粉床式電子束增材制造中熱應力的控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及技術領域，尤其涉及一種粉床式電子束增材制造中熱應力的控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]增材制造(3D打印)是一種通過連續熔合一個以上薄層的材料來構建三維物體的制造技術。粉床式電子束增材制造是增材制造技術路線的一種，其基本的工藝步驟如下:粉末供應與鋪平系統將粉末材料在工作平臺上鋪展成薄層，高能量密度的電子束在粉末層上掃描三維物體的一個截面;之后，工作平臺下降一個粉末層厚度的距離，在工作平臺上鋪一層新的粉末，射線掃描三維物體的下一個截面;重復以上步驟，直至該三維物體制造完成。
[0003]在電子束熔化粉末材料時，熔池溫度高，粉末層溫度低，兩者之間溫度差較大，會產生較大的熱應力。熱應力會導致裂紋、變形等制造缺陷。為減小熱應力，粉末層的熔合一般分為以下兩個步驟:1)電子束預熱粉末層。粉末層溫度被電子束預熱至一定溫度，但不會發生熔化;2)電子束在粉末層上熔化一個截面。截面內的粉末材料被電子束掃描、被熔化并與上一層結合。由于粉末層被預熱至一定溫度，熔池與粉末層的溫度差減小，制造過程中的熱應力降低，減小了缺陷出現的幾率。
[0004]但是，現有的上述方法存在熔化過程中前后熱應力不一致的情況。即:電子束掃描截面需要一定時間。當電子束掃描截面時，粉末層的截面以外的區域的溫度不斷降低。造成的情況是:隨著掃描的進行，熔池與粉末層之間的溫度差不斷增大，熱應力不斷升高。這種熱應力前后不一致的現象會對制造產生不利影響。特別是，當截面較大時，電子束掃描截面耗時較長，熱應力的前后差別很大，不利影響更為明顯。
[0005]授權公告號為CN1235705C的專利公布了一種生產三維物體的設備和方法，其具體公開了通過在真空室上方外側設置攝像頭(攝像機)，并在真空室上設置透明的玻璃觀測窗口，攝像頭(攝像機)透過該觀測窗口得到溫度分布矩陣Tij-measured，并與給走溫度Tij-desired進行比較，兩者的差值為ΛΤ^。當ATlj大于某個臨界值，則需要對電子束的能量輸入做出相應調整，比如電子束掃描截面后的溫度過高，則需要在下一層的掃描中減小電子束功率或提高掃描速度。如果電子束掃描截面后的溫度過低，則電子束再次掃描截面，使其溫度升高至預定值附近。如果截面以外的粉末層溫度過低，則需要利用電子束或外部加熱裝置加熱粉床，使其溫度升高至預定值附近。但是其依舊存在著熱應力前后不一致的問題。
[0006]而且上述設備中，采用透明膜遮擋觀測窗口，并不斷卷繞、送進新膜，維持膜和觀測窗口的透明度，以保證攝像機可以不間斷的拍攝，提高溫度檢測的準確度。但是，上述透明膜會受熱輻射和射線作用，往往會受熱變形、變脆、進而在卷繞過程中被撕裂，最終無法起到保持窗口具有足夠透明度的作用。并且，隨著透明膜不斷被卷繞，其越卷越厚，需要在真空室中預留較大空間，使得整體設備整體結構空間過大。
[0007]目前還有一種防止觀測窗口被蒸鍍污染的方法:采用擋板遮擋，在需要拍攝的時候打開擋板，攝像機拍攝圖像;拍攝完后，擋板關閉。如此，攝像機進行間斷地拍攝，每隔一段時間拍攝一副圖像，擋板則不停地重復打開/關閉動作。但是該種方法其擋板每次打開的時間較長，遠遠大于攝像機拍攝一副圖像需要的曝光時間。因此當擋板打開時，玻璃觀測窗口暴露于金屬蒸汽，重復打開很多次后，玻璃觀測窗口仍然會被蒸鍍污染，導致其更換頻率過尚。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種粉床式電子束增材制造中熱應力的控制裝置及方法，能夠更好的實現對增材制造中熱應力的控制，且能夠有效地保持玻璃窗口的透明度，降低了玻璃窗口的更換頻率。
[0009]為達此目的，本發明采用以下技術方案:一種粉床式電子束增材制造中熱應力的控制裝置，包括位于真空室外側的攝像機，所述真空室內部設有鋪設粉末層的成形缸，成形缸上方設有電子束發生裝置，所述電子束發生裝置與攝像機均連接于控制裝置，所述真空室上且沿攝像機拍攝方向設有透明的玻璃窗口，所述攝像機透過玻璃窗口對真空室內部拍攝圖像，且拍攝的圖像包含所述粉末層以及其溫度分布信息;所述玻璃窗口的一側設有密封穿過真空室且可轉動的轉軸，所述轉軸固接有位于真空室內的擋板，所述擋板由轉軸帶動在遮擋玻璃窗口的位置與錯開玻璃窗口的位置之間切換。
[0010]作為優選，所述真空室與轉軸之間通過磁流體密封件密封連接。
[0011 ]作為優選，所述擋板在遮擋玻璃窗口的位置與錯開玻璃窗口的位置之間切換的角度小于90° O
[0012]作為優選，所述擋板處于錯開玻璃窗口的位置的時間不小于攝像機拍攝一次圖像的時間。
[0013]作為優選，所述攝像機熱成像攝像機。
[0014]本發明采用攝像機透過玻璃窗口對真空室內部拍攝圖像，且拍攝的圖像包含粉末層以及其溫度分布信息，能夠更好的實現對增材制造中熱應力的控制。
[0015]通過設置能夠遮擋玻璃窗口的擋板，使玻璃窗口暴露于金屬蒸汽內的總時間大大減小，有效地保持玻璃窗口的透明度，玻璃窗口的更換頻率大大降低。
[0016]在轉軸與真空室之間采用磁流體密封，轉軸與磁流體密封元件之間的摩擦非常小，沒有磨損，可以靈活轉動，使得擋板在轉軸的帶動下能夠實現快速打開/關閉，有效地避免玻璃窗口較長時間的暴露在金屬蒸汽內，放置玻璃窗口被金屬蒸汽蒸鍍，進一步降低了玻璃窗口的更換頻率。
[0017]本發明還提供一種粉床式電子束增材制造中熱應力的控制方法，包括以下步驟:
[0018]開始粉末層熔合；
[0019]控制攝像機對所述粉末層進行攝像，獲取所述粉末層的粉末區的各點溫度值；
[0020]根據所述粉末層的粉末區的各點溫度值計算出所述粉末區的平均溫度值T;
[0021]將平均溫度值T與預設溫度下限值Tl以及預設溫度上限值T2比較，根據比較結果控制電子束發生裝置對所述粉末層進行處理；
[0022]結束粉末層熔合。
[0023]作為優選，所述控制攝像機對所述粉末層進行攝像包括:
[0024]控制轉軸帶動擋板從遮擋玻璃窗口的位置旋轉至錯開玻璃窗口的位置，并從錯開玻璃窗口的位置再次旋轉至遮擋玻璃窗口的位置；
[0025]所述擋板處于錯開玻璃窗口的位置時，控制攝像機透過玻璃窗口對粉末層進行攝像。
[0026]作為優選，所述根據比較結果控制電子束發生裝置對所述粉末層進行處理包括:
[0027]當T<T1時，控制電子束發生裝置發出電子束對所述粉末層進行預熱；
[0028]當Τ>Τ2時，控制電子束發生裝置發出電子束對所述粉末層進行截面熔化。
[0029]作為優選，所述控制電子束發生裝置發出電子束對所述粉末層進行預熱包括:
[0030]將所述粉末層分成η個子區域，所述η大于I;
[0031]控制電子束發生裝置發出電子束對第一個子區域掃描預設時間t，并沿同一方向依次對其余子區域掃描預設時間t;
[0032]當電子束對第η個子區域掃描預設時間t后，控制電子束發生裝置跳轉到第一個子區域未掃描部分，循環上述掃描過程至所述粉末層完全掃描完畢。
[0033]本發明通過將粉末層粉末區的平均溫度值與預設溫度值比較，控制電子束對粉末層進行預熱或熔化，使得粉末層溫度在進行截面掃描的過程中保持在一定溫度范圍之內，而且本發明中對于每層的熔合過程并不是遵循先預熱再熔化的順序，而是有可能在預熱和熔化之間切換多次，使掃描過程中的熔化區與粉末區之間的溫度差可控制在一定范圍內，熱應力也相應的在一定范圍內保持穩定，避免裂紋、變形等制造缺陷的出現。
[0034]而且本發明中采用設置多個子區域，進行分區掃描，使得各個子區域之間的溫度差別更小，溫度更均勻，不同區域內的熱應力更加一致。
【附圖說明】
[0035]圖1是本發明的控制裝置位于增材制造裝置上的結構示意圖；
[0036]圖2是本發明的擋板的結構示意圖；
[0037]圖3是本發明的控制方法的流程圖；
[0038]圖4是本發明的攝像機拍攝的圖像示意圖；
[0039]圖5是本發明的粉末層預熱模式的流程圖；
[0040]圖6是本發明電子束掃描分區示意圖；
[0041 ]圖7是本發明是三維實體零件的一個截面的部分截面示意圖。
[0042]圖中:
[0043]1、真空室;2、成形缸;3、電子束發生裝置;4、攝像機;5、玻璃窗口；6、轉軸;7、擋板；
8、磁流體密封件;9、粉箱；10、鋪粉平臺；11、鋪粉裝置；12、三維實體零件;21、成形缸筒;22、活塞;31、電子束;100、熔化區；101、粉末區；1100、掃描路徑。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0045]在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件