專利名稱：用于生成三維產(chǎn)品的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使用粉狀材料逐層生成三維產(chǎn)品的方法，該粉 狀材料能夠通過用高能束照射而固化。
背景技術(shù)：
從例如US4863538、 US5647931以及SE524467中已知使用粉狀材 料來逐層生成三維產(chǎn)品的設(shè)備，該粉狀材料能夠通過利用高能量電磁照 射束或高能量電子束來照射而固化或熔合在一起。這種設(shè)備包括例如粉 末供給源、用于將粉末層施加到能夠豎直調(diào)節(jié)的平臺(tái)或工作區(qū)域上的裝 置、以及用于將所述束引導(dǎo)到工作區(qū)域上的裝置。當(dāng)所述束在工作區(qū)域 上移動(dòng)時(shí)，粉末燒結(jié)或熔化，并且固化。
當(dāng)利用高能量束熔化或燒結(jié)粉末時(shí)，避免超過粉末的揮發(fā)溫度是很 重要的，因?yàn)榉駝t的話粉末將只是揮發(fā)而不形成所期望的產(chǎn)品。 US2005/0186538 乂>開了 一種致力于該問題的方法。在該方法中，在熔 化/燒結(jié)階段中，激光束被反復(fù)引導(dǎo)到同一個(gè)粉末靶區(qū)域，以分段地升 高粉末溫度。通過這種方式避免了太高的粉末溫度。
當(dāng)使用電子束而不是激光束時(shí)，情況有些不同。當(dāng)電子束撞擊粉末 時(shí)，在電子靶區(qū)域的周圍逐漸形成電荷分布。期望地，該電荷朝地面被 引導(dǎo)通過待生產(chǎn)的產(chǎn)品的生成部件和/或粉末床。如果電荷分布密度超 過臨界限度，那么在照射電子束的位置周圍將產(chǎn)生電電場(chǎng)強(qiáng)度度在預(yù)定 水平以上的電場(chǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)度在預(yù)定水平以上的電場(chǎng)稱為Emax。電場(chǎng)將使 粉末顆?；ハ嗯懦?，使顆粒離開顆粒的最上層表面并形成漂浮在該表面 上方的顆粒分布。漂浮的顆粒類似于位于表面上方的云。當(dāng)電場(chǎng)具有 E咖x以上的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，電場(chǎng)，即顆粒云，將對(duì)設(shè)備的分辨度產(chǎn)生負(fù)面 影響。這部分地是由于顆粒云中的顆粒將使電子束發(fā)散。當(dāng)電場(chǎng)具有E咖x以下的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，電場(chǎng)，即顆粒云，將不會(huì)對(duì)設(shè)備的分辨度有顯 著的影響。所以低于E腿的電場(chǎng)強(qiáng)度是合乎期望的。
由于顆粒帶電荷，所以它們將試圖觸地，所以一些顆?？赡茈x開顆 粒云并污染位于真空室內(nèi)的設(shè)備的不同部分。這種臨界電場(chǎng)的結(jié)果是將 會(huì)毀壞粉末表面的結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)有電子束的粉末熔化/燒結(jié)設(shè)備應(yīng)用根據(jù) US2005/0186538的方法用于可能產(chǎn)生較差的結(jié)果，因?yàn)樵谶@種方法中 沒有采取措施以避免形成電場(chǎng)強(qiáng)度在所述預(yù)定水平以上的臨界電場(chǎng)。
避免放電問題的一個(gè)解決方案為，向粉末添加諸如碳的導(dǎo)電材料， 從而提高粉末的電導(dǎo)率。然而這種解決方案的缺點(diǎn)在于，這種粉末混合 物的固化過程可能難以控制，并且形成的產(chǎn)品的性能可能受到負(fù)面影 響。例如，機(jī)械強(qiáng)度可能會(huì)降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用粉狀材料逐層生成三維產(chǎn)品的方 法和設(shè)備，該方法和設(shè)備能夠以受控且適當(dāng)?shù)姆绞綄⒎蹱畈牧先酆显谝?起，并且特別適于電子束。該目的通過獨(dú)立權(quán)利要求中所限定的方法和 設(shè)備而實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求包含本發(fā)明的有利實(shí)施方式、進(jìn)一步改進(jìn)以 及變型。
本發(fā)明涉及一種用于利用粉狀材料逐層地生成三維產(chǎn)品的方法，該 粉狀材料能夠通過利用高能量束照射而固化。本發(fā)明的特征在于，該方 法包括以下步驟控制存在于高能量束照射粉狀材料的位置附近的離子 的量。通過控制存在于高能量束附近的離子的量，已經(jīng)表明形成云的趨 勢(shì)降低了。所以，高能量束，即電子槍，能夠以較高的輸出功率工作而 不會(huì)產(chǎn)生所述預(yù)定水平以上的電場(chǎng)。該效果是通過高能量束的照射點(diǎn)附 近的離子降低了所述附近中的電荷密度實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，當(dāng)高能量束是電 子槍時(shí)離子應(yīng)該為正離子。離子數(shù)量處于將電場(chǎng)強(qiáng)度保持在E皿以下所 需的水平以上是有利的。通過這種方式中和足夠多的粉狀材料。
在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，通過使用以下方法步驟來控制設(shè)置到 高能量束照射位置周圍的離子的數(shù)量
將輔助氣體引入到設(shè)備的真空室中，以及將所述氣體的壓力控制在預(yù)定的壓力水平，其中所述輔助氣體在被 高能量束照射時(shí)能夠產(chǎn)生離子。
產(chǎn)生的離子數(shù)量處于將電場(chǎng)強(qiáng)度保持在Emax以下所需的水平以上 是有利的。通過這種方式中和足夠多的粉狀材料。
適當(dāng)?shù)?，在引入輔助氣體之前，真空室具有低于1><10_4毫巴的壓力。 輔助氣體將使真空室中的壓力升高到位于1 x 101亳巴至1 x 10-4亳巴的
區(qū)間內(nèi)。優(yōu)選地，在引入輔助氣體后壓力處于io-2毫巴至io-3亳巴之間。
較高的壓力將使粉末層的表面上具有更多的離子，從而能夠接受更高功 率的電子槍而不會(huì)產(chǎn)生云。另一方面，高壓將導(dǎo)致來自電子槍的電子束 被發(fā)散到更大的范圍中，從而得到要制造的部件的分辨度降低。已經(jīng)顯 示引入io-2毫巴至io-3毫巴之間的輔助氣體將在這兩種效應(yīng)之間達(dá)到良 好的平衡。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中使用了惰性氣體。氬氣特別適合用于在鈥合 金的制造中一起使用。也可以考慮使用氦氣。氮?dú)饽軌蜻m當(dāng)?shù)赜糜阝?鉻合金。
在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，利用以下方法步驟來控制存在于照射 高能量束的位置附近的離子的量
將離子引入到設(shè)備的真空室中。
通過使用諸如濺射設(shè)備或等離子設(shè)備的離子源將離子引入到真空 室中，能夠控制真空室中帶電離子的數(shù)量。因此，能夠降低電子槍散射 效應(yīng)，這是因?yàn)槟軌蛟诘蛪合鹿ぷ鞯耐瑫r(shí)仍能夠獲得足夠數(shù)量的帶電離 子。能夠通過控制引入到真空室中的離子數(shù)量來獲得離子濃度。優(yōu)選地， 沿朝向粉狀材料的方向引導(dǎo)離子。根據(jù)粉末床中的顆粒的電荷，引入的 電荷或者帶負(fù)電荷，或者帶正電荷。最常見的情況是粉末床帶負(fù)電荷時(shí)， 在這種情況下將使用帶正電荷的離子。
適當(dāng)?shù)兀鹏迵?jù)高能量束的輸出功率來控制引入到真空室中的離子的 數(shù)量。由于大部分由電子槍提供的電子將通過制成的產(chǎn)品的部分和/或 粉末床而排到大地，因此只需要補(bǔ)償一小部分由電子槍提供的電子。所 以，優(yōu)選將引入到真空室中的離子的速率保持將電場(chǎng)強(qiáng)度保持在Emax 以下所需的水平以上。本發(fā)明還涉及一種使用粉狀材料逐層生成三維產(chǎn)品的設(shè)備，該粉狀 材料能夠通過用高能量束照射而固化，該設(shè)備適于通過上述方法步驟中 的至少一個(gè)來操作。


下面將參照附圖描述本發(fā)明，在附圖中
圖1以示意圖示出了用于生成三維產(chǎn)品的已知設(shè)備的示例，以及
圖2以示意圖示出了能夠應(yīng)用本發(fā)明方法的第一實(shí)施方式的用于生 成三維產(chǎn)品的設(shè)備的示例，以及
圖3以示意圖示出了能夠應(yīng)用本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式的用于生 成三維產(chǎn)品的設(shè)備的示例。
圖4以示意圖示出了具有帶電顆粒云的粉狀材料的表面的示例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了用于生成三維產(chǎn)品的已知i殳備l的示例。設(shè)備l包括能 夠豎向調(diào)節(jié)的工作臺(tái)2，在工作臺(tái)2上將生成三維產(chǎn)品3; —個(gè)或多個(gè) 粉末分配器4;裝置28，該裝置28設(shè)置成分配薄的粉末層到工作臺(tái)2 上以形成粉末床5;電子槍形式的照射槍6，其用于向粉末床5輸送能 量，從而將粉末床5的多個(gè)部分熔合在一起；偏轉(zhuǎn)線圏7，其用于將照 射槍6發(fā)射的電子束引導(dǎo)到所述工作臺(tái)2上；以及控制單元8，其設(shè)置 成用以控制設(shè)備l的各個(gè)部分。在典型的工作循環(huán)中，工作臺(tái)被降低， 新的粉末層被施加到粉末床5上，然后電子束掃過粉末床5的上層5' 的選定部分。原則上，該循環(huán)重復(fù)進(jìn)行直到產(chǎn)品完成。本領(lǐng)域技術(shù)人員 熟知圖1所示的這種類型的用于生成三維產(chǎn)品的設(shè)備的總體功能和組 成。整個(gè)裝置l將構(gòu)成真空室，在該真空室中通過真空泵(未示出)實(shí) 現(xiàn)低壓。真空室中的壓力優(yōu)選保持在10"毫巴以下的壓力水平。
在使用電子束的情況下，必須考慮電子撞擊粉末床5時(shí)在粉末中產(chǎn) 生的電荷分布。本發(fā)明至少部分地基于電荷分布密度取決于以下參數(shù)這 一認(rèn)知，這些參數(shù)為電子束電流、電子速度(由加速電壓確定)、電子束掃描速度、粉狀材料以及粉末的電導(dǎo)率，即主要是粉末顆粒之間的 電導(dǎo)率。后者又是多個(gè)參數(shù)的函數(shù)，如溫度、燒結(jié)程度以及粉末顆粒的 尺寸/尺寸分布。
因此，對(duì)于給定的粉末(即具有某種顆粒尺寸分布的某種材料的粉 末)和給定的加速電壓，能夠通過改變電力束電流(從而改變電子束功 率)以及電子束掃描速度來影響電荷分布。
通過以受控的方式改變這些參數(shù)，能夠通過升高粉末溫度而逐漸提 高粉末的電導(dǎo)率。高溫的粉末具有高的多的電導(dǎo)率，使得電荷分布的密 度較低，這是因?yàn)殡姾赡軌蜓杆贁U(kuò)散到較大的區(qū)域。如果允許在預(yù)熱過 程中使粉末輕微地?zé)Y(jié)，則能夠加強(qiáng)這種效果。當(dāng)電導(dǎo)率已經(jīng)變得足夠 高時(shí)，能夠利用任意值的電子束電流和電子束掃描速度將粉末熔合到一 起，即熔化或者完全燒結(jié)。
用于在任意掃描過程中描述在粉末中形成的電荷密度的通用函數(shù) 是時(shí)間和電子束位置的相當(dāng)復(fù)雜的函數(shù)，這是因?yàn)槿绻麤]有在空間和時(shí) 間上將掃描路徑很好地分隔開，那么沿一條掃描路徑產(chǎn)生的電荷密度將 受到沿另一條掃描路徑產(chǎn)生的電荷密度的影響。所以，必須考慮不同路 徑之間的綜合效應(yīng)。
圖2示出了用于生成三維產(chǎn)品的設(shè)備21的示例，本發(fā)明方法的第 一實(shí)施方式能夠應(yīng)用在該設(shè)備中。設(shè)備21除了包括圖1所述的部分外， 還包括進(jìn)氣口 22，輔助氣體能夠被引入該進(jìn)氣口并被引入到設(shè)備的真 空室中。該進(jìn)氣口由能夠被控制單元8控制的可控閥23調(diào)節(jié)。能夠關(guān) 于真空室中的壓力而控制可控閥23，從而控制真空室中的氣體壓力。 真空室中的壓力可以利用連接于控制單元8的壓力傳感器24來測(cè)量。
圖3示出了用于生成三維產(chǎn)品的設(shè)備31的示例，本發(fā)明方法的第 二實(shí)施方式能夠應(yīng)用在該設(shè)備中。設(shè)備31除了包括圖1所述的部分外， 還包括濺射設(shè)備32，通過該濺射設(shè)備能夠?qū)㈦x子引入到設(shè)備的真空室 中。濺射設(shè)備32可由控制單元8來控制。濺射設(shè)備32中使用的用于產(chǎn) 生離子的氣體優(yōu)選為惰性氣體，如氬氣。真空室中的壓力被保持在預(yù)定 的水平，優(yōu)選地在10"亳巴以下。真空室中的壓力能夠利用連接于控制 單元8的壓力傳感器34來測(cè)量。
圖4示出了具有帶電顆粒云41的粉狀材料的粉末床5的上層5'。該顆粒云被聚集在電子束42照射粉狀材料的位置的周圍。當(dāng)電場(chǎng)較高 時(shí)，在照射點(diǎn)周圍將出現(xiàn)較大的云。所以，本發(fā)明的目的是為了限制顆 粒云的尺寸，即高度。因此，引入到真空室中或在真空室中產(chǎn)生的離子 的數(shù)量應(yīng)當(dāng)在預(yù)定水平以上，從而中和顆粒云中足夠多的電荷。該預(yù)定 水平應(yīng)當(dāng)選擇為將電場(chǎng)強(qiáng)度度保持在Emax以下。通過這種方式來中和足 夠多的粉狀材料。
本發(fā)明不應(yīng)被視為受限于以上所述的實(shí)施方式，能夠在權(quán)利要求的 范圍內(nèi)做出多種另外的變型和改型。
權(quán)利要求
1.一種用于使用粉狀材料(5)逐層生成三維產(chǎn)品(3)的方法，所述粉狀材料(5)能夠通過用高能量束照射而固化，其特征在于，所述方法包括以下步驟控制存在于所述高能量束照射所述粉狀材料的位置附近的離子的數(shù)量。
2. —種用于使用粉狀材料(5)逐層生成三維產(chǎn)品(3)的方法，所述 粉狀材料(5)能夠通過用高能量束照射而固化，其特征在于，所述方法包 括以下步驟將輔助氣體引入到設(shè)備的真空室中， 將所述氣體的壓力控制在預(yù)定的壓力水平，所述輔助氣體能夠在被所述高能量束照射時(shí)產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的離子。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述離子的所述預(yù)定數(shù)量 處于將電場(chǎng)強(qiáng);OL保持在Emax以下所需的水平以上。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，在引入所述輔助氣體 之前，所述真空室具有低于lxlO"毫巴的壓力。
5. 如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在引入所述 輔助氣體后，所述真空室中的壓力處于lxlO"亳巴至lxio"毫巴之間的區(qū)間內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述輔助氣 體是惰性氣體。
7. 如權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述惰性氣 體是氬氣。
8. 如權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述惰性氣 體是氦氣。
9. 如權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述真空室 中的壓力是根據(jù)所述高能量束的輸出功率來控制的。
10. —種用于使用粉狀材料(5)逐層生成三維產(chǎn)品(3)的方法，所 述粉狀材料(5)能夠通過用高能量束照射而固化，其特征在于，所述方法 包括以下步驟將離子引入到i殳備的真空室中。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，使用離子源用于將離子 引入到所述真空室中。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述離子源是濺 射離子源。
13. 如權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述離子源是等 離子體離子源。
14. 如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所引入 的離子帶正電荷。
15. 如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所引入 的離子帶負(fù)電荷。
16. 如權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述真 空室在引入所述離子之前具有低于1 x 10—4毫巴的壓力。
17. 如權(quán)利要求10至16中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述 離子引入到所述真空室中的速率處于將電場(chǎng)強(qiáng)度保持在Emax以下所需的 水平以上。
18. 如權(quán)利要求10至17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述離 子是利用惰性氣體產(chǎn)生的。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體是氬氣。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體是氦氣。
21. 如權(quán)利要求10至20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，引入到 所述真空室中的離子的數(shù)量是根據(jù)所述高能量束的輸出功率來控制的。
22. 如權(quán)利要求10至21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，引入到 所述真空室中的離子被導(dǎo)向所述粉狀材料。
23. —種用于使用粉狀材料(5 )逐層生成三維產(chǎn)品(3 )的設(shè)備(1 )， 所述粉狀材料(5)能夠通過用高能量束照射而固化，其特征在于，所述設(shè) 備適于通過如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法中的 一種來操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使用粉狀材料(5)逐層生成三維產(chǎn)品(3)的方法，該粉狀材料能夠通過用高能量束照射而固化。
文檔編號(hào)B22F3/105GK101678455SQ200880015940
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者烏爾夫·阿茨凱利德 申請(qǐng)人:阿卡姆股份公司