掃描電子束三維成型的研究.pdf

1、電子束快速成型技術(shù)(Electron Beam Rapid Prototyping)是電子束加工技術(shù)與快速成型技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù),不僅可以充分利用電子束真空加工環(huán)境、高能量密度、掃描速度快、精密控制等優(yōu)點(diǎn),而且可以充分發(fā)揮快速制造的無需工模具、開發(fā)周期短及制造成本低等優(yōu)勢,預(yù)計(jì)將在汽車、航空航天及醫(yī)療等領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用。但目前在世界范圍內(nèi)的研究者還較少,目前基于電子束的金屬零件快速制造工藝研究方面的報(bào)道在國際上剛剛出現(xiàn),而

2、設(shè)備研究方面的成果則未見報(bào)道,國內(nèi)尚無該技術(shù)及設(shè)備研究方面的報(bào)道。
　　 現(xiàn)有的電子束熔化技術(shù)EBM和電子束實(shí)體自由制造技術(shù)EBSFF都是采用固定的電子束聚焦電流,電子束焦點(diǎn)始終都是保持在同一個(gè)空間高度上,完成一層熔敷加工之后依靠傳動機(jī)構(gòu)將工件向下移動,然后在其上面再熔敷新的一層粉體,實(shí)際上還是依靠電子束二維掃描運(yùn)動來完成的；構(gòu)件Z方向上的運(yùn)動是由計(jì)算機(jī)、控制卡、傳感器、電機(jī)及驅(qū)動裝置來控制完成的。由于傳動機(jī)構(gòu)的慣性不可避免地帶

3、來一定的滯后和誤差；而且通過機(jī)電傳動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)工作臺上下移動,勢必導(dǎo)致真空室的空間尺寸增加。
　　 論文在調(diào)查國內(nèi)外電子束快速成型技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合掃描電子束的優(yōu)點(diǎn),開發(fā)出一種新型的電子束快速成型工藝。提出了工作臺保持不動,用控制軟件替代Z向的機(jī)械傳動裝置,通過控制電子束前進(jìn)路徑上的附加偏轉(zhuǎn)線圈磁場和聚焦線圈磁場的電流信號,實(shí)現(xiàn)了電子束運(yùn)動軌跡三維同時(shí)可控。提高了整個(gè)成型系統(tǒng)的加工精度和生產(chǎn)效率。
　　 以通用的電子束

4、焊接設(shè)備為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)開發(fā)了一套三維掃描電子束快速成型系統(tǒng),構(gòu)建了成型控制系統(tǒng)的硬件平臺與軟件平臺。硬件平臺包括成型系統(tǒng)(真空電子束焊機(jī)和聚焦掃描系統(tǒng))、成型控制系統(tǒng)(工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、觸摸屏、可編程控制器)、溫度采集系統(tǒng)(紅外測溫儀、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī))。基于硬件平臺完成了控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),軟件平臺包括電子束焊機(jī)自動運(yùn)行控制、CAD模型數(shù)據(jù)處理、成型溫度閉環(huán)控制以及計(jì)算機(jī)與觸摸屏、PLC之間的接口程序?？刂葡到y(tǒng)軟件界面友好、操作方便,運(yùn)行

5、可靠。
　　 本文對快速成型的模型的切片方式進(jìn)行了詳細(xì)的研究。分析了各個(gè)切片方法的優(yōu)缺點(diǎn),指出了AutoCAD直接切片的可行性。作者在AutoCAD造型軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行了直接切片數(shù)據(jù)格式研究,利用AutoCAD宏開發(fā)了AutoSlice軟件,可從任意復(fù)雜的CAD模型中快速地直接提取切片截面輪廓信息,采用BMP格式文件存儲模型切片的輪廓信息,解決了構(gòu)造模型的三維數(shù)據(jù)提取問題；作者基于LABVIEW IMAQ vision圖象處理軟件

6、,開發(fā)了BMP數(shù)據(jù)讀取程序,成功地解決了AutoCAD造型和電子束掃描控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞難題。
　　 論文對現(xiàn)有的二維截面造型的掃描填充方法進(jìn)行了深入分析,對于復(fù)雜的截面輪廓,提出了輪廓偏置和分區(qū)掃描相結(jié)合的復(fù)合掃描填充算法。新的算法依據(jù)優(yōu)化規(guī)則先將整個(gè)層面分為若干個(gè)連貫的小區(qū)域,然后在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)采用輪廓偏置填充,這種算法具有輪廓偏置掃描精確度高和分區(qū)掃描高效穩(wěn)定的特點(diǎn),可以適用于多種快速成型工藝,并通過實(shí)例證明本文提出的算

7、法是正確和穩(wěn)定可靠的。
　　 針對電子束焦點(diǎn)難以直接測量的問題,本文提出一種利用電子束流與金屬粉末相互作用產(chǎn)生的熔池溫度極值效應(yīng)測量電子束流焦點(diǎn)的方法。論文分析討論了電子束流焦點(diǎn)位置的影響因素,通過試驗(yàn)研究了電子束加熱過程中粉末熔池溫度與聚焦電流的函數(shù)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)溫度-聚焦電流關(guān)系函數(shù)的極大值即為聚焦電子束能量密度分布狀態(tài)的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)。基于掃描電子束粉末燒結(jié)過程的這種臨界溫度特性,論文提出了一種測量電子束加工過程動態(tài)焦點(diǎn)的方法,即

8、變焦-臨界溫度極值檢測的焦點(diǎn)測量法。實(shí)現(xiàn)了電子束焦點(diǎn)位置的快速、高效地檢測與定位控制。
　　 論文研究了電子束快速成型過程的一種改進(jìn)型PID控制器自整定方法。建立了以電子束快速成型金屬粉末熔池溫度為被控對象的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了電子束快速成型溫度閉環(huán)控制,對四種控制方案的仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)參數(shù)模糊自整定PID控制策略具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小以及抗干擾能力強(qiáng)等非常理想的性能指標(biāo)。
　　 對3DSEB快速成

9、型機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建立了3DSEB燒結(jié)成型物理模型,通過理論分析得出了電子束燒結(jié)成型的兩個(gè)必要條件,即電子束掃描間距必須同時(shí)小于最大燒結(jié)寬度和最大燒結(jié)深度。論文研究分析了電子束電流、掃描時(shí)間、掃描頻率及掃描點(diǎn)數(shù)等工藝參數(shù)對單層燒結(jié)深度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著電子束電流的增大、掃描時(shí)間的延長、掃描頻率及掃描點(diǎn)數(shù)的增多,單層燒結(jié)深度逐漸增加,其中電子束電流對單層燒結(jié)深度的影響最為顯著。
　　 針對形狀不規(guī)則的掃描軌跡能量密度分布不均勻

10、的問題,提出一種通過調(diào)整掃描軌跡上掃描點(diǎn)的分配來避免局部區(qū)域能量過于集中的方法,從而可以對成型件的成型效果進(jìn)行控制。工藝試驗(yàn)結(jié)果表明在能夠滿足掃描軌跡精度要求情況下,減少掃描軌跡拐角處掃描點(diǎn)數(shù),可使燒結(jié)截面能量密度分布趨于均勻。
　　 本文基于LABVIEW語言和VISUAL IASP語言的軟件和3DSEB快速成型控制模型,開發(fā)了基于模塊化和可視化的電子束燒結(jié)成型控制系統(tǒng)的軟件。系統(tǒng)軟件分為5個(gè)模塊:AutoCAD三維模型構(gòu)造與