實(shí)驗(yàn)名稱：高壓放大器在電子束增材制造聚焦消像散控制技術(shù)研究的應(yīng)用

研究方向：增材制造

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

電子束選區(qū)熔化技術(shù)，即電子束3D打印技術(shù)，屬于金屬增材制造的分支。該技術(shù)以電子束為熱源，在計(jì)算機(jī)控制下以預(yù)設(shè)軌跡掃描融化粉末，逐層堆疊，形成致密的三維零件。該技術(shù)可以制造醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)，如人造關(guān)節(jié)，并可根據(jù)計(jì)算機(jī)模型方便地調(diào)節(jié)孔形貌、孔結(jié)構(gòu)等參數(shù)，與人骨力學(xué)性能匹配。為保證多孔結(jié)構(gòu)制作的高精度要求，電子束需要在整個(gè)加工范圍內(nèi)保持足夠的熱功率密度，即在固定加速電壓的情況下，保持小束徑。但由于電子光學(xué)像差的影響，束斑直徑通常隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大，同時(shí)形狀逐漸改變，這可能導(dǎo)致大尺寸工件加工精度下降問(wèn)題，同時(shí)產(chǎn)生夾渣和氣孔現(xiàn)象，因此需要調(diào)節(jié)束斑質(zhì)量。

測(cè)試設(shè)備：上位機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，ATA-4315高壓放大器、燈絲、對(duì)中線圈、消像散線圈、主聚焦線圈、輔助聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、板材箱、基板、升降臺(tái)、二次電子探測(cè)板等。

圖：電子束增材制造設(shè)備控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

電子束3D打印設(shè)備光柱體及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖所示。所使用的線圈均為磁線圈。電子束由燈絲引出，在各線圈的磁場(chǎng)作用下，聚焦、偏轉(zhuǎn)，最終會(huì)聚于工件表面。其中，主聚焦線圈電感較大，采用恒流源進(jìn)行控制。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)部分由電感小得多的空心輔助聚焦線圈完成，控制器接受上位機(jī)的指令，控制電子束按預(yù)設(shè)軌跡掃描，在改變電子束位置的同時(shí)，查詢聚焦消像散校正表，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通入輔助聚焦線圈、消像散線圈的電流，達(dá)到動(dòng)態(tài)聚焦、消像散的目的。二次電子探測(cè)板收集反射電子，用以成像，其圖像清晰度可以反映束板的質(zhì)量。

在電子光學(xué)領(lǐng)域，像差理論常用于分析電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和高斯軌跡的偏差，即為像差，按照類別可分為球差、慧差、場(chǎng)曲（散焦）、像散、畸變、色差。實(shí)際上，3D打印設(shè)備的電子束都在百微米量級(jí)，應(yīng)考慮散焦和像散等對(duì)束徑影響較大的低階像差。散焦和像散的表達(dá)式如下：

圖：散焦和像散的表達(dá)式

由此式可知，散焦和像散受到偏轉(zhuǎn)距離和方向的影響，無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，沒有散焦和像散，此時(shí)束斑質(zhì)量最佳，當(dāng)電子束偏轉(zhuǎn)時(shí)，散焦和像散大小隨偏轉(zhuǎn)位置而改變。因此需要對(duì)不同位置的電子束進(jìn)行校正。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖像

（1）采用動(dòng)態(tài)聚焦、消像散控制技術(shù)能夠有效地提高束斑質(zhì)量，校準(zhǔn)后，電子束增材制造設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)12°以內(nèi)清晰成像，成功將圖像EOG值由0.81提高至1。大偏轉(zhuǎn)角下，電子束受到像散像差的影響，形狀發(fā)生畸變，因此電子圖像會(huì)在某一方向獲得很高的分辨率，但在其他方向上較為模糊。消像散之后，電子圖像各方向清晰度一致，束斑形狀得到改善。

（2）動(dòng)態(tài)聚焦無(wú)法有效改善束斑形狀，但可以減小束斑直徑，增強(qiáng)電子圖像某一方向的清晰度。

安泰ATA-4315高壓放大器：

圖：ATA-4315高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯：湯梓紅