[发明专利]一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统

说明书

本发明涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，属于电子束成形制造监控技术领域。在进行电子束熔丝沉积过程同时，对工件进行预热和随行热处理。同时实时采集预热区域、熔池区域和随行热处理区域的背散射电子信号，分别将生成的预热区域图像用于沉积过程的路径规划，熔池区域图像用于熔池热输入的闭环控制，随行热处理区域图像用于成形件的缺陷检测。本发明监控系统，可以根据需要，方便的调整预热、加工和热处理的功率大小。本发明的监控系统基于背散射电子成像原理，可以适应大束流高金属蒸气的环境。同时可实时成像，无需离线进行单独的成像扫描，提高了生产效率。

技术领域

本发明涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，属于电子束成形制造监控技术领域。

背景技术

工艺可重复性和质量一致性是衡量该生产制造技术的关键，这在航空航天、医疗领域尤为重要。然而电子束成形制造过程中环境参数多变，例如设备参数的不稳定、成形过程中的热积累、金属材料成分的变化等。这使得仅依靠传统的技术无法实现成形过程的连续稳定。近年来越来越多的电子束成形制造生产商将过程监控技术增加到设备中去，其中最多的就是视觉监控技术。然而在电子束成形制造加工环境中存在很强的金属蒸气污染，这是由于局部的高温使得大量金属原子蒸发，观察窗的光学玻璃很快被蒸镀上一层金属膜而无法观察。

与传统的光学监控系统相比，利用电子束轰击工件表面产生的背散射电子和二次电子也可对工件进行清晰有效的监控。例如中国专利CN106180718A，公开了一种具备在线检测功能的电子束快速成型设备及其运行方法，其工作原理是对成形后的工件表面进行小束流电子束扫描，二次电子收集器接受电子束微束扫描过程产生的二次电子信息，中央控制单元采集返回的二次电子信息进行成像，以此检测制造层是否存在缺陷。该专利技术的缺点是二次电子由于自身能量较低，自工件运动至传感器的飞行时间较长，成像时间较长，只能在加工完一层后，在成形间歇期进行在线成像，而不能在成形期间进行实时成像，这降低了整个成型过程的生产效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，用于在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，通过分时复用的方式，将电子束快速偏转依次扫描预热区域、加工区域和热处理区域，在进行电子束熔丝沉积过程中的预热、熔丝加工和随行热处理。以实现沉积前的路径规划和沉积后的缺陷检测，同时可保证熔池区域大小稳定，进而保证成形过程和产品质量的一致性。

本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，包括：电子枪阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈、背散射电子传感器、数据采集卡、工控机、波形发生卡、驱动器和显示器；所述的电子枪阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈和背散射电子传感器依次由上而下同轴安装，同轴安装后的电子枪阴极、偏压杯、阳极、聚焦线圈、偏转线圈和背散射电子传感器置于待沉积增材制造工件的上方，使电子枪阴极发射的电子束经加速、偏转后聚焦到待沉积增材制造工件的表面；

所述的数据采集卡用于通过信号线采集背散射电子传感器的电压信号，并将该电压信号通过信号线发送至工控机；

所述工控机，用于根据接收到的电压信号，通过图像处理程序生成待沉积增材制造工件表面的图像信息，并计算出当前电子枪阴极的电流控制信号、偏压杯的电子束束流控制信号、阳极的加速电压控制信号、偏转线圈的控制信号和聚焦线圈控制信号，并将控制信号发送到波形发生卡；

所述的波形发生卡，用于根据工控机产生的控制信号，生成相应的波形控制信号，并将该波形控制信号通过信号线发送给驱动器；

所述的驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，分别控制电子枪阴极、偏压杯、阳极、偏转线圈和聚焦线圈；

所述显示器，用于将工控机生成的待沉积增材制造工件表面的图像信息显示在屏幕上。

本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控系统，其优点是：