[发明专利]一种丝束同轴的电子束熔丝增材制造设备

说明书

本发明涉及一种丝束同轴的电子束熔丝增材制造设备。该设备包括控制系统以及分别与其电联接的环形束斑冷阴极电子枪、送丝系统、高压加速电源、束流调控系统，气流控制系统、冷却系统、聚焦控制电路、丝端位置检测系统、真空室和设在真空室内的三维运动机构，其中，控制系统基于PLC与CNC构建，电子枪包括上部的环形阴极、下部的锥形阳极及轴向贯穿阴极与阳极的导丝管，阴极连接高压加速电源和冷却系统，阳极的下部锥形出口端连接真空室，三维运动机构用于驱动工作台在三维方向运动，控制系统控制送丝系统将金属丝材通过导丝管从阴极入口端向阳极出口端穿出，控制系统控制束流调控系统、气流控制系统、聚焦控制电路和丝端位置检测系统。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种丝束同轴的电子束熔丝增材制造设备。

背景技术

电子束熔丝增材制造技术经过多年的发展，其技术日趋成熟。现有电子束熔丝增材制造技术按照束源特性和丝材进给方式可定义热阴极电子枪轴侧送丝的熔丝增材制造技术。与其它3D打印技术相比，电子束熔丝增材制造技术的优势体现在大型金属构件的高质量、高效快速制造。

目前，国内外的研究机构研制的电子束熔丝增材制造设备均是基于热阴极电子束源技术，通常采用室外定枪或室内动枪轴侧送丝技术，尚未最大程度体现出电子束熔丝增材制造技术的优势。

现有技术存在的不足有：在快速成形大型金属构件过程中，热阴极电子枪轴侧送丝的熔丝增材制造设备由于热阴极电子枪灯丝寿命有限，频繁更换灯丝会影响成形效率和成形质量；热阴极电子束源功率提升空间有限，使得熔丝沉积效率难以大幅提高；复杂的丝束对中机构，要求操作人员经验十分丰富才能适应；金属丝材从电子束轴侧送进，金属丝材熔化金属向沉积区与过渡方式很难控制到理想状态，要实现金属液滴“搭桥”过渡，需要复杂的闭环控制技术，检测熔滴过渡模式，通过精密图像识别系统获得与熔滴、熔池对应的电信号，并将其作为反馈量，调节送丝速度或束流功率来实现，极大增加控制系统的设计制造难度及其制造成本；热阴极束流发生系统的阴极加热电源悬浮于加速高压电源上，阴极加热电源设计制造技术难度大，对于大功率热阴极电子束流发生系统，阴极加热电流需要达到几十甚至上百安培，采用高压电缆将电流传输到热阴极电子枪，高压电缆的选择需要考虑高压绝缘、传输损耗、电流容量等因素，功率越大的热阴极电子束流发生系统，高压大电流传输的难度越大。对于室内动枪的熔丝增材制造设备，高压电缆弯曲半径大，极大压缩熔丝成形的有效加工区域，为了制造大型结构成形零件，需要制造大型真空室才能满足要求，导致设备制造成本急剧增加；与热阴极电子束源技术相比，在大功率、恶劣真空环境下应用的冷阴极电子束源技术具有显著优势，冷阴极电子束源技术起源于1970年的前苏联，乌克兰国立科技大学所研制的基于冷阴极电子束源的设备已经广泛应用于真空冶炼、EB-PVD、材料表面处理等技术领域。

冷阴极电子束源不仅阴极寿命长，还可获得环形束斑，有利于发展出丝束同轴熔丝增材制造技术。

因此，针对上述不足，发明人提供了一种丝束同轴的电子束熔丝增材制造设备。

发明内容

本发明实施例提供了一种丝束同轴的电子束熔丝增材制造设备，能够降低灯丝更换频率，显著提高电子枪阴极使用寿命，解决了现有现有电子束熔丝增材制造技术的成形质量差，熔丝沉积效率低，对操作人员经验的依赖程度高的问题。