电子束熔丝增材制造方法与流程

本发明涉及电子束增材，尤其涉及一种电子束熔丝增材制造方法。

背景技术：

电子束增材制造的方法目前有两种：电子束熔融粉末技术(EBM)及电子束熔丝成型技术(EBF³)。电子束熔融粉末技术采用金属粉末作为原材料，存在所需金属粉末制造难度大，使用成本高，成型效率低且金属粉末不易保存的缺点。电子束熔丝成型在实现高效沉积成型的同时保证打印件质量能达到锻造水平，该技术具有热源熔化丝材过程无反射、成形速度快、材料利用率高、能量转化效率高的特点，可用于大型金属毛坯的快速成型及金属零件的修复。

现有的电子束熔丝成型过程为：首先利用三维软件对预打印件建模，再对模型分层切片、打印路径规划后导入增材装置中，送丝机输出金属丝材将其送入基板或者上一层表面熔化的熔池内，以电子束作为热源持续熔化金属丝材最终完成堆积打印成型过程。目前实现这一成型过程的电子束熔丝装置有两种类型：(1)电子枪固定且一般安装在真空室外，通过承载成型件的工作平台旋转或位移改变打印件位置，从而实现复杂零件的加工过程；(2)工作平台固定，电子枪安装在真空室内且通过改变电子枪的位移改变打印位置。

无论选用哪种装置类型，电子束熔丝成型过程中热源与丝材非同轴同步变化的，而是存在两者一定的位向差异和速度差异。如何有效控制这种方向差异和速度差异，成为了控制沉积件质量的关键。

位向差异和速度差异转换到参数控制中，体现为以下工艺参数：送丝高度、热源与丝束间距、送丝角度(丝材与基板的角度)、送丝方向、工作平台运动速度、送丝速度。传统的电子束熔丝增材在制造过程中重点在于丝束间距、送丝速度、送丝角度以及与热源(电子束)相关的参数控制，而忽略了丝材送进方向的控制。而试验表明，丝材的送进方向的合适与否，严重影响沉积件的表面质量及工艺稳定性。具体原因为：在当其他参数条件一定的情况下，丝材从熔池前方送进时受热源热传导及熔池最强温区的热辐射作用强，而丝材从两侧或后端送进时，虽然热源对丝材产生的热传导作用较丝材从前方送进时相同，但是由于远离熔池前端的高温区，由熔池产生的热辐射作用弱，造成丝材的熔化能量不足。表现出的效果为：丝材很难以微滴或桥液状稳定过渡到熔池，而是由于丝材熔化不充分导致与熔池粘连，从而造成熔融沉积过程中断或由于丝材熔化不均匀导致成型面粗糙、光洁度差，影响下一层的沉积质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电子束熔丝增材制造方法，旨在用于解决现有的电子束熔丝增材质量较差的问题。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种电子束熔丝增材制造方法，采用电子枪与至少两台送丝机配合在真空室的基板上打印成型打印件，包括以下操作步骤：

S1.利用分层处理软件规划打印件的层厚尺寸以及沉积层的宽度尺寸，将所述打印件沿厚度方向分隔为多层沉积层且将每一所述沉积层分隔为多条沉积路径；

S2.将各所述送丝机按照各所述沉积路径分布，以使每一所述沉积路径的前方均设置有其中一所述送丝机的出丝嘴，调节各送丝机的出丝嘴角度以控制丝材与所述基板之间的角度；

S3.启动与首层所述沉积层的首道沉积路径对应的送丝机，同时开启所述电子枪并产生电子束；

S4.控制所述电子枪与所述基板相对移动，且相对移动的移动路径为首层所述沉积层的首道所述沉积路径，所述送丝机的丝材进入或者靠近所述基板上的熔池；

S5.所述电子束持续熔融以额定速度送进的所述丝材，所述丝材形成微滴或桥液形式进入熔池，且逐渐冷凝成型，进而形成首层首道所述沉积路径；

S6.继续打印首层另外各所述沉积路径，且选择该沉积路径对应的送丝机工作，重复S4-S5直至首层所述沉积层沉积完成；

S7.重复S4-S6依次完成另外各所述沉积层，直至所述打印件打印完成。

进一步地，所述电子枪与各所述送丝机均位于所述真空室外侧。

进一步地，所述送丝机为两台，将各所述沉积层均分为两个部分，两个部分分别对应两台所述送丝机，且每一所述送丝机的出丝嘴均位于对应部分的各所述沉积路径的前方。

进一步地，每一所述送丝机的出丝嘴均可在水平面内旋转0°-180°，且两台所述送丝机的出丝嘴之间的角度调节范围为0°-360°。

进一步地，于所述真空室内还设置有可沿(x方向)、垂直方向(y方向)、高度方向(z方向)移动的动平台，所述基板位于所述动平台上，且所述送丝机的出丝嘴以及所述电子枪产生的电子束均位于所述基板的正上方，在打印之前，所述动平台调节至基准位置。

进一步地，在打印之前，根据各所述送丝机的丝材的尺寸确定所述电子枪的输出束流以及所述动平台的移动速度。

本发明具有以下有益效果：

本发明的制造方法中，先采用分层处理软件将所述制备的打印件进行分成多个沉积层，然后沿每一沉积层的沉积路径进行熔丝沉积，且在上述整个过程中，送丝机分为多个，其根据沉积路径进行分布，以使每一沉积路径对应的送丝机产生的丝材均位于该沉积路径的前方，其可以使得熔池对丝材的辐射比较大，丝材融化比较充分，可以有效保证成型后每一沉积层的质量，光滑度比较高。

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它的附图。

图1为本发明实施例提供的电子束熔丝增材制造方法中其中一送丝机工作的结构示意图；

图2为图1的电子束熔丝增材制造方法中另一送丝机工作的结构示意图；

图3为图1的电子束熔丝增材制造方法中每一沉积层的沉积路径的结构示意图。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图3，本发明实施例提供一种电子束4熔丝增材制造方法，主要是采用电子枪以及至少两台送丝机1配合在真空室2的基板21上打印成型有打印件3，电子枪主要是用于向真空室2内输出电子束4形成熔池，而送丝机1则是用于向真空室2内导出丝材11，丝材11在熔池辐射作用下融化，然后在基板21上冷凝形成所需的打印件3，具体地包括以下操作步骤：

S1.利用分层处理软件规划打印件3的层厚尺寸以及沉积层31的宽度尺寸，将打印件3沿厚度方向分隔为多层沉积层31且将每一沉积层31分隔为多条沉积路径311，具体是采用一具有分层处理软件的控制系统，将打印件3模型输入控制系统内，通过分层处理软件将其分隔为多个沉积层31，同时将每一沉积层31分隔为多条沉积路径311；

S2.将各送丝机1按照各沉积路径311分布，以使每一沉积路径311的前方均设置有其中一送丝机1的出丝嘴，调节各送丝机1的出丝嘴角度以控制丝材11与基板21之间的角度，具体地根据满足不同直径金属丝材11熔化的热输入值，计算电子枪的电子束4的调节参数；

S3.启动与首层沉积层31的首道沉积路径311对应的送丝机1，同时开启电子枪并产生电子束4；

S4.控制电子枪与基板21相对移动，且相对移动的移动路径为首层所述沉积层31的首道沉积路径311，以使该送丝机1的丝材11进入或者靠近基板21上的熔池，当然电子枪与基板21之间的相对移动速度与电子束4的调节参数对应；

S5.电子束4持续熔融以额定速度送进的丝材11，丝材11形成微滴或桥液形式进入熔池，且随着电子束4热源远离逐渐冷凝成型，进而形成首层首道沉积路径311；

S6.继续打印首层另外各沉积路径311，控制系统可以根据该沉积路径311的位置来选择该沉积路径311对应的送丝机1工作，当该条沉积路径311与前一成型的沉积路径311对应的送丝机1相同时，则S5步骤中的送丝机1继续工作，而当两者的送丝机1不对应时，则关闭S5步骤中的送丝机1，如此重复S4-S5直至首层沉积层31的各道沉积路径311均完成，首层沉积层31沉积完成；

S7.针对首层沉积层31上方的各沉积层31重复S4-S6依次完成另外各沉积层31，直至所述打印件3打印完成。

在上述步骤中，通过至少两台送丝机1来对应各沉积层31的沉积路径311，其可以保证每一沉积路径311对应的送丝机1导出的丝材11均由电子束4对应的熔池前方送入，即考虑了每一沉积路径311的送丝方向，熔池对丝材11的热辐射非常大，进而可以保证靠近或者伸入熔池内的丝材11均融化充分，不但丝材11的融化效率比较高，而且能够精细化控制熔滴的形成及熔滴过渡形式，融化后的丝材11不会与熔池粘接，丝材11融化均匀，有效保证成型后沉积层31的光滑度，进而保证下一层沉积层31的成型质量。另外，在上述的制造方法中，将送丝机1的送丝盘设置于真空室2的外侧，而将送丝机1的出丝嘴与电子枪均设置于真空室2的内侧，对此可以在真空室2的外侧对送丝机1的丝材11进行更换补充，不但比较方便，而且这种安装位置的送丝机1不会影响真空室2的真空度。

参见图1以及图3，进一步地，在打印件3为标准结构时，比如为圆柱体或者圆台结构等，送丝机1为两台，将打印件3的各沉积层31均分为两个部分，两个部分与两台送丝机1一一对应，每一送丝机1的出丝嘴均位于对应部分的各沉积路径311的前方，即每一送丝机1可以对该部分内的的各沉积路径311进行熔丝沉积，在这种方式中，在进行每层沉积层31制备时，可以先采用其中一台送丝机1对对应部分的各道沉积路径311进行送丝，且在该部分内的各沉积路径311均成型后，关闭该送丝机1，另一台送丝机1对另一部分的各道沉积路径311送丝。且在上述送丝过程中，丝材11均位于熔池的前方，其可以对丝材11产生比较大的辐射作用，丝材11融化均非常充分，每一沉积层31的质量均比较高。当然在打印件3的每一沉积层31均为圆形时，两台送丝机1的出丝嘴均可在水平面内旋转0°-180°，进而可以使得该台送丝机1的出丝嘴可与对应部分的各道沉积路径311对应，比如在其中一道沉积路径311增材后，可以控制出丝嘴旋转一定角度使得其与相邻的沉积路径311对应，如此类推可以增材该部分内的所有沉积路径311，当然两台送丝机1的出丝嘴的旋转角度应错开，两者不应产生交叉部分，则两台送丝机1的出丝嘴之间的角度调节范围应为0°-180°，可以形成完整的圆形，进而能够使得圆形的沉积层31的丝材11融化均比较充分。

参见图1以及图2，进一步地，在真空室2内还设置有可沿(x方向)、垂直方向(y方向)、高度方向(z方向)移动的动平台，基板21位于该动平台上，且送丝机1的出丝嘴以及电子枪产生的电子束4均位于基板21的正上方，且在打印之前，需要将动平台调节至基准位置，然后由该基准位置处来调节动平台在(x方向)、垂直方向(y方向)、高度方向(z方向)移动移动，通过动平台的移动可以带动基板21移动，进而能够使得丝材11可以融化至每一层的沉积层31各位置，而在该层沉积层31增材完成后，可以调节送丝机1的出丝嘴竖直方向移动，进而在增材完成后的沉积层31上继续熔丝增材。当然针对这种动平台结构，在打印之前，根据各送丝机1的丝材11尺寸确定电子枪输出的束流以及动平台的移动速度，且将该参数信息均由控制系统进行控制调节，从而可以保证丝材11的融化效果。

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之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。