CN107498043A - 电子束熔丝增材制造装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、真空室、工作台、测温装置、冷却系统和控制系统；电子枪和真空室连通，且真空室与电子枪中间设置有挡板阀；工作台和测温装置设于真空室内，工作台面对电子枪设置，测温装置用于测量成型件区域的温度；冷却系统用于冷却工作台；控制系统分别和电子枪、测温装置以及冷却系统电连接。上述电子束熔丝增材制造装置通过设置冷却系统，可以用来提高工作台的热量输出，通过设置测温装置，可以实现成型件及其附近区域的温度的实时监控，将冷却系统、测温装置由控制系统进行控制调节，可以实现温度场的闭环控制，从而实现精确实时控制成型件温度场的动态稳定性，保证成型件质量。此外，还提供一种电子束熔丝增材制造装置的控制方法。

Description

电子束熔丝增材制造装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种电子束熔丝增材制造装置及其控制方法。

背景技术

传统的金属增材制造(3D打印)方法，主要分为两大类即采用粉末熔融烧结，如激光选区熔敷/烧结，电子束选区熔化；或采用金属丝熔融堆叠，如电子束熔丝成型技术。前者由于粉末制取困难，制造成本高、不易保存等原因，应用范围受到一定局限。电子束熔丝成型技术(即EBAM)以实芯焊丝或金属拉拔丝材为原材料，采用高速运动电子束为热源与原材料交互作用，将动能转换成热能使得金属丝材熔化形成液态熔池，并随热源远离液态金属，液态熔池凝固成型，以热源不断向前推进重复热循环使丝材逐层熔融、凝固堆叠累积来构造物体的制造技术。EBAM技术能直接制造出性能与锻件相当的毛坯件。该技术具有成型速度快的优点，且与其他熔丝成型制造技术(例如电弧熔丝增材技术)不同，其成型过程在真空环境中进行。真空环境中成型优点在于：热量散失少，因此成型过程不会产生由于温度骤变现象导致的热应力。且真空环境金属沉积不受外界杂质影响，得到成型件纯净度高。

但真空成型环境也存在一定弊端。理想的熔丝成型过程：随着热源的移动，熔池跟随其等速移动，且熔池中的金属熔化与凝固过程应为同步进行，即熔池前半部分熔化，后半部分凝固。但真空环境中散热主要以热辐射为主，只有少量的热传导。而热辐射仅在高温下有效，且其传输的热量非常有限。这样在持续增加热循环情况下，会造成成型件局部温度过高，熔池过热严重，导致成型过程不稳定。具体来说：①对于成型件外形而言，影响成型件的尺寸精度及表面形貌，严重时甚至会因为液态熔池的过分流动而使表面塌陷，造成成型件报废；②对于组织性能而言，温度过高造成凝固相变过程推迟，使得熔池凝固减缓、成型组织粗大、力学性能恶化；③对于化学成分而言，液体金属过热程度越大，造成的元素烧损越严重，影响材料的化学组分；④对于工艺过程而言,热量由高温向低温反复循环或富集，如果内有测温环节和冷却环节，成型的温度将不可控的或是随机的、将导致打印工艺稳定性差，容易出现缺陷和几何尺寸不一致。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种能够实现温度场的稳态控制，提高电子束熔丝成型的加工精度，改善材料的力学性能的电子束熔丝增材制造装置及其控制方法。

一种电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、真空室、工作台、测温装置、冷却系统和控制系统；

所述电子枪和所述真空室连通，且所述真空室与所述电子枪中间设置有挡板阀；

所述工作台和所述测温装置设于所述真空室内，所述工作台面对所述电子枪设置，所述测温装置用于测量成型件区域的温度；

所述冷却系统用于冷却所述工作台；

所述控制系统分别和所述电子枪、所述测温装置以及所述冷却系统电连接。

在其中一个实施例中，还包括高压电源，所述电子枪和所述高压电源连接。

在其中一个实施例中，还包括真空系统，所述真空系统分别与所述真空室和所述电子枪连接，所述真空系统用于给所述真空室和所述电子枪抽真空。

在其中一个实施例中，所述真空系统包括气动阀、真空系统管路及泵组，所述泵组通过所述真空系统管路分别与所述真空室和所述电子枪连通，与所述真空室和所述电子枪连通的所述真空系统管路上均设有所述气动阀。

在其中一个实施例中，还包括设于所述真空室内的气体压强检测单元，所述气体压强检测单元用于检测所述真空室的压强。

在其中一个实施例中，所述测温装置为热电偶或红外测温仪。

在其中一个实施例中，所述冷却系统为水冷系统和气冷系统中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述水冷系统包括水冷机、水流控制阀和冷却水管，所述水冷机和所述水流控制阀均设于所述真空室外侧，所述冷却水管缠绕于所述工作台外，所述水冷机和所述冷却水管连通，所述水流控制阀设于所述水冷机与所述冷却水管连通的管路上，所述控制系统和所述水冷机电连接。

在其中一个实施例中，所述气冷系统包括惰性气体储气罐、气体管路和气体流量阀，所述气体管路的两端分别与所述惰性气体储气罐和所述真空室连通，所述气体流量阀设于所述气体管路上，且所述气体流量阀和所述控制系统电连接。

在其中一个实施例中，所述惰性气体为氩气、氢气和氦气中的至少一种。

一种电子束熔丝增材制造装置的控制方法，包括以下步骤：

S10、设置满足电子束熔丝增材条件的真空室的预设真空度P₀和成型件区域的预设温度T₀；

S20、检测成型件区域的实测温度T₁，将预设温度T₀和实测温度T₁进行比较；

S30、当T₀＜T₁时，开启冷却系统，关闭热源和送丝系统，关闭挡板阀，直至T₀＝T₁时，关闭冷却系统，开启热源和送丝系统，开启挡板阀；

S40、当T₀≥T₁时，关闭冷却系统，开启热源和送丝系统，开启挡板阀；

S50、重复进行S20至S40直至熔丝成型过程结束。

在其中一个实施例中，当冷却系统中包含气冷系统时，当T₀＜T₁时，还包括如下步骤：

检测真空室内实际气压值P，并将实际气压值P和预设真空度P₀进行比较；

当实际气压值P<P₀时，气冷系统持续开启，持续抽真空；

当实际气压值P≈P₀时，气体流量阀调小，气流量减小，持续抽真空；

当实际气压值P>P₀时，气冷系统关闭，持续抽真空，直至实际气压值P≈P₀时，开启气冷系统。

上述电子束熔丝增材制造装置通过设置冷却系统，可以用来提高工作台的热量输出，通过设置测温装置，可以实现成型件及其附近区域的温度的实时监控，将冷却系统、测温装置由控制系统进行控制调节，可以实现温度场的闭环控制，从而实现精确实时控制成型件温度场的动态稳定性，保证成型件质量。

上述电子束熔丝增材制造装置的控制方法，过程简单，可保证成型过程中成型件及其无限接近处，温度不过热，保持温度场均衡。同时保证材料熔融成型过程所需的高真空环境。控制精度高、响应时间短，可实现温度场实时闭环系统控制，从而保证成型件尺寸、组织、性能的稳定性。

附图说明

图1为一实施方式的电子束熔丝增材制造装置的结构示意图；

图2为另一实施方式的电子束熔丝增材制造装置的结构示意图；

图3为控制系统与其所控制的单元的连接示意图；

图4为气冷方式控制系统控制过程流程图。

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晰，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。

请参阅图1，一实施方式的电子束熔丝增材制造装置100，包括电子枪10、真空室20、工作台30、测温装置40、冷却系统和控制系统60。

电子枪10和真空室20连通，且真空室20与电子枪10中间设置有挡板阀14。

当电子束熔丝增材制造装置100置于水平面上使用时，电子枪10位于电子束熔丝增材制造装置100的最上方，用于产生和发射电子束12。电子枪10和高压电源15连接，为电子枪10内电子束12的产生提供电势差。

真空室20为电子束与丝材的交互作用、完成成型过程提供环境。

工作台30和测温装置40设于真空室20内，工作台30面对电子枪10设置，测温装置40用于测量成型件区域的温度。

工作台30用于放置预成型件及其基板。金属丝材16通过电子束12的作用在工作台30上熔化，成型。

测温装置40可以为热电偶或红外测温仪。温度装置40安装在温度均匀且能代表成型件温度的区域。如图1所示的实施方式中，测温装置40为热电偶。如图2所示的实施方式中，测温装置为红外测温仪。

冷却系统用于冷却工作台30。

冷却系统为水冷系统和气冷系统中的至少一种。在图1所示的实施方式中，冷却系统为水冷系统52。请参考图2，在图2所示的实施方式中，冷却系统为气冷系统54。可以理解，在其他实施方式中，冷却系统也可以为水冷系统和气冷系统的组合。

请参考图1，水冷系统52包括水冷机522、水流控制阀524和冷却水管526。水冷机522和水流控制阀524均设于真空室20外侧，冷却水管526缠绕于工作台30外，水冷机522和冷却水管526连通，水流控制阀524设于水冷机522与冷却水管526连通的管路上，控制系统60和水冷机522电连接。冷却水温度由水冷机522控制调节。控制系统60控制通过水流控制阀524的开和关以及开启大小来控制水流量的多少。

请参考图2，气冷系统54包括惰性气体储气罐542、气体管路(图未标)和气体流量阀546。气体管路的两端分别与惰性气体储气罐542和真空室20连通，气体流量阀546设于气体管路上，且气体流量阀546和控制系统60电连接。

惰性气体可以为氩气、氢气和氦气中的至少一种。

气体流量由气体流量阀546控制，控制系统60控制气体流量阀546的开和关，以及控制气体流量546的开启大小来控制气流量大小。

控制系统60分别和电子枪10、测温装置40以及冷却系统连接。具体的，测温装置40、冷却系统60、热源及送丝系统均与控制系统60电连接，组成温度场闭环控制系统。闭环控制温度场系统可对成型件及其附近温度实时精确调整。具体的，控制系统与其控制的模块之间的连接关系如图3所示。

可以理解，电子束熔丝增材制造装置100还包括真空系统70，真空系统70分别与真空室20和电子枪10连接，真空系统70用于给真空室20和电子枪10抽真空。具体的，真空系统70包括气动阀72、真空系统管路(图未标)及泵组(图未标)，泵组通过真空系统管路分别与真空室20和电子枪10连通，与真空室20和电子枪10连通的真空系统管路上均设有气动阀72。

可以理解，电子束熔丝增材制造装置100还包括设于真空室20内的气体压强检测单元(图未示)，气体压强检测单元用于检测真空室20的压强。

上述电子束熔丝增材制造装置100通过设置冷却系统，可以用来提高工作台30的热量输出，通过设置测温装置40，可以实现成型件及其附近区域的温度的实时监控。将冷却系统、测温装置40由控制系统60进行控制调节，通过精确测量成型件及其附近区域温度，控制液态熔池金属凝固时间，改善热循环冷却条件，缩短熔池及附近金属高温停留时间，减小由于液态金属过热而造成的元素烧损，实现成型件及其附近区域温度场准稳态控制及均匀分布，实现温度场的闭环控制，提高成型件的打印精度及质量，进一步增强打印工艺的可重复性。

具体的，上述电子束熔丝增材制造装置100具备以下优点：

1.上述电子束熔丝增材制造装置100具备较高的稳态精度和动态响应特性，可实现温度场实时闭环系统控制。

2.上述电子束熔丝增材制造装置100使用过程简单，可保证成型过程中成型件及其无限接近处温度场均衡。同时保证材料熔融成型过程所需的高真空环境。

3.上述电子束熔丝增材制造装置100闭环控制系统使控制精度提高、响应时间缩短。

4.上述电子束熔丝增材制造装置100进一步完善了传统电子束熔丝成型设备自动化及过程精度控制、工艺稳定性及可重复性，保证了成型件尺寸、组织、性能的稳定性。

此外，还提供一实施方式的上述电子束熔丝增材制造装置的控制方法，包括以下步骤：

S10、设置满足电子束熔丝增材条件的真空室的预设真空度P₀和成型件区域的预设温度T₀。

预设真空度P₀和预设温度T₀通过控制系统设置。

此外，S10中还包括如下步骤：采用控制系统设置可完成规定热量输出的惰性气体气压P₀₁和/或水压参数P₀₂。具体的，当冷却系统中包含气冷系统时，控制系统设置可完成规定热量输出的惰性气体气压P₀₁。当冷却系统中包含水冷系统时，控制系统设置可完成规定热量输出的水压参数P₀₂。

可以理解，S10中还可以包括如下步骤：采用控制系统设置热源参数和送丝系统相关参数。

具体的，热源参数包括束流、加速电压和工作台运动速度等。送丝系统相关参数包括丝材直径和送丝速度等。

S10后还包括如下步骤：

S12、开启真空系统，对电子枪及真空室抽真空至设置真空度P₀。

S14、开启高压电源和电子枪。

S20、检测成型件区域的实测温度T₁，将预设温度T₀和实测温度T₁进行比较。

实测温度T₁采用测温装置进行测量，且测温装置将结果以电信号反馈到控制系统，控制系统将设置温度与实测温度实时比对。

S30、当T₀＜T₁时，开启冷却系统，关闭热源和送丝系统，关闭挡板阀，直至T₀＝T₁时，关闭冷却系统，开启热源和送丝系统，开启挡板阀。

具体的，当冷却系统中包含气冷系统时，当T₀＜T₁时，还包括如下步骤：

S32、检测真空室内实际气压值P，并将实际气压值P和预设真空度P₀进行比较；

S34、当实际气压值P<P₀时，气冷系统持续开启，持续抽真空；

S36、当实际气压值P≈P₀时，气体流量阀调小，气流量减小，持续抽真空；

S38、当实际气压值P>P₀时，气冷系统关闭，持续抽真空，直至实际气压值P≈P₀时，开启气冷系统。

S40、当T₀≥T₁时，关闭冷却系统，开启热源和送丝系统，开启挡板阀。

S40中，开启热源和送丝系统后，熔丝成型过程继续进行。

S50、重复进行S20至S40直至熔丝成型过程结束。

上述电子束熔丝增材制造装置的控制方法，过程简单，可保证成型过程中成型件及其无限接近处，温度不过热，保持温度场均衡。同时保证材料熔融成型过程所需的高真空环境。控制精度高、响应时间短，可实现温度场实时闭环系统控制，从而保证成型件尺寸、组织、性能的稳定性。

下面为两个具体实施例。

实施例1：

如图1所示的温度场闭环控制的电子束熔丝增材制造装置，冷却系统采用水冷系统，测温装置采用热电偶测温装置。

本实施例的电子束熔丝增材制造装置的温度场闭环控制过程如下：

步骤1.控制系统中设置满足电子束熔丝增材条件的预设真空度P₀，及可完成规定热量输出的水压P₀₁。

步骤2.控制系统中设置热源参数和送丝相关参数。

其中热源参数包括：束流、加速电压、工作台运动速度等；

送丝系统相关参数包括：丝材直径、送丝速度等。

步骤3.控制系统中设置预设温度T₀即满足液态熔池凝固温度。

步骤4.开启真空系统，对电子枪及真空室抽真空至预设真空度P₀.

步骤5.开启高压电源、电子枪。

步骤6.开启热电偶，温度显示实测温度T₁。

步骤7.测温装置实测最代表成型件区域温度，并将结果以电信号反馈到控制系统，控制系统将预设温度T₀与实测温度T₁实时比对。

当T₀<T₁时，由控制系统开启水流控制阀、关闭热源和送丝系统；

当T₀≥T₁时，水流控制阀关闭，热源和送丝系统开启。熔丝成型过程继续进行。

步骤8.重复步骤7直至熔丝成型过程结束。

实施例2

如图2所示的温度场闭环控制的电子束熔丝增材制造装置，冷却系统采用气冷系统，测温装置采用红外线测温装置。气冷方式控制系统控制过程请参考图4。本实施例的电子束熔丝增材制造装置的温度场闭环控制过程如下：

步骤1.控制系统中设置满足电子束熔丝增材条件的预设真空度P₀，及可完成规定热量输出的惰性气压P₀₂。

步骤2.控制系统中设置热源参数和送丝相关参数。

其中热源参数包括：束流、加速电压、工作台运动速度等；

送丝系统相关参数包括：丝材直径、送丝速度等。

步骤3.控制系统中设置预设温度T₀即满足液态熔池凝固温度。

步骤4.开启真空系统，对电子枪及真空室抽真空至预设真空度P₀.

步骤5.开启高压电源、电子枪。

步骤6.开启红外测温仪，温度显示实测温度T₁。

步骤7.测温装置实测最代表成型件区域温度，并将结果以电信号反馈到控制系统，控制系统将预设温度与实测温度实时比对。

I.当T₀<T₁时，由控制系统开启冷却装置、关闭热源和送丝系统、关闭挡板阀；

II.气冷过程实时将当前气压值与设置值比对，当实时气压P<P₀时，气冷系统持续开启，真空系统持续开启；当实时气压P≈P₀时，气体流量阀调小，气流量减小，真空系统持续开启；当实时气压P>P₀时，气冷系统关闭，真空系统持续开启。保证真空室内真空度始终不小于P₀。

III.循环步骤7中II。直至T₀＝T₁时，冷却系统关闭，热源和送丝系统开启、挡板阀开启。熔丝成型过程继续进行。

步骤8.重复步骤7直至熔丝成型过程结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，包括电子枪、真空室、工作台、测温装置、冷却系统和控制系统；

所述电子枪和所述真空室连通，且所述真空室与所述电子枪中间设置有挡板阀；

所述工作台和所述测温装置设于所述真空室内，所述工作台面对所述电子枪设置，所述测温装置用于测量成型件区域的温度；

所述冷却系统用于冷却所述工作台；

所述控制系统分别和所述电子枪、所述测温装置以及所述冷却系统电连接。

2.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，还包括高压电源，所述电子枪和所述高压电源连接。

3.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，还包括真空系统，所述真空系统分别与所述真空室和所述电子枪连接，所述真空系统用于给所述真空室和所述电子枪抽真空。

4.如权利要求3所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述真空系统包括气动阀、真空系统管路及泵组，所述泵组通过所述真空系统管路分别与所述真空室和所述电子枪连通，与所述真空室和所述电子枪连通的所述真空系统管路上均设有所述气动阀。

5.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，还包括设于所述真空室内的气体压强检测单元，所述气体压强检测单元用于检测所述真空室的压强。

6.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述测温装置为热电偶或红外测温仪。

7.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述冷却系统为水冷系统和气冷系统中的至少一种。

8.如权利要求7所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述水冷系统包括水冷机、水流控制阀和冷却水管，所述水冷机和所述水流控制阀均设于所述真空室外侧，所述冷却水管缠绕于所述工作台外，所述水冷机和所述冷却水管连通，所述水流控制阀设于所述水冷机与所述冷却水管连通的管路上，所述控制系统和所述水冷机电连接。

9.如权利要求8所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述气冷系统包括惰性气体储气罐、气体管路和气体流量阀，所述气体管路的两端分别与所述惰性气体储气罐和所述真空室连通，所述气体流量阀设于所述气体管路上，且所述气体流量阀和所述控制系统电连接。

10.如权利要求9所述的电子束熔丝增材制造装置，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氢气和氦气中的至少一种。

11.一种电子束熔丝增材制造装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、设置满足电子束熔丝增材条件的真空室的预设真空度P₀和成型件区域的预设温度T₀；

S20、检测成型件区域的实测温度T₁，将预设温度T₀和实测温度T₁进行比较；

S30、当T₀＜T₁时，开启冷却系统，关闭热源和送丝系统，关闭挡板阀，直至T₀＝T₁时，关闭冷却系统，开启热源和送丝系统，开启挡板阀；

S40、当T₀≥T₁时，关闭冷却系统，开启热源和送丝系统，开启挡板阀；

S50、重复进行S20至S40直至熔丝成型过程结束。

12.如权利要求11所述的电子束熔丝增材制造装置的控制方法，其特征在于，当冷却系统中包含气冷系统时，当T₀＜T₁时，还包括如下步骤：

检测真空室内实际气压值P，并将实际气压值P和预设真空度P₀进行比较；

当实际气压值P<P₀时，气冷系统持续开启，持续抽真空；

当实际气压值P≈P₀时，气体流量阀调小，气流量减小，持续抽真空；

当实际气压值P>P₀时，气冷系统关闭，持续抽真空，直至实际气压值P≈P₀时，开启气冷系统。