电子束选区熔化过程基于背散射电子成像的在线监测系统研制

孔令其; 刘方军; 陈世业; 许海鹰; 张伟; 黄俊媛; 王壮; 石毅磊; 蒋布辉

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.11.01

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专辑

电子束选区熔化过程基于背散射电子成像的在线监测系统研制
Development of on-line Monitoring System based on Backscattered Electron Imaging in Electron Beam Selective Melting Process
2023年53卷第11期页码：1-8
收稿：2023-01-07，

纸质出版：2023-11-25
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.11.01
稿件说明：

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孔令其，刘方军，陈世业，等.电子束选区熔化过程基于背散射电子成像的在线监测系统研制［J］.电焊机，2023，53（11）：1-8. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.11.01.

KONG Lingqi, LIU Fangjun, CHEN Shiye, et al.Development of on-line Monitoring System based on BackscatteredElectron Imaging in Electron Beam Selective Melting Process[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(11): 1-8. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.11.01.

摘要

电子束选区熔化（Electron beam selective melting，EBSM）是一种先进的金属粉末床熔融增材制造技术，具有能量集中、能量利用率高、可以成形难熔及脆性材料、真空环境无污染等优点，在航空航天、生物医疗等领域被广泛应用。对电子束选区成形过程进行实时监测及调控可以提高产品质量，但真空、高温、强光、金属蒸气等环境使得实时监测难度非常大。针对上述难点，设计了一套基于背散射电子成像的在线监测系统，该系统采用S型点扫描的偏转扫描方式和接收面积更大的背散射电子信号采集传感器极板，采用中值滤波算法去除椒盐噪声提高图像信噪比，并对图像进行增强处理，在EBSM过程中具备实时清晰地观察加工表面形貌信息的能力，监测范围可达150 mm×150 mm，图像分辨率可达1 000像素×1000像素，成像速度可达1帧/s。

Abstract

Electron beam selective melting (EBSM) is an advanced additive manufacturing technology

which has the advantages of concentrated energy

high energy utilization

can form refractory and brittle materials

and has no pollution in vacuum environment. It is widely used in biomedicine and other fields. Real-time monitoring and regulation of the electron beam selection forming process can improve product quality

but vacuum

high temperature

strong light

metal vapor and other environments make real-time monitoring very difficult. Aiming at the above difficulties

this paper designs a set of online monitoring system based on backscattered electron imaging

including high-frequency deflection scanning system

backscattered electron receiving sensor

backscattered signal processing system

image processing software

etc. and carries out experimental verification. The system adopts a deflection scanning method of S-type point scanning and a sensor plate with a larger receiving area for collecting backscattered electronic signals. The median filtering algorithm is used to remove salt and pepper noise

improve the signal-to-noise ratio of the image

and enhance the image. The results show that the system has the ability to observe the surface topography information in real time and clearly during the EBSM process. The monitoring range can reach 150mm×150mm

the image resolution can reach 1000 pixels×1000 pixels

and the imaging speed can reach 1 frame/second.

关键词

Keywords

references

冉江涛，赵鸿，高华兵，等 . 电子束选区熔化成形技术及应用［J］. 航空制造技术， 2019 ， 62 （ Z1 ）： 46 - 57 .

RAN H T ， ZHAO H ， GAO H B ， et al . Selective Electron Beam Melting Technique and Its Application ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2019 ， 62 （ Z1 ）： 46 - 57 .

巩水利，锁红波，李怀学 . 金属增材制造技术在航空领域的发展与应用［J］. 航空制造技术， 2013 （ 13 ）： 66 - 71 .

GONG S L ， SUO H B ， LI H X . Development and Application of Metal Additive Manufacturing Technology ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2013 （ 13 ）： 66 - 71 .

郭超，张平平，林峰 . 电子束选区熔化增材制造技术研究进展［J］. 工业技术创新， 2017 ， 4 （ 04 ）： 6 - 14 .

GUO C ， ZHANG P P ， LIN F . Research Advances of Electron Beam Selective Melting Additive Manufacturing Technology ［J］. Industrial Technology Innovation ， 2017 ， 4 （ 04 ）： 6 - 14 .

汤慧萍，王建，逯圣路，等 . 电子束选区熔化成形技术研究进展［J］. 中国材料进展， 2015 ， 34 （ 03 ）： 225 - 235 .

TANG H P ， WANG J ， LU S L ， et al . Research Progress in Selective Electron Beam Melting ［J］. Materials China ， 2015 ， 34 （ 03 ）： 225 - 235 .

李文涛，齐海波，杨黎，等 . 电子束选区熔化技术的粉末预热系统设计［J］. 机械设计与制造， 2007 （ 11 ）： 113 - 115 .

LI W T ， QI H B ， YANG L ， et al . Design of metal poeder preheating system in electron beam selective melting ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2007 （ 11 ）： 113 - 115 .

韩建栋，林峰，齐海波，等 . 粉末预热对电子束选区熔化成形工艺的影响［J］. 焊接学报， 2008 （ 10 ）： 77 - 80+117 .

HAN J D ， LIN F ， QI H B ， et al . Effects of powder preheating in electron beam selective melting process ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2008 （ 10 ）： 77 - 80+117 .

齐海波，杨明辉，齐芳娟 . 扫描路径对电子束选区熔化TC4成形件性能影响的数值模拟［J］. 焊接学报， 2009 ， 30 （ 08 ）： 5 - 8+113 .

QI H B ， YANG M H ， QI F J . Numerical simulation of effects of scanning path on electron beam selective melting process of Ti-6Al-4V ［J］. Transactions of the China Welding Institution ， 2009 ， 30 （ 08 ）： 5 - 8+113 .

李宏新，李阳，余业锋，等 . 电子束选区熔化成形工艺与组织模拟［J］. 电加工与模具， 2021 （ S1 ）： 5 - 15 .

LI H X ， LI Y ， YU Y F ， et al . Electron Beam Selective Melting Forming Process and the Simulation for Its Microstructure ［J］. Electromachining & Mould ， 2021 （ S1 ）： 5 - 15 .

Yan W T ， Qian Y ， Ma W X ， et al . Modeling and experimental validation of electron beam selective melting process ［J］. Engineering ， 2017 ， 3 （ 5 ）： 701 - 707 .

Ge W ， Guo C ， Lin F . Effect of process parameters on microstructure of TiAl alloy produced by electron beam selective melting ［J］. Procedia Engineering ， 2014 ， 81 ： 1192 - 1197 .

Guo C ， Ge W ， Lin F . Effects of scanning parameters on material deposition during Electron Beam Selective Melting of Ti-6Al-4V powder ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2015 ， 217 ： 148 - 157 .

Wong H ， Neary D ， Shahzad S ， et al . Pilot investigation of feedback electronic image generation in electron beam melting and its potential for in-process monitoring ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2019 ， 266 ： 502 - 517 .

赵德陈，林峰 . 金属粉末床熔融工艺在线监测技术综述［J］. 中国机械工程， 2018 ， 29 （ 17 ）： 2100 - 2110+2118 .

ZHAO D C ， LIN F . A Review of On-line Monitoring Techniques in Metal Powder Bed Fusion Processes ［J］. China Mechanical Engineering ， 2018 ， 29 （ 17 ）： 2100 - 2110+2118 .

赵德陈，张磊，林峰 . 电子束选区熔化过程电子光学监测系统研究［J］. 电加工与模具， 2019 （ 06 ）： 51 - 56 .

ZHAO D C ， ZHANG L ， LIN F . Research on Electron Optical Monitoring System for Electron Beam Selective Melting ［J］. Electromachining & Mould ， 2019 （ 06 ）： 51 - 56 .

张红玉，许海鹰，路开通，等 . 基于背散射电子的电子束加工过程在线观测系统研制［J］. 航空制造技术， 2021 ， 64 （ 03 ）： 70 - 75 .

ZHANG H Y ， XU H Y ， LU K T ， et al . Development of Online View System Based on Backscattered Electrons for Electron Beam Processing ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2021 ， 64 （ 03 ）： 70 - 75 .

Arnold C ， Pobel C ， Osmanlic F ， et al . Layerwise monitoring of electron beam melting via backscatter electron detection ［J］. Rapid Prototyping Journal ， 2018 ， 24 （ 8 ）： 1401 - 1406 .

Wong H ， Neary D ， Jones E ， et al . Pilot capability evaluation of a feedback electronic imaging system prototype for in-process monitoring in electron beam additive manufacturing ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2019 ， 100 （ 1 ）： 707 - 720 .

张伟，蒋布辉，陈晓，等 . 基于Helmholtz线圈的电子束高速扫描系统设计［J］. 电焊机， 2021 ， 51 （ 06 ）： 7 - 12+112 .

ZHANG W ， JIANG B H ， CHEN X ， et al . Design of high-speed electron beam scanning system based on Helmholtz coil ［J］. Electric Welding Machine ， 2021 ， 51 （ 06 ）： 7 - 12+112 .

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