本實用新型涉及增材制造領域，特別涉及一種能夠實現電子束寬幅掃描的控制裝置以及能夠實現電子束寬幅掃描的增材制造設備。

背景技術：

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除-切削加工技術，是一種"自下而上"的制造方法。近二十年來，AM技術取得了快速的發展，"快速原型制造(Rapid Prototyping)"、"三維打印(3D Printing)"、"實體自由制造(Solid Free-form Fabrication)"之類各異的叫法分別從不同側面表達了這一技術的特點。

增材制造，是一種通過連續熔合一個以上薄層的材料來構建三維物體的制造技術。

而電子束選區熔化，是增材制造技術中的一種，其基本的工藝步驟如下：

1)粉末供應與鋪平系統將金屬粉末材料在工作平臺上鋪展成薄層，之后電子束在交變磁場驅動下在粉末層上掃描三維物體的一個截面；

2)工作平臺下降一個粉末層厚度的距離，在工作平臺上鋪一層新的粉末，電子束掃描三維物體的下一個截面；

3)重復以上步驟，直至該三維物體制造完成。

由于電子束需要掃描三維物體的截面，因此，增材制造技術所能制造的三維物體尺寸直接取決于電子束能夠掃描的最大范圍。電子束的寬幅掃描是實現大尺寸零件的增材制造的基礎。電子束窄幅掃描時的偏轉角度小，電子束的散焦、像散比較微弱，對制造質量的影響有限；而電子束寬幅掃描時的偏轉角度較大，電子束的散焦、像散較大。散焦較大的電子束直徑較大，解析度有限。像散較大的電子束呈橢圓形，掃描的圖案模糊。這些因素對制造質量的影響不可忽略，需要加以解決。

目前存在的問題是，在電子束焊接、電子束熔煉等電子束加工技術中，電子束的偏轉角度較小，電子束大幅偏轉而造成的散焦和像散比較小，不會影響焊接或熔煉質量。因此，在這種電子束加工設備中，一般只有聚焦線圈和偏轉線圈，故不能實現高精度的電子束寬幅掃描。

同時，現有的電子束選區熔化增材制造設備一般采用電子束焊接用的電子束產生裝置，同樣不能實現高精度的電子束寬幅掃描。

技術實現要素：

有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種能夠實現電子束寬幅掃描的裝置。

基于上述目的，本實用新型提供一種實現電子束寬幅掃描的控制裝置，包括：陰極、柵極、陽極、聚焦線圈、偏轉線圈、消像散線圈和DA轉換器，

所述陰極，用以產生電子束，所述電子束依次經過柵極、陽極、消像散線圈、聚焦線圈、偏轉線圈后偏轉；

所述柵極，用以約束所述電子束中的電子，并改變電子束的束流；

所述陽極，用以與所述陰極產生電壓并使電子加速；

所述消像散線圈，用于調節所述電子束的像散程度；

所述聚焦線圈，用以調節所述電子束的焦距；

所述偏轉線圈，用以調節電子束在X軸方向上和Y軸方向上的偏轉量；

所述DA轉換器，與柵極相連，用于改變柵極電壓；與消像散線圈相連，用于改變消像散線圈中的電流；與聚焦線圈相連，用于改變聚焦線圈中的電流；偏轉線圈相連，用于改變偏轉線圈中X軸繞組和Y軸繞組上的電流；

所述DA轉換器，用以輸出多路可變化的電壓信號。

更進一步，所述消象散線圈包括至少兩組繞組，所述偏轉線圈包括至少兩組繞組，所述聚焦線圈包括一環形繞組；

所述DA轉換器，分別與所述消象散線圈上兩組繞組連接，用以控制電子束的像散；

所述DA轉換器，與所述聚焦線圈上的環形繞組連接，用以控制電子束的焦距。所述DA轉換器，分別與所述偏轉線圈上兩組繞組連接，用以控制電子束的偏轉。

更進一步，所述DA轉換器，至少包括6個電壓信號輸出通道，所述DA轉換器的電壓信號輸出通道，按照順序依次讀取其自身存儲器內的控制電壓數據，并同步輸出電壓信號；

若所述DA轉換器上的儲存空間不足，所述DA轉換器電壓信號輸出通道按照順序依次讀取存儲在本地或遠端內存中的控制電壓數值，并同步輸出電壓信號。

更進一步，所述電壓信號通過高壓電源與柵極相連，所述電壓信號通過驅動電路與繞組相連，所述電壓信號通過放大電路與聚焦線圈相連。

本實用新型的目的還在于提供一種能夠實現高精度的電子束寬幅掃描的增材制造設備。

基于上述目的，本實用新型還提出了一種增材制造設備，包括實現電子束寬幅掃描的控制裝置和密閉裝置，以及設置于密閉裝置內部的粉末供給裝置、粉末鋪平裝置、成形平臺；

當所述電子束從陰極產生后，依次經過柵極、陽極、消像散線圈、聚焦線圈和偏轉線圈，最后進入所述密閉裝置；

當所述電子束進入密閉裝置后，通過所述粉末供給裝置用以儲存待制造的原材料，并通過所述粉末鋪平裝置將所述待制造的原材料平鋪在所述成形平臺上形成粉末層；

當所述電子束射在該金屬粉末層上后，進行掃描并繪制出要制造的三維物體的截面或該截面的輪廓。

更進一步，所述密閉裝置為壓力范圍在0.001-1Pa的真空室，其中電子束的加速電壓為60kV，功率不大于3kW。

更進一步，所述粉末供給裝置為一與真空室側壁相連的送粉器，所述粉末鋪平裝置為一設置在真空室底部的鋪粉器，所述成形平臺由成形缸、活塞板組成，所述成形缸與所述鋪粉器連接，所述成形缸下部設置有活塞板，所述可在豎直方向上活動，當所述活塞板下降一個高度，該下降的高度等于粉末層的厚度。

更進一步，所述粉末層包括鈦合金、鈦、鋁合金、鋁、鈦鋁合金、不銹鋼、Co-Cr合金的多種合金中的一種或者多種。

本實用新型的有益效果：

1)本實用新型除了聚焦線圈、偏轉線圈外，還增加了消像散線圈；當電子束偏轉角度較大時，不僅可以通過改變聚焦線圈電流來使電子束良好聚焦，還可以通過改變消像散線圈電流來消除電子束的像散，使得束斑仍然保持較高質量。

2)本實用新型大大提升了電子束選區熔化增材制造(3D打印)的成形質量，特別是打印較大零件的精度和質量。

3)給出了一種電子束寬幅掃描的控制方法，方法可操作性強，使的電子束能夠在寬幅范圍內實現任意路徑的高質量掃描。

4)結合附圖4，本實用新型中的DA轉換器的6個通道按照順序依次讀取存儲在計算機內存中的控制電壓數值，同步地輸出電壓信號。

附圖說明

圖1是本實用新型所述的實現電子束寬幅掃描的控制裝置的示意圖。

圖2示出了運用了本實用新型的增材制造設備的一個實施例。

圖3示出了本實用新型所述的實現電子束寬幅掃描的方法一個實施例。

圖4示出了儲存器的數據儲存和DA轉換方式。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。

圖1是本實用新型所述的電子束寬幅掃描的控制裝置示意圖。

電子從陰極1中產生，依次經過柵極2、陽極3、消像散線圈4、聚焦線圈5、偏轉線圈6。

其中，電子在陰極1與陽極3之間被加速，加速后的電子可以使金屬粉末熔化。

柵極2與高壓電源8相連，柵極2與陰極1之間產生的電場可以約束電子。當改變柵極2上的電壓，電子束流(即功率)會隨之改變。

消象散線圈4包括第一繞組4-1和第二繞組4-2，以產生消像散磁場。

聚焦線圈5包括一個環形繞組，用以產生軸對稱的聚焦磁場。

偏轉線圈6包括第三繞組6-1和第四繞組6-2，分別產生X、Y方向的磁場，使得電子束偏轉。

DA(數模轉換)器7具有至少6個通道，所述的6個通道均可輸出控制電壓。其中第一通道7-1產生的電壓信號與高壓電源8相連，以控制電子束流；其中第二通道7-2、第三通道7-3產生的電壓信號通過第一驅動電路9、第二驅動電路10分別和消象散線圈4的第五繞組4-1、第六繞組4-2相連，以控制繞組中通過的電流；其中第四通道7-4產生的電壓信號通過放大電路11和聚焦線圈5相連，以控制聚焦線圈中通過的電流；其中第五通道7-5、第六通道7-6產生的電壓通過第一放大電路13、第二放大電路12和偏轉線圈6上的X繞組6-1、Y繞組6-2相連，以控制繞組中通過的電流，從而控制電子束14發生偏轉。

圖2示出了運用了本實用新型的增材制造(三維打印)設備的實施例，本實用新型所述的陰極1、柵極2、陽極3、消像散線圈4、聚焦線圈5、偏轉線圈6等位于真空室15的上方。真空室內還安裝有送粉器16、鋪粉器17、成形缸18、活塞板19。真空室15可以通過真空系統保持真空環境，該真空系統包括渦輪分子泵、渦旋泵、離子泵以及多個閥。電子束14離開偏轉線圈6后，進入真空室15，作用于活塞板19上的粉末材料20，使其燒結或熔化。本實施例中真空室的壓力可介于0.001-1Pa的范圍，電子束的加速電壓為60kV，功率最大為3kW。

送粉器16、鋪粉器17可在活塞板19上形成粉末薄層，電子束14在粉末層掃描三維模型的截面，使粉末燒結或熔化。活塞板19可在豎直方向上運動，活塞板19下降一個高度，該高度等于粉末層的厚度。之后，送粉器16、鋪粉器17在活塞板19上形成一層新的粉末，電子束14在粉末層上掃描三維模型的下一個截面，使粉末燒結或熔化，并與上一層結合。通過以上所述的逐層熔化的方法制造三維實體21。該制造方法所用的粉末材料包括純金屬或金屬合金，如鈦合金、鈦、鋁合金、鋁、鈦鋁合金、不銹鋼、Co-Cr合金等。用于降低活塞板19的方式包括伺服電機或步進電機帶動的齒輪齒條、螺桿等結構。所述的三維模型可通過計算機輔助設計工具產生。

圖3示出了本實用新型所述的寬幅掃描控制方法的一個實施例。電子束的掃描幅面22為方形，位于活塞板19上方，并且不會超出活塞板19的尺寸范圍。在掃描幅面內選取若干個成陣列分布的標定點23。在本實施例中，掃描幅面尺寸為200mm×200mm，標定點23共49個，成7×7的均勻陣列分布。

對于每一個標定點，改變DA轉換器7中像散、聚焦、偏轉所對應的通道7-2、7-3、7-4、7-5、7-6的輸出電壓，使得電子束恰好落在標定點上，并且聚焦良好，沒有像散。在插值表中記錄該標定點的坐標值和對應的像散、聚焦、偏轉的控制電壓。逐個校準，直至所有標定點的坐標值和像散、聚焦、偏轉的控制電壓都被記錄在插值表中。判斷電子束是否落在標定點上、是否聚焦良好、是否像散的方法可以是肉眼觀察，也可以借助于攝像頭拍攝圖像后通過圖像識別判斷。

之后，根據三維模型的截面確定電子束要執行的掃描路徑，該路徑可以包含一條或多條直線、曲線。沿著該掃描路徑，每隔一段距離取一個掃描點。以圖3中的圓形路徑24為例，掃描點25為圓形路徑上的掃描點。由此，電子束實際上為逐點掃描，為保證掃描路徑上粉末熔化的連續，相鄰兩個掃描點上的熔池需有所重疊。因此，掃描點的間隔需要根據實際工藝下熔池的直徑確定。在本實施例中，若熔池直徑為d，則掃描點的間隔為d/4～d。

對于每一個掃描點，根據其坐標值，在插值表中進行插補運算，確定該掃描點對應的像散、聚焦、偏轉的控制電壓。在本實施例中，陣列排布的標定點23將掃描幅面22分為若干個方形小區域。對于確定的掃描點，首先確定其落在哪個方形小區域之中，并利用位于方形小區域角點的4個標定點的像散、聚焦、偏轉的控制電壓進行插補運算。可以認為，當DA轉換器輸出插補運算得到的像散、聚焦、偏轉的控制電壓時，掃描點的位置精度、聚焦、像散均達到最優狀態。

逐個對所有掃描點進行插補運算，將像散、聚焦、偏轉的控制電壓記錄在儲存器中。圖4示出了儲存器的數據儲存和DA轉換方式。存儲器26為DA轉換器的6個通道劃分了對應的儲存空間27、28、29、30、31、32。像散的控制電壓包括兩個繞組的控制電壓，保存在儲存空間28、29中；聚焦的控制電壓保存在儲存空間30中；偏轉的控制電壓包括X、Y兩個繞組的控制電壓，保存在儲存空間31、32中。對于每一個掃描點，還附加了一個束流控制電壓，表示電子束落在該掃描點時的束流(功率)。束流控制電壓保存在儲存空間27中。

所有掃描點的控制電壓保存完畢后，DA轉換器的6個通道分別讀取對應的儲存空間中的控制電壓值，并輸出電壓波形。6個通道讀取儲存空間中的控制電壓值并轉換成模擬電壓是同步的，即不存在某一個或某幾個通道提前或者滯后的情況。同步的方法是借助于時鐘信號33，在時鐘信號的上升或下降沿，6個通道同時被觸發并讀取數據、轉換成模擬電壓。

時鐘信號33的頻率決定了輸出電壓波形的頻率，也即影響了電子束逐點掃描時在每個點的滯留時間，也即決定了電子束的掃描速度。為使電子束快速掃描，DA轉換器7的采樣頻率需盡量高。在本實施例中，DA轉換器7的采樣頻率大于2Ms/s。輸出電壓波形的頻率高，要求高壓電源8、驅動電路9、10、11、12、13具有足夠的頻率響應性能，本實施例中，高壓電和驅動電路的響應頻率高于20kHz。

在本實施例中，所有要執行的掃描點的控制電壓值事先一次性地寫入儲存器，然后再由DA轉換器7讀取、輸出波形。在本實施例中，存儲器共512Mb，每個通道擁有最多85Mb的儲存空間。也可采用較小的存儲器，掃描點的控制電壓值分批寫入。DA轉換器7讀取一定大小的存儲空間后，將掃描點的控制電壓值寫入，直至充滿儲存空間。如此循環，直至所有掃描點的控制電壓值被寫入并被轉換為模擬電壓。

所屬領域的普通技術人員應當理解：以上，所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。