[发明专利]电子束同轴送丝增材制造设备及方法

说明书

本发明涉及一种电子束同轴送丝增材制造设备及方法，该设备的送丝喷嘴上方设有送丝矫直装置，由送丝矫直装置将金属丝送出，并经导向和矫直后送入送丝喷嘴；所述送丝喷嘴同轴设置在电子束枪系统中，并与电子束枪系统一起安装在电子束枪XYZ定位装置上，电子束枪XYZ定位装置置于成型基板上方，所述电子束枪XYZ定位装置在沉积控制器的控制下带动电子束枪系统、送丝喷嘴及金属丝准确移动和定位，使金属丝按设定的要求进行熔化和凝固，熔化的金属丝逐层沉积在由沉积控制器控制的可沿垂直轴旋转以及沿水平轴倾斜的成型基板上，形成一个所需要形状和结构的零件。本发明的设备及方法打印效率高、精度高，可实现金属结构件的增材制造。

技术领域

本发明涉及一种金属3D打印设备，尤其是一种采用电子束的金属3D打印设备。

背景技术

增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

目前可用于直接制造金属功能零件的主要金属3D打印工艺有：包括选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术、直接金属粉末激光烧结(Direct Metal LaserSintering，DMLS)、选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技术和电子束选择性熔化(Electron BeamSelective Melting，EBSM)技术等。

选择性激光烧结(SLS)，选择性激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、液相凝固粘接实现粉体致密化。由于烧结好的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度并且制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。

选择性激光熔化，SLM技术是在SLS基础上发展起来的，二者的基本原理类似。SLM技术需要使金属粉末完全熔化，直接成型金属件，因此需要高功率密度激光器激光束开始扫描前，水平铺粉辊先把金属粉末平铺到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，滚动铺粉辊再在已加工好的当前层上铺金属粉末，设备调入下一图层进行加工，如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在抽真空或通有气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。选择性激光熔化成型技术可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的成型件，但是成型范围小，成型效率非常低，成本高昂。

激光熔化沉积(Laser Metal Deposition，LMD)于上世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出，随后在全世界很多地方相继发展起来，由于许多大学和机构是分别独立进行研究的，因此这一技术的名称繁多，虽然名字不尽相同，但是他们的原理基本相同，成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过工作台或喷嘴移动，获得堆积的熔覆实体。LENS技术使用的是千瓦级的激光器，由于采用的激光聚焦光斑较大，一般在1mm以上，虽然可以得到冶金结合的致密金属实体，但是由于激光的效率低，金属吸收率不高，导致输入功率过大，凝固组织粗大，成型后零件结构性能下降，并且效率较低，成本较高。

直接能量沉积技术中还有电子束旁轴送丝技术，采用电子束作为能量源，旁轴送丝进行熔覆，电子束的能量利用率虽然比激光要高，但是由于旁轴送丝，一样需要较高能量才能熔化金属丝，导致金属丝直径不能过大，并且电子束枪功率大，熔覆过程中热量输入大，凝固后组织粗大，影响零件成型后的性能。

发明内容