[发明专利]一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法。用于实现当前3D打印技术及常规锻、铸方法难以实现的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的加工制造。它包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组、主控制系统、选丝及送丝系统、送丝控制管理单元、电子枪运动工作台、成形零件带载工作台、电源控制系统、电子枪电磁控制系统、电子枪运动控制单元、工作台运动控制单元、机器视觉识别装置、图像处理单元、熔丝路径规划系统；该装置载丝种类多且量大，可以大幅提高异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件加工制造的生产效率；电子束源根据熔化丝材的材质，实时调节输出功率，满足其熔化沉积成形的需求。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体的说，是一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，本发明还涉及实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造方法。

背景技术

增材制造技术是近二十年来制造技术领域的一次重大革新，是一种能有效缩短研制周期、降低成本，并且能制造一些采用常规技术难以制造的形状复杂的零部件新型制造技术，采用增材制造技术可以快速、直接、准确地将设计思想转化为具有一定结构性能的零件。

当前，增材制造装置主要有以等离子、电弧、电子束、激光等为热源装置。

以等离子或电弧为热源的增材制造技术，由于其弧柱截面积大，使加热区域很大，难以应用于选区熔化，当前主要应用于熔丝增材制造。但由于这两种热源都是在大气环境下工作，难以用于钛合金等高附加值材料的快速制造；此外这两种热源的弧柱难以大幅压缩，导致单位面积热输入极小，也很难用于带有高熔点材料的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的制备。

以电子束为热源的增材制造技术包括电子束选区熔化增材制造和电子束熔丝增材制造，这两种技术工作模式差别较大。电子束选区熔化增材制造除了真空电子束装置以外，还需要送粉、铺粉、粉末回收、气氛控制等装置，一般用于小型复杂结构零部件的加工。如果制造异质叠层零部件，则成形一层材料后，在成形下一层材料前，需要全部更换粉缸内的金属粉末，清理粉末回收装置中的金属粉末；如此反复，使得生产效率及其低下。并且粉末清理很难做到百分之百干净，难免会使不同材质金属材料混合在一起，再次分离费时费力，很容易造成金属粉末的污染，难以回收利用。在当前技术条件下，电子束选区熔化制造异质叠层金属结构的零部件几乎不可能实现。

目前，国内外电子束熔丝成形技术一般都是用来制造同种材料的零部件，普遍采用单丝或双丝送丝装置，按照预定轨迹成形出零部件。如果需要制备异质叠层金属结构、内埋异种材料的零部件，现有装置需要频繁启/停电子束源和真空系统、更换不同材料丝材，对于小型电子束熔丝试验装置，用于试验研究，勉强能够使用。但对于大型结构的零部件，真空室体积相对要大得多，频繁启/停大型真空系统，使得生产效率难以大幅提高；频繁更换丝材，使得成形零部件质量难以保障。

现有电子束熔丝沉积增材制造装置已经难以适应异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的制造需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法，实现当前3D打印技术及常规锻、铸方法难以实现的异质叠层金属结构、内埋特种材料零部件的加工制造。

为解决上述技术问题，本发明一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置，包括电子枪、高压电源、真空室及真空泵组，还包括：

主控制系统，用于对选丝及送丝、电子枪运动、电源参数、真空检测控制、熔丝路径规划进行统筹控制，接收相关子系统的反馈信息，并发出工作指令；

至少两套选丝及送丝系统，用于实现装载丝、选丝及送丝过程，每套系统包括选丝装置、送丝装置、载丝器；

送丝控制管理单元，送丝控制管理单元根据主控制系统发出的指令，确定可以运行的选丝及送丝系统，选丝装置根据所获得的指令，决定该系统中的一个载丝器电机正转，对外输出丝材，另外一个载丝器电机保持停止状态；