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扫描电子束三维成型的研究

陈云霞  
【摘要】: 电子束快速成型技术(Electron Beam Rapid Prototyping)是电子束加工技术与快速成型技术结合而产生的一种新技术,不仅可以充分利用电子束真空加工环境、高能量密度、扫描速度快、精密控制等优点,而且可以充分发挥快速制造的无需工模具、开发周期短及制造成本低等优势,预计将在汽车、航空航天及医疗等领域得到快速发展和应用。但目前在世界范围内的研究者还较少,目前基于电子束的金属零件快速制造工艺研究方面的报道在国际上刚刚出现,而设备研究方面的成果则未见报道,国内尚无该技术及设备研究方面的报道。 现有的电子束熔化技术EBM和电子束实体自由制造技术EBSFF都是采用固定的电子束聚焦电流,电子束焦点始终都是保持在同一个空间高度上,完成一层熔敷加工之后依靠传动机构将工件向下移动,然后在其上面再熔敷新的一层粉体,实际上还是依靠电子束二维扫描运动来完成的;构件Z方向上的运动是由计算机、控制卡、传感器、电机及驱动装置来控制完成的。由于传动机构的惯性不可避免地带来一定的滞后和误差;而且通过机电传动机构调节工作台上下移动,势必导致真空室的空间尺寸增加。 论文在调查国内外电子束快速成型技术研究的基础上,结合扫描电子束的优点,开发出一种新型的电子束快速成型工艺。提出了工作台保持不动,用控制软件替代Z向的机械传动装置,通过控制电子束前进路径上的附加偏转线圈磁场和聚焦线圈磁场的电流信号,实现了电子束运动轨迹三维同时可控。提高了整个成型系统的加工精度和生产效率。 以通用的电子束焊接设备为基础,设计开发了一套三维扫描电子束快速成型系统,构建了成型控制系统的硬件平台与软件平台。硬件平台包括成型系统(真空电子束焊机和聚焦扫描系统)、成型控制系统(工业控制计算机、触摸屏、可编程控制器)、温度采集系统(红外测温仪、数据采集卡和工控机)。基于硬件平台完成了控制系统软件设计,软件平台包括电子束焊机自动运行控制、CAD模型数据处理、成型温度闭环控制以及计算机与触摸屏、PLC之间的接口程序。控制系统软件界面友好、操作方便,运行可靠。 本文对快速成型的模型的切片方式进行了详细的研究。分析了各个切片方法的优缺点,指出了AutoCAD直接切片的可行性。作者在AutoCAD造型软件基础上进行了直接切片数据格式研究,利用AutoCAD宏开发了AutoSlice软件,可从任意复杂的CAD模型中快速地直接提取切片截面轮廓信息,采用BMP格式文件存储模型切片的轮廓信息,解决了构造模型的三维数据提取问题;作者基于LABVIEW IMAQ vision图象处理软件,开发了BMP数据读取程序,成功地解决了AutoCAD造型和电子束扫描控制系统之间数据传递难题。 论文对现有的二维截面造型的扫描填充方法进行了深入分析,对于复杂的截面轮廓,提出了轮廓偏置和分区扫描相结合的复合扫描填充算法。新的算法依据优化规则先将整个层面分为若干个连贯的小区域,然后在每个小区域内采用轮廓偏置填充,这种算法具有轮廓偏置扫描精确度高和分区扫描高效稳定的特点,可以适用于多种快速成型工艺,并通过实例证明本文提出的算法是正确和稳定可靠的。 针对电子束焦点难以直接测量的问题,本文提出一种利用电子束流与金属粉末相互作用产生的熔池温度极值效应测量电子束流焦点的方法。论文分析讨论了电子束流焦点位置的影响因素,通过试验研究了电子束加热过程中粉末熔池温度与聚焦电流的函数规律,发现温度-聚焦电流关系函数的极大值即为聚焦电子束能量密度分布状态的临界转变点。基于扫描电子束粉末烧结过程的这种临界温度特性,论文提出了一种测量电子束加工过程动态焦点的方法,即变焦-临界温度极值检测的焦点测量法。实现了电子束焦点位置的快速、高效地检测与定位控制。 论文研究了电子束快速成型过程的一种改进型PID控制器自整定方法。建立了以电子束快速成型金属粉末熔池温度为被控对象的数学模型,实现了电子束快速成型温度闭环控制,对四种控制方案的仿真和试验结果进行比较,发现参数模糊自整定PID控制策略具有调节时间短、超调量小、稳态误差小以及抗干扰能力强等非常理想的性能指标。 对3DSEB快速成型机理进行了系统的研究,建立了3DSEB烧结成型物理模型,通过理论分析得出了电子束烧结成型的两个必要条件,即电子束扫描间距必须同时小于最大烧结宽度和最大烧结深度。论文研究分析了电子束电流、扫描时间、扫描频率及扫描点数等工艺参数对单层烧结深度的影响,发现随着电子束电流的增大、扫描时间的延长、扫描频率及扫描点数的增多,单层烧结深度逐渐增加,其中电子束电流对单层烧结深度的影响最为显著。 针对形状不规则的扫描轨迹能量密度分布不均匀的问题,提出一种通过调整扫描轨迹上扫描点的分配来避免局部区域能量过于集中的方法,从而可以对成型件的成型效果进行控制。工艺试验结果表明在能够满足扫描轨迹精度要求情况下,减少扫描轨迹拐角处扫描点数,可使烧结截面能量密度分布趋于均匀。 本文基于LABVIEW语言和VISUAL LISP语言的软件和3DSEB快速成型控制模型,开发了基于模块化和可视化的电子束烧结成型控制系统的软件。系统软件分为5个模块:AutoCAD三维模型构造与显示模块、模型切片模块、切片填充模块、电子束焊机运行控制模块以及烧结温度闭环控制模块。论文开发的软件集成系统实现了从温度采集、数据处理、电子束空间运动轨迹定位、烧结成型温度闭环控制的整个过程的控制,并通过圆柱形、四瓣梅花柱3D烧结造型验证了软件系统的可靠性。


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