一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统

1.本发明属于增材制造技术领域，具体属于一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统。


背景技术：

2.与电弧熔丝、激光熔丝增材制造技术相比，电子束熔丝增材制造技术在大型金属构件的高质量、高效快速制造方面具备显著优势，主要应用在机体内部框架、加强肋及壁板结构等方面。
3.目前常见的电子束熔丝增材制造设备电子发射主要以钨、六硼化镧为代表的热阴极模式，阴极的加热方式主要为直热式和间接加热模式。直接加热模式是在阴极两端通以电流，利用焦耳热原理将阴极加热到指定温度。这种模式在加热过程中由于加热电流的波动带来的磁场变化会影响电子枪周围磁场，导致束斑形状出现变化，进而影响成型质量。间接加热模式主要是使用激光、电子束等来轰击阴极，使其到指定温度，这种模式虽然可以避免直热式存在的问题，但是额外在电子枪外部引入加热设备，提高了设备的成本。不管是直热式还是间接加热模式，都需要在阴极引入冷却通路，用以冷却阴极周围的夹持底座及栅极，加大了设备机械结构复杂性。同时，也要设计额外的加热控制系统。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其中电子枪阴极采用场发射阴极，避免阴极加热造成电子枪周围磁场变化，避免了额外设置加热和冷却设备，有助于降低设备结构复杂性和控制系统复杂性。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，包括采用场发射块体阴极的电子枪，电子枪设置在真空室中，电子枪电子束出口方向设置有一成型基板，电子枪与成型基板之间设置有一送丝机，送丝机固定在真空室侧壁上，电子枪与电子枪控制系统连接用于对电子枪的开启、关闭、束流大小调整、电子束聚焦、偏转、消像散功能进行控制，送丝机与送丝控制系统连接用于将金属丝材从旁路输送到成型基板上；成型基板与运动控制系统连接用于控制成型基板的运动方向，真空室与真空控制系统连接用于控制真空室的真空度达到工作要求的真空度。
6.进一步的，所述的电子枪包括从上到下依次同轴安装的阴极底座、场发射块体阴极、栅极、阳极、消散线圈、偏转线圈、聚焦线圈，其中场发射块体阴极竖直设置在阴极底座朝向阳极的一侧的中轴线上。
7.进一步的，所述场发射块体阴极为块体石墨烯场发射阴极或者块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极。
8.进一步的，块体石墨烯场发射阴极采用高质量石墨烯冷压成型制备得到；块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极采用碳纳米管和高质量石墨烯混合冷压成型制备得到。
9.进一步的，所述高质量石墨烯是指层数2-5层，缺陷比为0.08-0.2，c/o原子比为
32.25-76.92的石墨烯粉体。
10.进一步的，场发射块体阴极施加的负高压为30kv-60kv，栅极施加的负高压相对于阴极底座低0kv-5kv，阳极接地，真空室接地。
11.进一步的，旁路送丝电子枪的送丝角度为0
°
到45
°
。
12.进一步的，成型基板底部设置有三维运动平台，运动控制系统与三维运动平台连接用于控制三维运动平台的移动。
13.进一步的，运动控制系统基于成型零件的切片路径来控制三维运动平台移动。
14.进一步的，场发射块体阴极的高度为10mm-15mm，宽度2mm-4mm，厚度为300μm-500μm，发射电流0ma-20ma。
15.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
16.本发明提供一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其中电子枪阴极采用场发射阴极，场发射阴极属于一种冷阴极发射模式，无需外接加热设备，无需设计加热控制系统，无需为阴极设计冷却通路，这使电子枪结构更加简单，控制系统复杂性减弱，有助于降低设备成本；并且本发明电子枪磁场部分没有外加磁场干扰，对束斑没有影响，设备更加稳定，有助于提高成型零件的质量，综上，本发明提出的基于场发射阴极的旁路送丝增材制造设备具备结构简单、稳定、低成本的优点。
17.本发明的块体石墨烯场发射阴极或者块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极，采用高质量石墨烯作为电子发射体，充分利用石墨烯高电导率和高热导率的特点，可以加速焦耳热传导，能够减弱对发射点烧蚀，实现大电流(大电流密度)稳定发射。制备时仅仅需要在模具中加入石墨烯粉末或碳纳米管和高质量石墨烯混合粉末施加压力成型即可，无需在制备过程中引入复杂的加工和高温处理过程，具备快速、高效节能、易规模化的优点。
附图说明
18.图1一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造设备结构示意图。
19.附图中：旁路送丝电子枪1、电子枪控制系统10、阴极底座101、场发射块体阴极102、栅极103、阳极104、消散线圈105、偏转线圈106、聚焦线圈107；
20.送丝控制系统20、送丝机201、金属丝材202；
21.真空室3、运动控制系统30、成型基板301、真空控制系统40。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，本发明提供一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，包括：电子枪1，电子枪1连接在真空室3顶端，电子枪1由从上到下依次同轴安装的阴极底座101、场
发射块体阴极102、栅极103、阳极104、消散线圈105、偏转线圈106、聚焦线圈107组成，阴极底座101、栅极103、阳极104、消散线圈105、偏转线圈106、聚焦线圈107之间通过绝缘陶瓷连接；送丝机201设置在电子枪1与成型基板301之间，送丝机201与真空室3内壁连接用于实现旁路送丝。
24.电子枪1和成型基板301设置在真空室3中，电子枪1设置在成型基板301上方且其电子束出口朝向成型基板301设置，电子枪控制系统10与电子枪1电连接用于实现电子枪1开启、关闭、束流大小调整、电子束聚焦、偏转、消像散功能；送丝控制系统20与送丝机201电连接用于控制送丝机201将金属丝材202输送到成型基板301；运动控制系统30与成型基板301连接用于控制成型基板301的运动方向；真空控制系统40与真空室3连接用于控制真空室3的真空度达到工作要求的真空度。
25.优选的，场发射块体阴极102为块体石墨烯场发射阴极或者块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极，阴极高度为10mm-15mm，宽度2-4mm，厚度为300-500μm之间，发射电流0-20ma。
26.优选的，块体石墨烯场发射阴极主要通过将高质量石墨烯冷压成型来制备；块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极主要是将一定比例的碳纳米管和高质量石墨烯通过冷压成型制备；
27.优选的，高质量石墨烯是指层数2-5层，缺陷比为0.08-0.2，c/o原子比为32.25-76.92的石墨烯粉体；
28.优选的，场发射块体阴极102施加的负高压为30-60kv，栅极103施加的负高压相对于阴极底座103低0-5kv，阳极105接地，真空室3接地。
29.优选的，送丝机201的送丝角度为0到45
°
，送丝机201将金属丝材202输送到成型基板301上且位于电子枪轴线中心处。
30.优选的，成型基板301底部设置有三维运动平台，运动控制系统30与三维运动平台连接，通过成型零件的切片路径来控制三维运动平台移动，从而在成型基板301上实现增材制造。
31.实施例1
32.真空控制系统控制真空室3中真空度到达指定真空度后，送丝控制系统控送丝机201将金属丝材202输送到指定的位置，基于设定好的电子枪参数，电子枪控制系统控制旁路送丝电子枪1开启、聚焦，发射出电子束，运动控制系统基于成型零件的切片路径来控制三维运动平台运动实现零件的制造，制造结束后，电子枪控制系统控制旁路送丝电子枪1停止出束，接着送丝控制系统控送丝机201停止送丝，待零件冷却到室温后，破真空，取出成型的零件。

技术特征：
1.一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，包括采用场发射块体阴极(102)的电子枪(1)，电子枪(1)设置在真空室(3)中，电子枪(1)电子束出口方向设置有一成型基板(301)，电子枪(1)与成型基板(301)之间设置有一送丝机(201)，送丝机(201)固定在真空室(3)侧壁上，电子枪(1)与电子枪控制系统(10)连接用于对电子枪(1)的开启、关闭、束流大小调整、电子束聚焦、偏转、消像散功能进行控制，送丝机(201)与送丝控制系统(20)连接用于将金属丝材(202)从旁路输送到成型基板(301)上；成型基板(301)与运动控制系统(30)连接用于控制成型基板(301)的运动方向，真空室(3)与真空控制系统(40)连接用于控制真空室(3)的真空度。2.根据权利要求1所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，所述的电子枪(1)包括从上到下依次同轴安装的阴极底座(101)、场发射块体阴极(102)、栅极(103)、阳极(104)、消散线圈(105)、偏转线圈(106)、聚焦线圈(107)，其中场发射块体阴极(102)竖直设置在阴极底座(101)朝向阳极(104)的一侧的中轴线上。3.根据权利要求1或2所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，所述场发射块体阴极(102)为块体石墨烯场发射阴极或者块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极。4.根据权利要求3所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，块体石墨烯场发射阴极采用高质量石墨烯冷压成型制备得到；块体石墨烯/碳纳米管复合场发射阴极采用碳纳米管和高质量石墨烯混合冷压成型制备得到。5.根据权利要求4所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，所述高质量石墨烯是指层数2-5层，缺陷比为0.08-0.2，c/o原子比为32.25-76.92的石墨烯粉体。6.根据权利要求2所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，场发射块体阴极(102)施加的负高压为30kv-60kv，栅极(103)施加的负高压相对于阴极底座(103)低0kv-5kv，阳极(105)接地，真空室(3)接地。7.根据权利要求2所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，旁路送丝电子枪(1)的送丝角度为0
°
到45
°
。8.根据权利要求1所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，成型基板(301)底部设置有三维运动平台，运动控制系统(30)与三维运动平台连接用于控制三维运动平台的移动。9.根据权利要求8所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，运动控制系统(30)基于成型零件的切片路径来控制三维运动平台移动。10.根据权利要求1所述的一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，其特征在于，场发射块体阴极(102)的高度为10mm-15mm，宽度2mm-4mm，厚度为300μm-500μm，发射电流0ma-20ma。

技术总结
本发明公开了一种基于场发射阴极的旁路送丝增材制造系统，包括设置在真空室中的采用场发射块体阴极的电子枪，电子枪电子束出口方向设置有一成型基板，电子枪与成型基板之间设置有一送丝机，送丝机固定在真空室侧壁上，电子枪与电子枪控制系统连接用于对电子枪的开启、关闭、束流大小调整、电子束聚焦、偏转、消像散功能进行控制，送丝机与送丝控制系统连接用于将金属丝材从旁路输送到成型基板上；成型基板与运动控制系统连接用于控制成型基板的运动方向，真空室与真空控制系统连接用于控制真空室的真空度，本发明采用场发射阴极避免阴极加热造成电子枪周围磁场变化，避免了额外设置加热和冷却设备，有助于降低设备结构和控制系统复杂性。统复杂性。统复杂性。


技术研发人员：冀千瑜 郭文华 卢秉恒 张祎辉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/10/5