本實用新型涉及電子束加工設備技術領域，具體涉及一種送絲型電子束增材制造設備。

背景技術：

送絲型電子束增材制造設備工件制造需要真空環(huán)境。然而，由于電子束增材制造設備自身的工作特點，其真空環(huán)境內不可避免地存在高溫、強光、X射線、金屬粉末污染、電磁場等干擾因素。因此，現有送絲型電子束增材制造設備還存在下列兩個缺點有待攻克：

①由于工件在不同材料和不同的尺寸下會產生不同程度的收縮，以及送絲過程金屬絲帶抖動等原因，因此送絲型電子束增材制造設備在工件制造過程中，工件尺寸不易精確控制。雖然原理上采用負反饋控制技術可克服此難題，但問題在于此類真空環(huán)境下，常用的在線監(jiān)測手段如光電傳感器、聲吶傳感器、無線電傳感器都不適用，即負反饋的信號檢測技術無法解決。再者制造過程金屬熔池中雜質飛濺造成工件制造層表面缺陷亦需及時監(jiān)測及修補。

②送絲型電子束增材制造設備的絲盤放在真空室中，當制造大型工件時，需要更換新絲盤，此時必須使真空室放氣。為避免工件氧化，需要使工件冷卻到較低溫度再充氣。而真空中工件冷卻十分緩慢，大型工件冷卻下來需要幾個到數十個小時。更換絲盤后需再重新抽真空，因此更換絲盤耗費大量時間，制造工件的效率將很低。另外更換絲盤后工件從冷態(tài)基材上繼續(xù)生長，會引起工件各部分物理或化學性能的變化，即工件性能的一致性較差。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是現有送絲型電子束增材制造設備無法實現在線監(jiān)控的問題，提供一種送絲型電子束增材制造設備。

為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的：

送絲型電子束增材制造設備，包括中央控制單元、電源系統、送絲系統、冷卻液循環(huán)系統、抽真空系統、真空室、運動裝置、電子槍、走線槽和工作臺；中央控制單元、電源系統、送絲系統的室外部分、冷卻液循環(huán)系統、抽真空系統設置在真空室外部，送絲系統的室內部分、運動裝置、電子槍、走線槽和工作臺設置在真空室的內部。不同之處是，電子槍還進一步裝設了偏掃裝置和二次電子接收裝置，偏掃裝置和二次電子接收裝置通過電源裝置與中央控制單元連接；當電子槍發(fā)出的電子束加工完工件一固定段的制造層后， 由中央控制單元控制偏掃裝置的勵磁電流，使得電子槍的電子束回頭快速掃描該固定段的制造層，二次電子接收裝置將回掃過程中接收到的二次電子信號傳送到中央控制單元，由中央控制單元同步記錄該固定段上各掃描點二次電子信號；掃描結束后，中央控制單元對記錄的二次電子信號數據進行分析處理，判斷該固定段的制造層的邊緣是否達到希望值，以及判斷該固定段的制造層是否存在空洞缺陷，以便及時進行修補。

上述方案中，送絲系統由支架、絲盤、金屬絲帶、對焊機、動密封裝置和送絲機組成；支架、絲盤、金屬絲帶、對焊機設置在真空室的外部，送絲機設置在真空室的內部；纏繞有金屬絲帶的絲盤安裝在支架上，金屬絲帶經由設置在真空室上的動密封裝置連至送絲機；對焊機位于在絲盤和動密封裝置之間；送絲機由中央控制單元控制把金屬絲帶送至電子槍的下方和制造層的上方，并被電子束所熔化，熔化的金屬液落在制造層上；當一盤金屬絲帶用完后更換另一盤金屬絲帶時，由對焊機將上盤金屬絲帶的末端與下盤金屬絲帶的始端焊接在一起，以實現繼續(xù)送絲。

與現有技術相比，本實用新型具有如下特點：

1、解決了工件制造過程在線監(jiān)控問題，提高制造精度，降低或消除制造缺陷。

2、解決了連續(xù)送絲問題，提高制造效率。

附圖說明

圖1為本實用新型電子束增材制造設備組成示意圖。

圖2為圖1中電子束增材制造設備電子束區(qū)域掃描示意圖。

圖中標記：1、中央控制單元；21、電源裝置；22、外接電纜；23、入室電纜；24、真空電纜接頭；31、支架；32、絲盤；33、金屬絲帶；34、對焊機；35、動密封裝置；36、送絲機；41、冷卻液循環(huán)裝置；42、冷卻液管；43、冷卻液出入裝置；51、真空泵機組；52、真空管道；53、真空法蘭；6、真空室；7、運動裝置；8、電子槍；81、偏掃裝置；82、二次電子接收裝置；83、電子束；9、走線槽；10、工作臺；11、工件；12、制造層；13、掃描區(qū)域。

具體實施方式

一種送絲型電子束增材制造設備，如圖1所示，主要由中央控制單元1、電源系統、送絲系統、冷卻液循環(huán)系統、抽真空系統、真空室6、運動裝置7、電子槍8、走線槽9和工作臺10組成。中央控制單元1、電源系統、送絲系統的室外部分、冷卻液循環(huán)系統、抽真空系統設置在真空室6外部，送絲系統的室內部分、運動裝置7、電子槍8、走線槽9和工作臺10設置在真空室6的內部。

中央控制單元1：負責整臺設備的控制與監(jiān)測，包括電子束83參數的設 定、工件11三維CAD模型進行分層切片的數據處理等。中央控制單元1通過與電源裝置21進行實時數據交換完成以上功能。

電源系統：由電源裝置21、外接電纜22、入室電纜23和真空電纜接頭24組成。電源裝置21包括送絲系統的控制電源、冷卻液循環(huán)系統的控制電源、抽真空系統的控制電源、運動裝置7的驅動電源、電子槍8的電源以及工作臺10的驅動電源。電源裝置21由外接電纜22與真空室6外部的用電部件連接，如把各自的控制電源分別送至真空室6外的送絲系統、冷卻液循環(huán)系統和抽真空系統對應的用電部件上。電源裝置21由入室電纜23通過真空電纜接頭24與真空室6內部的用電部件連接，如提供送絲系統送絲機36的控制電源、運動裝置7的驅動電源、電子槍8的電源以及工作臺10的驅動電源。真空電纜接頭24的結構具有真空密封和防X射線泄漏功能。

送絲系統：由支架31、絲盤32、金屬絲帶33、對焊機34、動密封裝置35和送絲機36組成。送絲機36由中央控制單元1控制把金屬絲帶33送至電子槍8的下方和工件11的制造層12的上方，并被電子束83所熔化，熔化的金屬液落在工件11的制造層12上。絲盤32放在真空室6的外面，一盤金屬絲帶用完后更新絲盤32，由對焊機34將金屬絲帶33焊接在一起繼續(xù)送絲。金屬絲帶33經動密封裝置35引入真空室6內部，動密封裝置35的結構具備真空動密封和防X射線泄漏功能，其動密封有兩種結構形式，一種針對圓形(包括橢圓形)截面的金屬絲帶，另一種針對矩形(包括方形)截面的金屬絲帶。絲盤32放置在大氣狀態(tài)下的真空室外，采用動密封方式引入真空室內部，絲盤32更換過程不需對真空室放氣，從而使得本實用新型解決了連續(xù)送絲問題，提高制造效率。

冷卻液循環(huán)系統：由冷卻液循環(huán)裝置41、冷卻液管42和冷卻液出入裝置43組成。冷卻液出入裝置43的結構具有真空密封和防X射線泄漏功能。冷卻液循環(huán)系統冷卻真空室6內運動裝置7、電子槍8、工作臺10、送絲機36等需要冷卻的部件。

抽真空系統：由真空泵機組51、真空管道52和真空法蘭53組成，真空法蘭53的結構使得真空管道52與真空室6連通并具備防X射線泄漏功能。抽真空系統作用是維持真空室6內部氣體壓力為1×10^-3P_a～1×10^-1P_a的工作環(huán)境。

真空室6：由30～35mm厚的鋼板焊接加工而成，真空室6的壁、門及壁、門上所開的窗和孔都需能耐1個大氣壓力，同時具備真空密封和防X射線泄漏功能。

運動裝置7：提供電子槍8及送絲機36的三軸運動，以及電子槍8的一維傾斜。

電子槍8：產生電子束83并接收二次電子信號。電子槍8裝設了偏掃裝置81和二次電子接收裝置82，每制造完一固定小段制造層12后，電子束83回頭快速掃描如圖2所示。掃描區(qū)域13相對電子槍8的位置不變，由中央控 制單元1通過控制偏掃裝置81的勵磁電流來控制掃描區(qū)域13的掃描軌跡，并由二次電子接收裝置82同步接收掃描軌跡上各點二次電子信號并發(fā)送到中央控制單元1。掃描結束后，中央控制單元1對接收到的二次電子信號數據進行分析處理，判斷掃描區(qū)域13內制造層12的邊緣是否達到希望值，以及判斷掃描區(qū)域13內制造層12是否存在空洞缺陷，以便及時進行修補。從而使得本實用新型解決了工件11制造過程在線監(jiān)控問題，降低或消除制造缺陷。

走線槽9：固定真空室6內的電纜和冷卻液管，同時提供金屬絲帶走帶通道，以及提供隔熱保護。走線槽9有部分固定在真空室6內壁上，有部分固定在運動裝置7上直達電子槍8并跟隨電子槍8同步運動。

工作臺10：固定工件11，并可執(zhí)行旋轉和一維傾斜運動。

本實用新型送絲型電子束增材制造設備的工作過程：

第一步：準備過程，包括穿絲、固定基板、抽真空和生成工藝參數。

①穿絲：把絲盤32掛在支架31上，拉出金屬絲帶33，讓金屬絲帶33依次穿過對焊機34、動密封裝置35、走線槽9和送絲機36直達電子槍8下方。

②固定基板：將一塊金屬基板固定在工作臺10上，工件11將在該金屬基板上生長出來。金屬基板的成分與工件11的成分一致或接近。

③抽真空：關閉真空室6門，啟動冷卻系統，依次啟動真空泵機組51及電子槍的分子泵，直到真空室6內部真空度和電子槍8內部真空度都達到工作要求。

④生成工藝參數：中央控制單元1根據要制造的工件11的三維CAD模型由數據處理軟件進行分層切片處理，形成加工軌跡；設定電子束參數及送絲速度后，數據處理軟件自動生成數控加工程序。

第二步：制造工件。

真空室6的真空條件達到后，啟動電子槍8的電源產生電子束83，在工件11上形成熔池，運動裝置7帶動電子槍8和送絲機36運動和/或工作臺10帶動工件11旋轉，同時金屬絲帶33在電子束83作用下熔化，按照預定加工路徑堆積。

每制造完一固定小段制造層12后，電子束83回頭快速掃描如圖2所示。掃描區(qū)域13相對電子槍8的位置不變，由中央控制單元1通過控制偏掃裝置81的勵磁電流來控制掃描區(qū)域13的掃描軌跡，并同步記錄掃描軌跡上各點二次電子信號。掃描結束后，中央控制單元1對記錄的二次電子信號數據進行分析處理，判斷掃描區(qū)域13內制造層12的邊緣是否達到希望值，以及判斷掃描區(qū)域13內制造層12是否存在空洞缺陷，以便進行及時修補。

當完成一個制造層的制造后，電子槍8上升一個制造層厚的固定高度，進行上一制造層的制造，各制造層間形成冶金結合，層層堆積。

第三步：換絲。

中央控制單元1檢測到絲盤32上的金屬絲帶33快用盡了便發(fā)出換絲提示，同時關閉電子束83，停止送絲機36送絲，停止運動裝置7和工作臺10運動，中央控制單元1記錄了沖斷點信息。此時絲盤32更換新的，對焊機34將金屬絲帶33焊接在一起，焊接點進行修邊處理，使得焊點平滑。換絲結束后中央控制單元1從沖斷點重復第二步工作。若在送絲系統中增設儲絲裝置，那么換絲過程就不需中斷工件11的制造工作。

第四步：工件冷卻。

工件11制造過程不斷重復第二步和第三步直至制造出所需的工件11，然后關閉電子槍8的電源和停止送絲系統工作，停止運動裝置7和工作臺10運動，真空泵機組51和冷卻液循環(huán)裝置41維持運轉狀態(tài)。制造好的工件11在真空狀態(tài)下冷卻，冷卻時間由工藝要求設定。冷卻結束，停止真空泵機組51和冷卻液循環(huán)裝置41工作，最后取出工件11。

另外本實用新型電子束增材制造設備采用內置電子槍結構，有利于提高真空室的利用率。但采用外置電子槍結構的電子束增材制造設備，如果采用二次電子信號來監(jiān)控制造過程技術以及采用外部動態(tài)密封送絲技術都屬于本實用新型保護范圍。