[實(shí)用新型]粉床式電子束增材制造中熱應(yīng)力的控制裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201521043088.1
• 申請日: 2015-12-15
• 公開（公告）號(hào): CN205200541U
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭超;林峰;葛文君;張磊;向虎
• 申請（專利權(quán)）人: 天津清研智束科技有限公司
• 主分類號(hào): B22F3/105
• 分類號(hào): B22F3/105;B22F3/115
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 張海英;林波

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種粉床式電子束增材制造中熱應(yīng)力的控制裝置。

背景技術(shù)

增材制造(3D打印)是一種通過連續(xù)熔合一個(gè)以上薄層的材料來構(gòu)建三維物體的制造技術(shù)。粉床式電子束增材制造是增材制造技術(shù)路線的一種，其基本的工藝步驟如下：粉末供應(yīng)與鋪平系統(tǒng)將粉末材料在工作平臺(tái)上鋪展成薄層，高能量密度的電子束在粉末層上掃描三維物體的一個(gè)截面；之后，工作平臺(tái)下降一個(gè)粉末層厚度的距離，在工作平臺(tái)上鋪一層新的粉末，射線掃描三維物體的下一個(gè)截面；重復(fù)以上步驟，直至該三維物體制造完成。

在電子束熔化粉末材料時(shí)，熔池溫度高，粉末層溫度低，兩者之間溫度差較大，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂紋、變形等制造缺陷。為減小熱應(yīng)力，粉末層的熔合一般分為以下兩個(gè)步驟：1)電子束預(yù)熱粉末層。粉末層溫度被電子束預(yù)熱至一定溫度，但不會(huì)發(fā)生熔化；2)電子束在粉末層上熔化一個(gè)截面。截面內(nèi)的粉末材料被電子束掃描、被熔化并與上一層結(jié)合。由于粉末層被預(yù)熱至一定溫度，熔池與粉末層的溫度差減小，制造過程中的熱應(yīng)力降低，減小了缺陷出現(xiàn)的幾率。

但是，現(xiàn)有的上述方法存在熔化過程中前后熱應(yīng)力不一致的情況。即：電子束掃描截面需要一定時(shí)間。當(dāng)電子束掃描截面時(shí)，粉末層的截面以外的區(qū)域的溫度不斷降低。造成的情況是：隨著掃描的進(jìn)行，熔池與粉末層之間的溫度差不斷增大，熱應(yīng)力不斷升高。這種熱應(yīng)力前后不一致的現(xiàn)象會(huì)對(duì)制造產(chǎn)生不利影響。特別是，當(dāng)截面較大時(shí)，電子束掃描截面耗時(shí)較長，熱應(yīng)力的前后差別很大，不利影響更為明顯。

授權(quán)公告號(hào)為CN1235705C的專利公布了一種生產(chǎn)三維物體的設(shè)備和方法，其具體公開了通過在真空室上方外側(cè)設(shè)置攝像頭(攝像機(jī))，并在真空室上設(shè)置透明的玻璃觀測窗口，攝像頭(攝像機(jī))透過該觀測窗口得到溫度分布矩陣T_ij-measured，并與給定溫度T_ij-desired進(jìn)行比較，兩者的差值為△T_ij。當(dāng)△T_ij大于某個(gè)臨界值，則需要對(duì)電子束的能量輸入做出相應(yīng)調(diào)整，比如電子束掃描截面后的溫度過高，則需要在下一層的掃描中減小電子束功率或提高掃描速度。如果電子束掃描截面后的溫度過低，則電子束再次掃描截面，使其溫度升高至預(yù)定值附近。如果截面以外的粉末層溫度過低，則需要利用電子束或外部加熱裝置加熱粉床，使其溫度升高至預(yù)定值附近。但是其依舊存在著熱應(yīng)力前后不一致的問題。

而且上述設(shè)備中，采用透明膜遮擋觀測窗口，并不斷卷繞、送進(jìn)新膜，維持膜和觀測窗口的透明度，以保證攝像機(jī)可以不間斷的拍攝，提高溫度檢測的準(zhǔn)確度。但是，上述透明膜會(huì)受熱輻射和射線作用，往往會(huì)受熱變形、變脆、進(jìn)而在卷繞過程中被撕裂，最終無法起到保持窗口具有足夠透明度的作用。并且，隨著透明膜不斷被卷繞，其越卷越厚，需要在真空室中預(yù)留較大空間，使得整體設(shè)備整體結(jié)構(gòu)空間過大。

目前還有一種防止觀測窗口被蒸鍍污染的方法：采用擋板遮擋，在需要拍攝的時(shí)候打開擋板，攝像機(jī)拍攝圖像；拍攝完后，擋板關(guān)閉。如此，攝像機(jī)進(jìn)行間斷地拍攝，每隔一段時(shí)間拍攝一幅圖像，擋板則不停地重復(fù)打開/關(guān)閉動(dòng)作。但是該種方法其擋板每次打開的時(shí)間較長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攝像機(jī)拍攝一幅圖像需要的曝光時(shí)間。因此當(dāng)擋板打開時(shí)，玻璃觀測窗口暴露于金屬蒸汽，重復(fù)打開很多次后，玻璃觀測窗口仍然會(huì)被蒸鍍污染，導(dǎo)致其更換頻率過高。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種粉床式電子束增材制造中熱應(yīng)力的控制裝置，能夠更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造中熱應(yīng)力的控制，且能夠有效地保持玻璃窗口的透明度，降低了玻璃窗口的更換頻率。

為達(dá)此目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：一種粉床式電子束增材制造中熱應(yīng)力的控制裝置，包括位于真空室外側(cè)的攝像機(jī)，所述真空室內(nèi)部設(shè)有鋪設(shè)粉末層的成形缸，成形缸上方設(shè)有電子束發(fā)生裝置，所述電子束發(fā)生裝置與攝像機(jī)均連接于控制裝置，在真空室上沿?cái)z像機(jī)拍攝方向設(shè)有透明的玻璃窗口，所述攝像機(jī)透過玻璃窗口對(duì)真空室內(nèi)部拍攝圖像，且拍攝的圖像包含所述粉末層以及其溫度分布信息；所述玻璃窗口的一側(cè)設(shè)有密封穿過真空室且可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸固接有位于真空室內(nèi)的擋板，所述擋板由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)在遮擋玻璃窗口的位置與錯(cuò)開玻璃窗口的位置之間切換。

作為優(yōu)選，所述真空室與轉(zhuǎn)軸之間通過磁流體密封件密封連接。

作為優(yōu)選，所述擋板在遮擋玻璃窗口的位置與錯(cuò)開玻璃窗口的位置之間切換的角度小于90°。

作為優(yōu)選，所述擋板處于錯(cuò)開玻璃窗口的位置的時(shí)間不小于攝像機(jī)拍攝一次圖像的時(shí)間。