本發明涉及快速成形制造領域，特別涉及一種電子束快速成形制造方法。

背景技術：

增材制造技術又名3D打印或者快速成形技術。它是一種以三維數字模型文件為基礎，運用金屬粉末、金屬絲材或可粘合性塑料等材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。快速成形制造技術被廣泛用在模具制造、工業設計等領域，現正逐漸用于一些產品的直接制造，特別是一些高價值的應用(比如髖關節或牙齒，或一些飛機零部件)。

金屬零部件快速成形制造方法主要有激光選區燒結(SLS)、激光選區熔化(SLM)、激光同軸送粉直接制造(LENS)、電子束熔絲成形(EBAM)、電子束選區熔化成形(EBM)等方法。其中，電子束選區熔化成形(EBM)和激光選區熔化(SLM)屬于粉末床快速成形制造方法。粉末床快速成形方向相比其他快速成形技術具有零件尺寸精度高、表面質量好的優點，是快速成形技術發展的主要方向之一。目前電子束快速成形用的電子槍加速電壓通常是60KV，電子束選區熔化成形(EBM)利用電子槍發射電子電子束，同時控制電子束按照預定的軌跡快速掃描粉床，使金屬粉末快速熔化快速凝固。通過逐層掃描照射粉床上的金屬粉末，可以制造出三維實體金屬零件。

電子束選區熔化成形制造方法的原理是通過高壓電場加速的電子，使電子就有很高的能量轟擊金屬粉末層，電子的動能和金屬粉末相互作用后轉化為熱能使金屬熔化。

但是加速電壓對電子加速后會帶來不利的影響。已據文獻報道，電子轟擊金屬粉末時會出現嚴重的粉末潰散或粉末飛散的現象(加速電壓60KV)。其原因是電子具有質量，在高壓電場的加速作用下每個電子都攜帶了很高的動能，電子撞擊金屬粉末后將動能傳遞給了金屬粉末，金屬粉末也具備了相當大的動能，當金屬粉末所受的摩擦阻力不足以阻礙其運動趨勢時將會發生金屬粉末潰散，甚至飛散。這種金屬粉末的飛散，會導致無法成形、燒穿基板甚至破壞電子槍等設備。為此，需要采用預熱和大粒度的金屬粉末制造零件，用以克服粉末飛散的不利現象，這會導致成形零件尺寸精度降低。

因此，迫切需要找到一種既能防止金屬粉末飛散，又能克服聚焦難保證加工精度的快速成形制造方法。

技術實現要素：

基于上述情況，有必要提供一種電子束快速成形制造方法。

一種電子束快速成形制造方法，包括如下步驟：

根據粉床成形工藝要求確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值P_b；

根據所述金屬粉末平均粒徑D₀確定加速電壓U；

根據束流功率值P_b和加速電壓U以及工藝要求確定束流值I_b；

啟動快速成形設備，并按照確定的加速電壓U和束流值I_b發射電子束；

控制多級聚焦線圈，將電子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直徑達到d₀的要求；

通過設備控制快速成形設備的其他部分完成快速成形零件的制造。

進一步，所述加速電壓U小于等于臨界加速電壓U_c，所述臨界加速電壓U_c為單個電子撞擊使金屬粉末飛散的臨界值。

所述臨界加速電壓U_c通過試驗測定不同金屬材料不同粉末特征參數的金屬粉末臨界發生潰散現象時獲得。

具體的，對電子束多次聚焦，使束斑達到設計要求的d₀，滿足如下原理：

其中u為物距，v為像距，f為焦距。

本發明一種電子束快速成形制造方法，通過根據粉床成形工藝要求，經過分析計算確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值Pb等參數，經本方案科學合理的輸出加速電壓U，有效的控制了電子轟擊金屬粉末的速度，進而在保證成形要求的情況下避免了粉末潰散的問題；同時由于采用多級聚焦的方式，能夠改善和控制低加速電壓帶來的電子束的聚焦困難的問題，實現電子束束斑更小并且可控；從而進一步可以采用比現有電子束快速成形設備更細小的金屬粉末，獲得表面質量更好尺寸精度更高的金屬零件；本發明根據不同零件特點和技術要求選擇束斑直徑的大小和粉末材料粒徑的大小，能夠提高成形效率和降低成形零件的生產成本。

附圖說明

圖1為本發明一種電子束快速成形制造方法的工作狀態示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清晰，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

根據電子槍的工作原理，加速電壓越高電子的熱初速對聚焦后的束斑尺寸影響就越小，即加速電壓越高聚焦后束斑直徑越小。對粉末快速成形來說，獲得小的束斑直徑是保證成形零件尺寸精度和表面質量的關鍵。通常為了得到更好的金屬成形零件的表面質量和尺寸精度，通常都會采用較高的加速電壓。

根據電子槍的工作原理，電子在電場中加速后速度很高，考慮相對論的情況一個電子經過電場加速后具有的動能可用下式表示：E_k＝U_e·e-M_e·c²，U_e是加速電壓，M_e是單個電子的質量，可以看出加速電壓越高電子撞擊金屬粉末時就會具有更高的動能，飛散現象就會更嚴重。

因此，本發明提出一種降低加速電壓的方式降低單個電子動能，從而避免電子束選區熔化成形過程金屬粉末飛散。但是如背景技術中所提到的，加速電壓降低必然帶來束斑尺寸的增大。現在普通電子束成形設備都是采用一組聚焦線圈對電子束進行聚焦，即只對電子束聚焦一次。一個電磁透鏡能夠實現的聚焦效果是有限的，當電子束發散比較嚴重時一個電磁透鏡很難滿足聚焦的要求。因此，本發明采用多級聚焦的方式改善和控制低加速電壓帶來的電子束的聚焦難的問題。

因此，本發明如圖1所示，提供一種電子束快速成形制造方法，包括如下步驟：

根據粉床成形工藝要求確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值P_b；然后根據D₀和粉末材料的密度計算金屬粉末的平均質量m₀；

根據所述金屬粉末平均粒徑D₀確定加速電壓U；加速電壓U小于等于臨界加速電壓U_c，所述臨界加速電壓U_c為單個電子撞擊使金屬粉末飛散的臨界值。

束流值I_b由加速電壓U和束流功率值P_b以及工藝要求確定；其中束流值I_b、束流功率值P_b和加速電壓U符合關系式：P_b＝U＊I_b。

使快速成形設備發射電子束，并將加速電壓調整至已經確定的加速電壓U，使加速電壓U小于或等于臨界加速電壓U_c；

所述臨界潰散加速電壓通過試驗測定不同金屬材料不同粉末特征參數的金屬粉末臨界發生潰散現象時獲得。

進一步，控制多級聚焦線圈(電磁透鏡)，將電子束多次聚焦，使照射在粉床上的束斑直徑達到d₀的要求；對電子束多次聚焦，使束斑達到設計要求的d₀，滿足如下原理：其中u為物距，v為像距，f為焦距。

最后，通過設備控制快速成形設備的其他部分完成快速成形零件的制造。

本發明一種電子束快速成形制造方法，通過根據粉床成形工藝要求，經過分析計算確定金屬粉末平均粒徑D₀、束斑直徑d₀和束流功率值P_b等參數，科學合理的輸出加速電壓，有效的控制了電子轟擊金屬粉末的速度，進而在保證成形要求的情況下避免了粉末潰散的問題。

本發明采用降低加速電壓的方式降低單個電子動能，從而避免電子束選區熔化成形過程金屬粉末飛散，確保了成形過程順利完成。同時采用多級聚焦的方式改善和控制低加速電壓帶來的電子束的聚焦困難的問題，實現電子束束斑更小并且可控。

本發明還可以獲得比現有電子束快速成形設備更小的束斑直徑，從而可以采用比現有電子束快速成形設備更細小的金屬粉末，從而獲得表面質量更好尺寸精度更高的金屬零件。可以根據不同零件特點和技術要求選擇束斑直徑的大小和粉末材料粒徑的大小，能夠提高成形效率和降低成形零件的生產成本。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。