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高压放大器在电子束增材制造聚焦消像散控制技术研究的应用

作者:Aigtek 阅读数:0 发布时间:2024-02-27 10:17:18

  实验名称:高压放大器在电子束增材制造聚焦消像散控制技术研究的应用

  研究方向:增材制造

  实验目的:

  电子束选区熔化技术,即电子束3D打印技术,属于金属增材制造的分支。该技术以电子束为热源,在计算机控制下以预设轨迹扫描融化粉末,逐层堆叠,形成致密的三维零件。该技术可以制造医用金属多孔结构,如人造关节,并可根据计算机模型方便地调节孔形貌、孔结构等参数,与人骨力学性能匹配。为保证多孔结构制作的高精度要求,电子束需要在整个加工范围内保持足够的热功率密度,即在固定加速电压的情况下,保持小束径。但由于电子光学像差的影响,束斑直径通常随着偏转角度的增大而增大,同时形状逐渐改变,这可能导致大尺寸工件加工精度下降问题,同时产生夹渣和气孔现象,因此需要调节束斑质量。

  测试设备:上位机、A/D、D/A转换器,ATA-4315高压放大器、灯丝、对中线圈、消像散线圈、主聚焦线圈、辅助聚焦线圈、偏转线圈、板材箱、基板、升降台、二次电子探测板等。

电子束增材制造设备控制系统

  图:电子束增材制造设备控制系统

  实验过程:

  电子束3D打印设备光柱体及控制系统结构如上图所示。所使用的线圈均为磁线圈。电子束由灯丝引出,在各线圈的磁场作用下,聚焦、偏转,最终会聚于工件表面。其中,主聚焦线圈电感较大,采用恒流源进行控制。动态调节部分由电感小得多的空心辅助聚焦线圈完成,控制器接受上位机的指令,控制电子束按预设轨迹扫描,在改变电子束位置的同时,查询聚焦消像散校正表,动态调节通入辅助聚焦线圈、消像散线圈的电流,达到动态聚焦、消像散的目的。二次电子探测板收集反射电子,用以成像,其图像清晰度可以反映束板的质量。

  在电子光学领域,像差理论常用于分析电子在电场和磁场中的运动轨迹,实际运动轨迹和高斯轨迹的偏差,即为像差,按照类别可分为球差、慧差、场曲(散焦)、像散、畸变、色差。实际上,3D打印设备的电子束都在百微米量级,应考虑散焦和像散等对束径影响较大的低阶像差。散焦和像散的表达式如下:

散焦和像散的表达式

  图:散焦和像散的表达式

  由此式可知,散焦和像散受到偏转距离和方向的影响,无偏转时,没有散焦和像散,此时束斑质量最佳,当电子束偏转时,散焦和像散大小随偏转位置而改变。因此需要对不同位置的电子束进行校正。

  实验结果:

实验对比图像

  图:实验对比图像

  (1)采用动态聚焦、消像散控制技术能够有效地提高束斑质量,校准后,电子束增材制造设备可以实现12°以内清晰成像,成功将图像EOG值由0.81提高至1。大偏转角下,电子束受到像散像差的影响,形状发生畸变,因此电子图像会在某一方向获得很高的分辨率,但在其他方向上较为模糊。消像散之后,电子图像各方向清晰度一致,束斑形状得到改善。

  (2)动态聚焦无法有效改善束斑形状,但可以减小束斑直径,增强电子图像某一方向的清晰度。

  安泰ATA-4315高压放大器

ATA-4315高压放大器指标参数

  图:ATA-4315高压放大器指标参数

  本文实验素材由西安安泰电子整理发布。Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线,且具有相当规模的仪器设备供应商,样机都支持免费试用。西安安泰电子是专业从事功率放大器、高压放大器功率信号源前置微小信号放大器高精度电压源高精度电流源等电子测量仪器研发、生产和销售的高科技企业。公司致力于功率放大器、功率信号源、计量校准源等产品为核心的相关行业测试解决方案的研究,为用户提供具有竞争力的测试方案,Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线,且具有相当规模的仪器设备供应商,样机都支持免费试用。如想了解更多功率放大器等产品,请持续关注安泰电子官网www.aigtek.com或拨打029-88865020。


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