实现电子束宽幅扫描的控制装置、方法以及增材制造设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及增材制造领域，特别涉及一种能够实现电子束宽幅扫描的控制装置、方法以及能够实现电子束宽幅扫描的增材制造设备。
【背景技术】
[0002]增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种〃自下而上〃的制造方法。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，〃快速原型制造(Rapid Prototyping) 〃、〃三维打印(3D Printing) 〃、〃实体自由制造(Solid Free-form Fabricat1n) 〃之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。
[0003]增材制造，是一种通过连续恪合一个以上薄层的材料来构建三维物体的制造技术。
[0004]而电子束选区熔化，是增材制造技术中的一种，其基本的工艺步骤如下:
[0005]1)粉末供应与铺平系统将金属粉末材料在工作平台上铺展成薄层，之后电子束在交变磁场驱动下在粉末层上扫描三维物体的一个截面；
[0006]2)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，电子束扫描三维物体的下一个截面；
[0007]3)重复以上步骤，直至该三维物体制造完成。
[0008]由于电子束需要扫描三维物体的截面，因此，增材制造技术所能制造的三维物体尺寸直接取决于电子束能够扫描的最大范围。电子束的宽幅扫描是实现大尺寸零件的增材制造的基础。电子束窄幅扫描时的偏转角度小，电子束的散焦、像散比较微弱，对制造质量的影响有限；而电子束宽幅扫描时的偏转角度较大，电子束的散焦、像散较大。散焦较大的电子束直径较大，解析度有限。像散较大的电子束呈椭圆形，扫描的图案模糊。这些因素对制造质量的影响不可忽略，需要加以解决。
[0009]目前存在的问题是，在电子束焊接、电子束熔炼等电子束加工技术中，电子束的偏转角度较小，电子束大幅偏转而造成的散焦和像散比较小，不会影响焊接或熔炼质量。因此，在这种电子束加工设备中，一般只有聚焦线圈和偏转线圈，故不能实现高精度的电子束宽幅扫描。
[0010]同时，现有的电子束选区熔化增材制造设备一般采用电子束焊接用的电子束产生装置，同样不能实现高精度的电子束宽幅扫描。
【发明内容】
[0011]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够实现电子束宽幅扫描的装置。
[0012]基于上述目的，本发明提供一种实现电子束宽幅扫描的控制装置，包括:阴极、栅极、阳极、聚焦线圈、偏转线圈、消像散线圈和DA转换器，
[0013]所述阴极，用以产生电子束，所述电子束依次经过栅极、阳极、消像散线圈、聚焦线圈、偏转线圈后偏转；
[0014]所述栅极，用以约束所述电子束中的电子，并改变电子束的束流；
[0015]所述阳极，用以与所述阴极产生电压并使电子加速；
[0016]所述消像散线圈，用于调节所述电子束的像散程度；
[0017]所述聚焦线圈，用以调节所述电子束的焦距；
[0018]所述偏转线圈，用以调节电子束在X轴方向上和Y轴方向上的偏转量；
[0019]所述DA转换器，与栅极相连，用于改变栅极电压；与消像散线圈相连，用于改变消像散线圈中的电流；与聚焦线圈相连，用于改变聚焦线圈中的电流；偏转线圈相连，用于改变偏转线圈中X轴绕组和Y轴绕组上的电流；
[0020]所述DA转换器，用以输出多路可变化的电压信号。
[0021]更进一步，所述消象散线圈包括至少两组绕组，所述偏转线圈包括至少两组绕组，所述聚焦线圈包括一环形绕组；
[0022]所述DA转换器，分别与所述消象散线圈上两组绕组连接，用以控制电子束的像散;
[0023]所述DA转换器，与所述聚焦线圈上的环形绕组连接，用以控制电子束的焦距。所述DA转换器，分别与所述偏转线圈上两组绕组连接，用以控制电子束的偏转。
[0024]更进一步，所述DA转换器，至少包括6个电压信号输出通道，所述DA转换器的电压信号输出通道，按照顺序依次读取其自身存储器内的控制电压数据，并同步输出电压信号;
[0025]若所述DA转换器上的储存空间不足，所述DA转换器电压信号输出通道按照顺序依次读取存储在本地或远端内存中的控制电压数值，并同步输出电压信号。
[0026]更进一步，所述电压信号通过高压电源与栅极相连，所述电压信号通过驱动电路与绕组相连，所述电压信号通过放大电路与聚焦线圈相连。
[0027]本发明的目的还在于提供一种能够实现高精度的电子束宽幅扫描的增材制造设备。
[0028]基于上述目的，本发明还提出了一种增材制造设备，包括实现电子束宽幅扫描的控制装置和密闭装置，以及设置于密闭装置内部的粉末供给装置、粉末铺平装置、成形平台；
[0029]当所述电子束从阴极产生后，依次经过栅极、阳极、消像散线圈、聚焦线圈和偏转线圈，最后进入所述密闭装置；
[0030]当所述电子束进入密闭装置后，通过所述粉末供给装置用以储存待制造的原材料，并通过所述粉末铺平装置将所述待制造的原材料平铺在所述成形平台上形成粉末层；
[0031]当所述电子束射在该金属粉末层上后，进行扫描并绘制出要制造的三维物体的截面或该截面的轮廓。
[0032]更进一步，所述密闭装置为压力范围在0.001-lPa的真空室，其中电子束的加速电压为60kV，功率不大于3kW。更进一步，所述粉末供给装置为一与真空室侧壁相连的送粉器，所述粉末铺平装置为一设置在真空室底部的铺粉器，所述成形平台由成形缸、活塞板组成，所述成形缸与所述铺粉器连接，所述成形缸下部设置有活塞板，所述可在竖直方向上活动，当所述活塞板下降一个高度，该下降的高度等于粉末层的厚度。
[0033]更进一步，所述粉末层包括钛合金、钛、铝合金、铝、钛铝合金、不锈钢、Co-Cr合金的多种合金中的一种或者多种。
[0034]本发明还提供了一种通过所述的控制装置来实现电子束宽幅扫描的方法，在预设好三维模型后，包括如下步骤:
[0035]在扫描幅面上选取坐标已知的点作为标定点；
[0036]通过改变输出的控制电压，使得电子束落在所述标定点上，并在插值表中记录该标定点的坐标值，所述控制电压包括像散、聚焦、偏转的控制电压，重复直至所有标定点的坐标值、像散、聚焦、偏转的控制电压都被记录在插值表中；
[0037]根据三维模型的截面确定电子束将要执行的扫描路径，沿着所述扫描路径每隔一段距离取一个扫描点；
[0038]对于所述取到的扫描点，根据其坐标值在插值表中进行插补运算，确定并记录该扫描点对应的像散、聚焦、偏转的控制电压以及该扫描点的电子束流的控制电压，直至存储所有扫描点的电子束流、像散、聚焦以及偏转的控制电压；
[0039]同步地读取记录的数据，并同步输出电压信号，得到扫描路径后驱动所述电子束沿着既定路径进行扫描。
[0040]更进一步，在每一个扫描点上，增加功率控制电压值。
[0041]更进一步，所述扫描幅面为方形，将该扫描幅面沿着X轴放线