实施例的上述增材制造装置在工作时，三维物体的模型存储在计算机中，模型在计算机中被分层，并得到每一层的加工信息。三维物体的制造在成形室10中进行，粉末输送板80向铺粉平台30上输送料斗40内的粉末材料，刮刀50在成形缸20内的活塞70上方将粉末材料铺展成层，电子束光学系统发出的电子束加工该粉末层；第一层完成后，粉末输送板80继续向铺粉平台30上输送粉末材料，刮刀50在活塞70上方再次将粉末铺展成粉末薄层，电子束光学系统发出的电子束加该工粉末薄层……如此循环，通过连续加工两层以上的粉末薄层来构建出三维实体。其中没有被电子束熔化的粉末，则可以被回收再利用。

本实施例通过采用实施例一的电子束光学系统，具有更高的稳定性、效率和更好的产品质量。

实施例三

本实施例提供另一种增材制造装置，该增材制造装置包括实施例一所述的电子束光学系统，具体的，如图5所示，该增材制造装置包括成形室10、成形缸20、铺粉平台30、料斗40、刮刀50以及电子束发生装置60，其中上述成形室10、成形缸20、铺粉平台30以及电子束发生装置60的结构与实施例二均相同，区别在于：

本实施例的两个料斗40设置在电子束发生装置60的同一侧，且位于成形缸20的同一侧，在两个料斗40内分别放置不同的粉末材料，且在两个料斗40的下方设置有混粉盒90，通过该混粉盒90能够按比例混合两个料斗40内不同的粉末材料，并转移至铺粉平台30上。

本实施例的刮刀50为单向刮粉，即其能够将混合的粉末材料从左到右刮至活塞70上方铺展成层，形成粉末薄层，然后返回起始位置，在返回过程中不刮粉。

本实施例的上述增材制造装置在工作时，三维物体的模型存储在计算机中，模型在计算机中被分层，并得到每一层的加工信息。三维物体的制造在成形室10中进行，粉末输送板80向混粉盒90中输送两个料斗40内不同的粉末材料，粉末材料在混粉盒90中被按比例混合，然后被转移至铺粉平台30上，刮刀50在成形缸20内的活塞70上方将粉末材料铺展成层，电子束光学系统发出的电子束加工该粉末层；第一层完成后，粉末输送板80继续向混粉盒90中输送两个料斗40内不同的粉末材料，粉末材料在混粉盒90中被按比例混合，然后被转移至铺粉平台30上，刮刀50在活塞70上方再次将粉末铺展成粉末薄层，电子束光学系统发出的电子束加该工粉末薄层……如此循环，通过连续加工两层以上的粉末薄层来构建出三维实体。

本实施例中，由于每一层粉末薄层中的粉末材料的配比可以调整，因此制造的三维物体可以是非单一成分的，其材料成分可以在竖直方向上变化。

本实施例通过采用实施例一的电子束光学系统，具有更高的稳定性、效率和更好的产品质量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。