[发明专利]具有实时原位检测功能的增材制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种具有实时原位检测功能的增材制造装置及方法，增材制造装置利用二次电子逐层检测成形件质量，其中，增材制造装置包括：成形区域、电子束发射聚焦扫描装置、二次电子采集装置和控制器。所述控制器控制所述电子束发射聚集扫描装置对所述成形区域进行扫描，同时控制所述二次电子采集装置采集电子束扫描过程中的二次电子信号和电子束偏转信号，并对信号进行数据处理生成图像、分析成形质量和进行工艺反馈控制。本发明实施例的增材制造装置可以实时对电子束选区熔化熔融层和粉末床质量进行监测，及时发现和识别缺陷并进行修复，提高电子束选区熔化工艺的良品率和有效避免打印异常造成的材料和时间的浪费。

技术领域

本发明涉及电子束增材制造技术领域，特别涉及一种具有实时原位检测功能的增材制造装置及方法。

背景技术

电子束选区熔化技术是一种先进的制造方法，具有材料成形热应力小等特点，可成形不锈钢、镍基高温合金、钛铝合金、钛合金、铜合金等难成形金属材料，已广泛应用于汽车制造、航空航天、生物医疗等领域。

但是由于电子束成形熔融过程具有高度动态的特点，目前电子束选区熔化工艺存在诸如翘曲变形、球化、分层等宏观缺陷和夹渣、气孔、未融合等内部冶金缺陷，导致零件不可用或机械性能低下，无法满足实际的使用要求，造成材料和时间的极大浪费，甚至可能造成严重事故。因此对工艺进行原位实时检测显得尤为重要。目前对EBSM工艺的监测和检测主要基于可见光、红外光等光学介质，由于受到EBSM工艺高温度、高蒸镀、强辐射等影响，检测精度低，可持续性差。

近年来，电子光学被引入EBSM工艺监测，相关技术中，利用背散射电子来检测电子束选区熔化工艺过程，如，(1)在成形平面的正上方较远距离处布置与电子枪同轴的背散射电子探测器；(2)将电子束增材制造设备成形室内的屏蔽罩整体作为电子接收器，收集由电子束与材料表面作用产生的大部分二次电子和背散射电子。但是，相关技术的检测系统对渐变形貌的区分度不高，仅对微观缺陷和熔融层与粉末层的边界敏感，难以准确获取表面高度起伏信息，此外无法准确判断缺陷的种类。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有实时原位检测功能的增材制造装置，本发明的另一个目的在于提出一种具有实时原位检测功能的增材制造方法。利用该装置和方法可以实时对电子束选区熔化熔融层进行监测，发现和识别缺陷并及时修复，提高电子束选区熔化工艺的良品率。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种具有实时原位检测功能的增材制造装置，所述增材制造装置在成形过程中利用二次电子检测成形件质量，其中，所述增材制造装置包括：成形区域，所述成形区域位于成形真空室内部；电子束发射聚焦扫描装置，所述电子束发射聚焦装置位于所述成形区域上方，利用电子束扫描成形区域，且扫描范围覆盖所述成形区域；二次电子采集装置，所述二次电子采集装置用于采集电子束扫描成形区域时产生的二次电子信号，并将所述二次电子信号转化为数字信号；控制器，所述控制器用于控制所述电子束发射聚集扫描装置对所述成形区域进行扫描处理，并控制所述二次电子信号采集装置采集电子束扫描过程中的二次电子信号和电子束偏转信号，并对所述信号进行数据处理生成图像、分析成形质量和进行工艺反馈控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述二次电子采集装置包括：至少两个二次电子探测器，所述二次电子探测器位于所述成形真空室内部，侧置于所述成形区域的近距离处；电流放大器，所述电流放大器的多个输入端分别连接所述至少两个二次电子探测器，将二次电流信号放大后输入AD采集卡；AD采集卡，所述AD采集卡的多个采样通道均与所述电流放大器相连，且与所述控制器相连，所述AD采集卡的另外两路输入通道连接所述电子束发射聚焦扫描装置的偏转线圈，同步采集偏转线圈的驱动信号。

另外，根据本发明上述实施例的具有实时原位检测功能的增材制造装置还可以具有以下附加的技术特征：