CN106922136A - 制备三维物体的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于生产三维物体的方法和系统包括置于支撑板(30)上的基体基质(18)，电子束枪(2)，用于把原材料供给到熔化区域的供给构件(17)，用于定位所述具有基体基质(18)的支撑板(30)的定位系统(31、36)，真空密封工作室(29)，其中用于生成基质上的熔化池和用于熔化在所述系统中原材料的能量源是气体放电电子束枪(2)，所述气体放电电子束枪(2)具有在两个圆形阳极电极之间与阴极(8)共轴放置的冷圆形阴极(8)，所述气体放电电子束枪生成的电子束(9)的形状是空心倒圆锥状，并且供给引导(17)沿着所述电子束枪(2)的轴放置，并且在一个功能组件中结合所述气体放电电子束枪(2)和所述供给引导(17)。

Description

制备三维物体的方法和系统

技术领域

本发明涉及增材制造(additive manufacturing)，更具体地涉及用于通过原材料在移动基质(moving substrate)上层化沉积的方式来制备三维物体的方法和系统，其中将原材料供给到所述基质上的沉积区域，通过电子束熔化，然后当离开加热区域时凝固，因而形成材料的沉积层。

背景技术

根据通过原材料在基质上层化沉积的方式形成三维物体，当将原材料供给到相对于基质移动的熔化区域，由能量束(如电子束)熔化，然后当离开加热区域时凝固，形成材料的固体沉积层，存在用于制备三维物体的方法和设备(例如美国专利US7,168,935)。这些方法和设备具有共同的特征，如使用焊接式热轴电子束枪作为能量源，用于在基质上形成熔化池和熔化原材料。这种类型的枪具有合适的电流电压特性，首先是相当高的加速电压(60kV或更高)，并且在工作室中需要合适的工作条件，首先是高真空(通常10^-2Pa和更高)。同样，在这种方法和设备中的电子束落到与其表面垂直的基质上，并且原材料，通常是金属线，会从一侧以某一锐角供给到熔化区域。

这些特性造成一些技术问题和经济问题，其中必须强调如下问题：

-需要在工作室中生成高真空，这使得因为要使用昂贵的高真空泵所以造成器材成本的明显增加，并且因为在每个生产循环之前需要排空工作室而增加了时间，所以器材的效率下降；

-用于操作焊接式电子束枪需要相对高的加速电压，这造成工作室内部生成X射线，并且保护工作人员免于辐射影响，需要把工作室墙的厚度变厚很多，这增加了整个制备系统的重量；

-焊接式电子束枪必须装配单独的高真空泵，以在技术工艺中对阴极有可靠的保护，这增加了器材的成本，并且使得整个系统更大、更重也更复杂；

-焊接式电子束枪阴极是由相当昂贵的材料制成，然而使用时间却相当有限；

-由于技术原因，使用粉末作为原材料来沉积非常复杂；

-难于把原材料与电子束以精确协同的控制方式提供到基质-熔化区域上的相同点，特别是要考虑到这个区域相对于基质在不断地移动，又特别是当电子束枪和供给方式两者是平行移动并要提供这种相对移动的情况；

-由于是从一侧以锐角把原料金属线供给到熔化区域，在金属线之下的基质上会形成阴影区，由于熔化的原材料在固体非熔化的基质之上沉积，这一事实可以在沉积层中造成多孔性或孔洞，由于相同的原因，在熔化区域周围会形成相当复杂的不规则的温度场，造成对于在各个点的特定的凝固速率产生的经沉积材料结构的控制更加复杂地多，另外，金属线从顶部单侧加热，可以由于温度梯度而造成金属线的弯曲，使得难于精确和稳定地把原料金属线直接供给到熔化区域。

跟本发明最相似的技术方案是美国专利US7,073,561，“固体自由形态制造系统和方法”。

现存有固体自由形态的制造方法，该方法在真空中将原材料在模具结构上层化沉积来实现，所述方法包括将能量束指向并且将原料供给到与模具结构(基质)临近的供给点(熔化区域)，因而形成熔化泥(molten puddle)，相对于模具结构来移动供给点，因而现存供给的原料的熔化泥会前进并且预先供给的原料会快速凝固，然后供给点在预先决定的几何容积内顺序前进，所述几何容积包括模具结构的至少一部分，因而通过熔化泥的前进来把原料顺序熔化成在模具结构上拼接的接近净成形的工作件。

从下列材料中选择一种来制备上述模具：复合基底(matrix)、熔点比原料熔点高得多的金属、氮化硼、无机化合物和石墨。

所述方法还包括把模具从工作件分离、分解或溶解模具的步骤。

所述方法中的能量束选择下列中的一种：电子束、离子束、等离子束、火焰喷雾、钨极气体束、金属电弧、气体金属极电弧、微波束、无线电射束、钨极惰性气体束、金属惰性气体束和激光束。

实现所述现有方法的固体自由形态制造系统包括模具结构(基质)，可操作地将原材料供给到与模具临近的供给点(熔化区域)的供给构件，能量束生成构件，所述能量束生成构件可操作地把能量束指向所述供给点并因而形成原材料的熔化泥，移动构件，所述移动构件与所述模具结构偶联并且相对于所述模具可操作地移动所述供给点，控制器，所述控制器与控制所述移动构件的移动偶联，使得所述现存供给的原料的熔化泥前进并且使得预先供给的原料快速凝固，并且供给点在预先决定的几何容积内顺序前进，所述几何容积包括模具结构的至少一部分，因而通过熔化泥的前进来把原料顺序熔化成在模具结构上拼接的接近净成形的工作件。

上述方法和系统在使用电子束作为能量束的实施方式中具有如下重要的缺点：

-使用焊接式电子束枪作为能量，造成在工作室中为了使所述枪正常工作需要特定的附加条件，例如要生成不小于10^-2Pa的高真空，并且在工艺中为了保护阴极要使用单独的高真空泵，另外工作室的墙的厚度必须足以保护工作人员避免由于高加速电压而产生的X射线，所有这些需求都使得器材更大、更重、更复杂和更昂贵。

-在使用粉末作为原材料的情况下，在工艺中受到电子束的影响，粉末的各个颗粒会带负电，并且当负电累计过高时，由于静电排斥而失去控制，颗粒会从熔化区域飞出，造成粉末的不可控制的沉积，使得生产的工作件质量更差和粉末沉积工艺的效率低(增加了粉末的损失)；

-在所述方法中将原料金属线从一侧供给到熔化区域时，由于在金属线下的基质上金属线不可避免地产生阴影区，在熔化区域的周围产生复杂的不均匀的温度场，这在经沉积的层中造成多孔性或孔洞，并且形成生产工作件的不均匀的金属结构。另外金属线从顶部单侧加热，可以形成内部热应力，使得金属线弯曲，造成难于精确和稳定地把原料金属线直接供给到熔化区域，这也会破坏稳定沉积和凝固的条件。这些因素使得通过上述方法，难于生成均匀的结构和所需质量的固体自由形态工作件。

发明内容

本发明的目的是研发提供通过原材料的层化沉积来制备三维物体的更容易和更便宜的方法和系统，提供层化工艺的更好的控制，生成更高质量的生产的工作件，扩大使用不同种类原材料的可能性，也为工作人员提供更安全的工作条件，为制造三维物体提供设计更紧凑、更轻、更简单和更便宜的器材。

根据本发明的方法提供的可预期的良好的技术效果包括将电子束指向基质表面，受所述电子束的影响在基质上形成熔化池，将原材料供给到形成熔化池的熔化区域，通过所述电子束和接收其他熔化材料的沉积，来将原材料熔化进入所述基质上的熔化池中，使得所述熔化区域相对于基质沿着由工作者或程序所设定的轨道来移动，一旦熔化区域离开所述电子束指向的区域，由于熔化的原材料和熔化池的凝固形成沿着轨道的固体沉积层，把所述熔化区域相对于所述基质沿着由工作者或程序所设定轨道的移动并且在预先沉积的层之上形成固体沉积层重复所需的次数，直到最终形成特定的三维物体，其中电子束的形状是空心倒圆锥状，顶点的位置接近基质表面，使用这种电子束以形成所述基质上的熔化池，并熔化原材料，并且沿着所述空心圆锥状电子束的轴通过原料引导(guide)，将原材料供给到熔化区域。

金属线(wire)、芯线(cored wire)和杆可以用作原材料。

同样，一些成捆金属线也可以用作原材料，这些成捆金属线也通过相同的原料引导供给到熔化区域，并且成捆金属线的全部或部分可以由不同金属制成。

同样，通过原料引导末端的喷嘴直接供给到熔化区域的粉末也可以用作原材料。

同样，包含不同物理属性材料的不同材料粉末的混合物，以及具有不同成分组成的粉末也可以一起用作原材料。

金属线、芯线、杆、线捆、粉末、粉末混合物形式的原材料可以从下材料中选择：钛、钛合金、钛金属间化合物、铌、铌合金、铌金属间化合物、钽、钽合金、铝、铝合金、铝金属间化合物、镍基合金、钴基合金、工具钢、复合基底。

由于空心圆锥状电子束顶点相对于基质表面的上下移动，所述移动是通过基质表面和电子源(电子束枪)之间距离的变化而产生，因而由所述基质表面的空心圆锥状电子束的圆截面直径的变化来控制基质上熔化区域的直径和熔化池的直径。

根据本发明生产三维物体的工艺是在技术室中10-10^-2Pa范围的工作真空下进行的。

本发明方法的良好技术效果通过应用所述系统来提供，所述系统包括置于支撑板上用于形成三维物体的基体基质(base substrate)，有电源的电子束枪，把原材料供给到熔化区域的供给构件，把所述具有用于形成三维物体的基体基质的支撑板精确定位的定位系统，用于包围所述支撑板上基体基质的真空密封工作室，所述电子束枪，定位所述具有基体基质的支撑板的供给构件和定位系统，真空系统，控制系统，所述控制系统用于控制制备系统中包括的所有器材、机构和仪器，用于监控所述制备系统中包括的所有系统的工作条件和用于控制制备三维物体的技术工艺，其中用于生成基质上的熔化池和用于熔化所述系统中的原材料的能量源是气体放电电子束枪，所述气体放电电子束枪具有置于与产生空心倒圆锥状电子束的阴极共轴放置的两个圆形阳极之间，将用于将原材料供给到熔化区域的原料引导沿着所述电子束枪的轴放置，并且在一个功能组件中结合所述气体放电电子束枪和所述原料引导。

所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导，并且可以满足具有中部孔洞的基体凸缘，其中将用于供给原材料的原料引导与所述基体凸缘、枪体和具有附着圆形阴极的圆形高压绝缘体共轴固定，这些固定在从底面与其共轴的所述基体凸缘和原料引导上，以及内部圆形阳极电极，所述阳极电极固定在沿着所述原料引导并与之共轴的基体凸缘中的孔孔洞，并且枪体具有外部圆形阳极电极的功能。

圆形阴极的发射面的形状是中心在所述气体放电电子束枪轴上的球截体(segment of a sphere)，并且这个中心决定了有所述电子束枪产生的空心圆锥状电子束的顶点的位置。

生产冷阴极的材料选自下列材料中的一种：铝、铝合金、不锈钢。

具有球截体形状的圆形插件可以插入到圆形阴极的发射面，并且所述插件可以由下列具有高度发射性能的材料制成：铝、铝合金、六硼化镧。

生成的圆形阴极可以冷却水，在这种情况下为了冷却水，生成具有圆形凹洞的圆形阴极。

圆形阴极可以通过圆形阴极固定器来连接到高压绝缘体上，所述圆形阴极固定器使用比圆形阴极更加牢固的材料生成。

生成的圆形阴极固定器可以冷却水，在这种情况下为了冷却水，生成具有圆形凹洞的圆形阴极固定器。

圆形阴极圆柱形表面可以由圆柱形次阴极(by-cathode)电极包围。

圆形高压绝缘体的形状可以是具有延伸的自由表面(extended free surfaces)环形。

枪体可以设计具有顶部圆柱形部件和底部圆锥形部件，所述顶部圆柱形部件连接到电子束枪的基体凸缘上，而所述底部圆锥形部件的形状是倒圆锥形。

原料引导的结构可以设计为在其圆锥形部件中全部或部分具有水冷却。

气体放电电子束枪的加速电压可以在15-45kV的限度内调节。

气体放电电子束枪的加速电压可以在5-15kV的限度内调节。

空心圆锥状电子束的供能(power)可以由高达45kW的具有电源的气体放电电子束枪提供，并且可以在0-45kW的限度内调节。

空心圆锥状电子束的供能可以由高达15kW的具有电源的气体放电电子束枪提供，并且可以在0-15kW的限度内调节。

在生产三维物体的过程中，在所述工作室中真空系统提供10-10^-2Pa范围的工作真空。

用于气体放电电子束枪的工作气体选自下列气体中的一种：氢气、氧气、氢气和氧气的混合气、氮气、氦气、氩气、空气、甲烷。

电子束功率(power)的控制通过电子束电流的控制来完成，所述电子束电流的控制通过改变气体放电电子束枪内部的工作气压来调节。

金属线、线捆、芯线、杆、粉末、粉末混合物形式的原材料可以从下材料中选择：钛、钛合金、钛金属间化合物、铌、铌合金、铌金属间化合物、钽、钽合金、铝、铝合金、铝金属间化合物、镍基合金、钴基合金、工具钢、复合基底。

在包括气体放电电子束枪和原料引导的相同的所述功能组件中，用于供给不同种类原材料的原料引导是可以改变(changeable)的。

所述包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件刚性固定在工作室的内部，并且通过移动所述连接有基体基质的支撑板的方法，以相对于所述基体基质沿着由工作者或程序确定的轨道来移动所述熔化区域，从而用于在所述定位系统控制下形成特定的三维物体。

所述包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件刚性固定在所述工作室的顶板上，使得仅有所述气体放电电子束枪从下面连接到所述功能组件的基体凸缘的这个部件置于工作室的真空空间内，并且在这种情况下，原材料从外部通过原料引导以装配有密封插件供给构件的方法来供给到工作室。在这种情况下，由通过移动所述连接有基体基质的支撑板的方法，以相对于所述基质沿着由工作者或程序确定的轨道来移动所述熔化区域，从而用于在所述精确定位基体基质的定位系统控制下形成特定的三维物体。

所述包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件，通过置于所述工作室的顶板内侧的中间管状垫片来刚性固定在所述工作室的顶板上。在这种情况下，从外部通过原料引导以配有密封插件供给构件的方式，将原材料供给给工作室，并且通过移动所述连接有基体基质的支撑板的方法，以相对于所述基质沿着由工作者或程序确定的轨道来移动所述熔化区域，从而用于在所述基体基质的精确定位的定位系统控制下形成特定的三维物体。

所述包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件完全置于所述工作室内部，并且固定在定位系统的框架上，所述定位系统提供所述工作室的三维空间内部的移动和定位，因而使得相对于所述基体基质沿着由工作者或程序确定的轨道来移动所述熔化区域。

根据本发明所述功能组件的配置在基质上形成实际是圆形的熔化池，并且将原材料以与基质表面垂直的方式精确供给到所述熔化池的中心，所述功能组件包括产生空心圆锥状电子束的气体放电电子束枪和将原材料以与空心圆锥状电子束共轴的方式供给的原料引导。实施方式中使用金属线和杆作为原材料的方法和系统在熔化池及其附近避免生成任何阴影区，因为原材料不会位于电子束到基质的路上。

由于熔化池及其附近没有所述阴影区，对于在整个熔化池中维持材料的液体条件，不需要任何特定的措施，例如通过电子束沿着复杂轨道的扫描以在熔化池及其周围提供不均匀分布的束能量。

在使用金属线或杆作为原材料的所述功能组件的配置中，由于避免了任何不均匀的内部热压力，将原材料均匀的轴对称加热使得在熔化区域附近不会发生金属线或杆的任何弯曲。

在使用粉末作为原材料的本发明实施方式中，所述功能组件将全部原料粉末以与基质表面严格垂直的方式精确供给到所述熔化池的中心，并且因为避免了粉末与熔化池周围的固体基质表面上的碰撞且避免了粉末颗粒从固体表面的反弹，所以实践中没有粉末损失。

根据本发明的方法和系统，将原材料直接垂直供给到与空心圆锥状电子束共轴的熔化池的中心，因为粉末流完全被比单个粉末颗粒负电大得多的空心圆锥状电子束包围，所以避免了由于静电排斥而在熔化区域发生的具有累积负电的粉末颗粒的飞出，并且粉末颗粒也不会到由电子束形成的假想圆锥的表面之外。本发明的用于把粉末作为原材料的配置的上述特性使得原材料的使用效率显著提高(高达100％)。

另外，本发明中供给粉末的配置使得对于粉末颗粒的形状要求低很多，并且可以加工为原材料的成分组成，使得可能共同使用具有不同物理属性的不同材料以及不同的成分组成的粉末混合物。

本发明提供的圆形轴对称形状的熔化池以及将原材料以与基质表面垂直的方式精确供给到所述熔化池的中心，显著简化了熔化池内部及其周围的热力过程的物理和数学模型以及这些运行过程的实时控制，使得对于形成凝固层结构的控制好得多，所述凝固层结构直接依赖于熔化材料的冷却和凝固速率。由于根据本发明的生产工艺形成了初步特定的材料结构，所以这个优势显著改善了生产的三维物体的质量。

圆形轴对称形状的熔化池以及将原材料以与基质表面垂直的方式精确供给到所述熔化池的中心，也显著简化了对于熔化池内部及其周围的过程的监控，并且，所述监控可以通过直接视觉观察和第二控制方法两者来实现，所述第二控制方法例如通过反射电子的控制、通过电子从熔化池表面的二次发射的控制、通过温度场的控制等。

由使用具有冷阴极的气体放电电子束枪作为生成空心圆锥状电子束的来源，来提供本发明生产三维物体的方法和系统的显著技术和经济优势。

对于其中安装有枪的常见技术安装的真空系统的电子束，这种电子束枪的内部空间可以直接从出口孔或缺口排除。当工作室中的真空达到几Pa到几百Pa范围内的通常工作水平时，在气体放电电子束枪的阴极上使用5-45kV限度内的加速电压。工作气体例如是氢气、氧气、氢气和氧气的混合气、氦气或其他气体，将工作气体通过进口接套(inletnipple)供给到气体放电电子束枪的放电室。在所述条件下，在阴极和阳极之间的枪放电室内部开始具有阳极等离子体高压辉光放电(glow discharge)。所述阳极等离子体是离子源，在由阴极电势降(potential drop)区域和产生离子发射的冷阴极轰击表面(bombardsurface)的电场来加速所述离子源。阴极电势降区域的相同电场会加速从阴极表面发射出的电子，并且形成电子束，电子束的形状由阴极发射面的配置决定，因为发射出的电子在各个发射点上以与表面精确垂直的方式从阴极表面飞出。因此，例如如果冷阴极的形状是位于两个圆形阳极电极并且方向是与所述阴极共轴的圆形，并且所述阴极发射面的形状是中心在气体放电电子束枪的轴上的球截体，从这种阴极发射的电子会形成具有空心倒圆锥形状的电子束，并且所述圆锥的顶点会与所述假想球体的中心位置一致。因此，由阴极发射面的几何结构提供这种电子束枪电子束的初级聚焦，并且这种聚焦并不需要应用分离的聚焦系统。由枪放电室内部压力的变化通过增加或降低工作气体供应速率来控制电子束流的变化，所述电子束流的变化会调节气体放电电子束枪产生的电子束功率。

因此由于上述配置有这种类型电子束枪系统中，气体放电电子束枪生产三维物体的工作原理，可以实现工作室中10…0.01Pa的真空。这种情况使得不需要使用真空器材设置中的高真空泵，并且显著降低了在工作室中到达可允许的工作条件的排气时间，使得跟配置有热电子的电子束枪的相似生产系统相比，用于生产三维物体的器材有更高的普通生产率。同样，气体放电电子束枪也不需要使用单独的高真空泵以在枪内部产生对于阴极保护所需要的真空。用于生产三维物体并配有气体放电电子束枪的器材真空系统的总成本因此会比配有热电子电子束枪的相似系统低得多。另外，用于生产三维物体的整个系统的总重量也显著减小，这在一些例如把这种器材用于航天器甲板上的示例中非常重要。

气体放电电子束枪的冷阴极通常由并不昂贵的材料来制备，并且还有极长的使用期限。这一特征也降低了用于生产三维物体的器材的成本和工作花费。

在相对低的加速电压下，气体放电电子束枪生产高质量电子束的能力使得在电子束的影响下，降低了由基质材料生成的X射线的强度。由于这一事实，可以减少工作室的墙壁厚度，而不违反对于工作人员的辐射保护的安全需要。因此，用于生产三维物体的全部系统的总重量也显著减小，这对于在一些例如把这种器材用于航天器甲板上的示例中非常重要。

附图简要说明

图1的方案设计显示了包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件，这是根据本发明生产三维物体的系统的重要组成部件。

功能组件1由气体放电电子束枪2和原料引导3组成，它们通过把原料引导体5刚性固定在与基体凸缘共轴的电子束枪基体凸缘4的中心孔上的方式，从而结合在一个组装单元中。枪体6圆柱形部件和圆形高压绝缘体7固定在下面与其共轴的基体凸缘4上。圆形阴极8连接到圆形高压绝缘体7上，使得高压绝缘体提供圆形阴极的可靠的绝缘，在所述枪其他部件的高的负电位下工作。圆形阴极8的发射面8a的形状是球截体，球截体的中心决定了空心倒圆锥顶点9a的位置，所述空心倒圆锥是由气体放电电子束枪2产生的电子束9形成的。内部圆形阳极电极10与沿着原料引导体5的基体凸缘4的中心孔共轴固定，并且由圆柱形部件6和圆锥形部件11组成的枪体的作用是外部阳极电极。枪体圆锥形部件11和原料引导体5形成了气体放电电子束枪2的放电空间12。原料引导的圆锥形部件13和枪体11圆锥形部件11的底端形成圆形缺口，用于在气体放电电子束枪2外部的空心圆锥状电子束9的出口。通过插入枪体圆柱形部件6或基体凸缘4(图中没有显示)的接套，向枪的放电空间12提供工作气体。通过引线(feedthrough)15向阴极应用高压，所述引线15插入所述基体凸缘4的电绝缘孔中。原材料16(如图1中实施方式所示，是金属线)从供给构件17的顶端供给到原料引导3。

相对于基质18放置功能组件1，使得由电子束9形成的空心倒圆锥的顶点9a位于基质18的表面附近。由于这种定位，集中的电子束9的能量使得基质材料熔化，并形成基质18的表面上的熔化池19。金属线形式的原材料16供给到形成熔化池19的区域(到熔化区域)，金属线的末端被空心圆锥状电子束9均匀地包围，受到熔化池19内部或略微上面的电子束能量的直接影响而产生熔化，从而使得金属线末端的熔化的原材料精确地向下滴流到熔化池19的中心。

图1中的箭头20象征性地表示功能组件1相对于基质18的移动，这因而意味着熔化池19的移动。一旦离开电子束加热区域(熔化区域)，由于热量传递给了基质体并且由于从熔化池表面的热辐射，在功能组件1的初步定位中形成的熔化池快速凝固，形成固体沉积层(熔化的泥)21，并且产生某种程度(value)上基质厚度的增加。应该注意到功能组件1相对于基质18的移动可以通过移动功能组件1或移动基质18或同时移动这两个部件来完成。

图2显示了具有一些可能的设计方案、包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件的另一个实施方式。在这个变化形式中，圆形阴极8通过圆形阴极固定器22连接到高压绝缘体7上，所述固定器使用比阴极更加牢固的材料制成。在这种变化形式中，设计圆形阴极固定器22具有用于冷却水的圆形孔洞23，因此用于供应和排除冷却水到圆形阴极固定器22的进口接套24和出口接套25插入基体凸缘4的电绝缘孔中。同样，图2显示了功能组件设计的某种变化形式，其中制备的气体放电电子束枪的圆锥形部件11和原料引导结构具有由水冷却。同样，图2显示了高压绝缘体7设计的某种变化形式，其中所述绝缘体的形状为具有延伸的自由表面的环形。同时所显示的延伸的自由表面的构型仅仅是示例，并不排除根据实际的气体放电电子束枪电流-电压特性而使用其他的表面构型。

图3显示了圆形阴极8变化形式的方案设计，其中具有球截体的圆形插件26插入到圆形阴极的发射面8a中，所述球截体由具有更高发射能力的材料制成。

图4显示了包括气体放电电子束枪和原料引导的功能组件1实施方式的方案设计，其中使用粉末25作为原材料。在所显示的构型中，原料粉末25通过原料引导3末端的喷嘴27以气流26方式供给到熔化区域。诸多粉末供应工业方法和喷嘴构型之一可以用于根据粉末材料、部分组成、运载气体和粉末的其他物理和化学特性，来供给粉末。图4也显示了具有水冷却28的原料引导3的设计。

图5显示了根据本发明实施方式的用于生产三维物体的整个系统的方案设计，其中包括气体放电电子束枪2和原料引导3的功能组件1以及供给构件17完全置于工作室的内部。所述整个系统由下列组成：真空密封工作室29，包括气体放电电子束枪2和原料引导3的所述功能组件1，所述供给构件17，用于形成置于所述支撑板30上的三维物体的基体基质18，用于提供熔化区域相对于基质沿着由工作者或程序设定的轨道移动的精确定位系统31和36，真空系统32，用于气体放电电子束枪的高压电源33，用于气体放电电子束枪的气体提供系统34，控制系统35，所述控制系统35用于控制作为所述完整生产系统的部件的所有器材、机构和仪器，用于监控所有系统的工作条件和控制生产三维物体的技术工艺。在将所述功能组件完全置于工作室内部的实施方式中，有两种提供熔化区域相对于基质来移动的变化形式–第一种是将具有连接的基体基质的支撑板置于定位系统31的移动平台上并且刚性固定功能组件，第二种是将功能组件置于定位系统36的移动平台上移动，并且刚性固定具有连接的基体基质的支撑板。

图6显示了根据本发明实施方式生产三维物体的完整系统的方案设计，其中包括气体放电电子束枪2和原料引导3的功能组件通过中间管垫片38来刚性固定在工作室28的顶板37上，使得仅有所述气体放电电子束枪2从下面连接到所述功能组件基体凸缘4的部件，置于工作室29的内部真空中，并且这种情况下，原材料16从外部通过原料引导以装配有密封插件39的供给构件的方式，供给到工作室。在这种情况下，以将连接有基体基质的支撑板基体基质置于定位系统的移动平台上的方式，来提供熔化区域相对于基质沿着由工作者或程序设定的轨道移动。

工业应用性

本发明公开的用于生产三维物体的方法和系统，可以用于高效生产特别是由活性材料(reactive material)制成的复杂构型的高质量部件，所述活性材料的熔化工艺需要使用保护气体和高功率集中的能量源，例如钛、钛合金、钛金属间化合物、铌、铌合金、铌金属间化合物、钽、钽合金、铝、铝合金、铝金属间化合物、镍基合金、钴基合金、工具钢、复合基底。所述方法和系统也可以在某些条件下高效使用，所述条件中用于生产三维物体的整个生产系统的重量和尺寸是关键的参数，例如是在航天器甲板上。

Claims (33)

1.一种生产三维物体的方法，所述方法包括：在电子束的影响下在基质上形成熔化池，将原材料供给到其中形成所述熔化池的熔化区域，通过所述电子束和将接受的其他熔化材料沉积在基质上所述熔化池中的方式来熔化所述原材料，将熔化区域相对于基质沿着由工作者或程序设定的轨道移动，一旦熔化区域离开所述电子束指向的区域由于熔化的原材料和熔化池的凝固而沿着所述轨道形成固体沉积层，将所述熔化区域相对于基质沿着由工作者或程序设定的轨道的移动重复所需次数，直到完成形成特定的三维物体，其中电子束的形状为空心倒圆锥，顶点位于熔化区域附近，所述电子束用于形成基质上的熔化池并用于熔化原材料，并且原材料通过原料引导沿着所述空心圆锥状电子束的轴供给到熔化区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述原材料是金属线、芯线或杆。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述原材料是一些成捆金属线，所述成捆金属线通过相同的原料引导供给到所述熔化区域，并且成捆金属线的全部或部分可以是不同材料制成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述原材料是粉末，所述粉末通过所述原料引导末端的喷嘴直接供给到所述熔化区域。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述原材料是包括不同物理属性材料的不同材料粉末和具有不同成分组成的粉末的混合物。

6.根据权利要求1-5所述的方法，其中所述以金属线、芯线、杆、线捆、粉末、粉末混合物形式的原材料由下述材料制成：钛、钛合金、钛金属间化合物、铌、铌合金、铌金属间化合物、钽、钽合金、铝、铝合金、铝金属间化合物、镍基合金、钴基合金、工具钢、复合基底。

7.根据权利要求1所述的方法，其中由于通过改变基质表面和电子源(电子束枪)距离的方式来实现空心圆锥状电子束的顶点相对于基质表面上下移动，所以由所述空心圆锥状电子束的基质表面圆形截面的直径的改变来控制所述基质上熔化区域的直径和所述熔化池的直径。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在工作室中10-10^-2Pa范围的真空下，进行生产三维物体的工艺。

9.一种用于生产三维物体的系统，所述系统包括基体基质，所述基体基质用于形成置于支撑板上的三维物体，具有电源的电子束枪，所述电子束枪是形成所述基质上的熔化池的能量源，供给构件，所述供给构件用于将专用于层化生产三维物体的原材料供给到熔化区域，定位系统，所述定位系统用于精确定位用于形成三维物体并具有基体基质的支撑板，真空密封工作室，所述真空密封工作室用于包围所述支撑板上的基体基质，所述电子束枪，所述供给构件和所述定位具有基体基质的支撑板的定位系统，真空系统，控制系统，所述控制系统用于控制所述生产系统包括的所有器材、机构和和仪器，用于监控所述生产系统包括的所有系统的工作条件以及用于控制生产三维物体的技术工艺，

其中用于在基质上生成熔化池和用于在所述系统中熔化原材料的能量源是气体放电电子束枪，所述气体放电电子束枪具有与阴极共轴放置的置于两个圆形阳极电极之间的冷圆形阴极，产生空心倒圆锥形状的电子束，并且用于把原材料供给到熔化区域的原料引导沿着所述电子束枪枪的轴放置，并且在一个功能组件中结合所述气体放电电子束枪和所述原料引导。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导，所述功能组件具备中心有孔洞的基体凸缘，其中用于供给原材料的原料引导与所述基体凸缘共轴固定，枪体和具有连接的圆形阴极的圆形高压绝缘体从下面与之共轴固定在所述基体凸缘和原料引导上，并且内部圆形阳极电极沿着所述原料引导并且与之共轴固定在所述基体凸缘的孔洞上，枪体的功能是外部圆形阳极电极。

11.根据权利要求9-10所述的系统，其中圆形阴极发射面的形状是中心在所述气体放电电子束枪的轴上的球截体，并且所述中心决定由所述电子束枪生成的空心圆锥状电子束的顶点位置。

12.根据权利要求9-10所述的系统，其中用于生产所述圆形阴极的材料选自下列材料中的一种：铝、铝合金、不锈钢。

13.根据权利要求9-10所述的系统，其中形状为球截体的圆形插件插入到所述圆形阴极的发射面上，所述插件由选自下列具有高发射性能的材料中的一种来制备：铝、铝合金、六硼化镧。

14.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述圆形阴极具有用于冷却水的圆形孔洞来冷却水。

15.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述圆形阴极通过圆形阴极固定器连接到所述高压绝缘体上，所述圆形阴极固定器由比圆形阴极材料更牢固的材料来制成。

16.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述圆形阴极固定器具有用于冷却水的圆形孔洞来冷却水。

17.根据权利要求9-10所述的系统，其中由圆柱形次阴极电极包围所述圆形阴极的圆柱形表面。

18.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述高压绝缘体的形状是具有延伸的自由表面的环形。

19.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述电子束枪体具有顶部圆柱形部件和底部圆锥形部件，所述顶部圆柱形部件连接到所述气体放电电子束枪的基体凸缘上，所述底部圆锥形部件的形状是倒圆锥状。

20.根据权利要求9-10所述的系统，其中原料引导的结构设计为具有全部或部分在圆锥形部件内的水冷却。

21.根据权利要求9所述的系统，其中所述电子束枪的工作加速电压的范围是15-45kV，并且所述工作加速电压在这个限度内调节。

22.根据权利要求9所述的系统，其中所述电子束枪的工作加速电压的范围是5-15kV，并且所述工作加速电压在这个限度内调节。

23.根据权利要求9所述的系统，其中具有电源的所述电子束枪向所述空心圆锥状电子束提供高达45kW的供能，并且电子束的电源在0-45kW范围内调节。

24.根据权利要求9所述的系统，其中具有电源的所述电子束枪向所述空心圆锥状电子束提供高达45kW的供能，并且电子束的电源在0-15kW范围内调节。

25.根据权利要求9所述的系统，其中在生产三维物体的工艺中，所述真空系统提供所述工作室中10-10^-2Pa范围的工作真空。

26.根据权利要求9所述的系统，其中气体放电电子束枪的工作气体选自下列气体中的一种：氢气、氧气、氢气和氧气的混合气、氮气、氦气、氩气、空气、甲烷。

27.根据权利要求9所述的系统，其中电子束功率的控制通过电子束电流的控制来完成，所述电子束电流的控制是通过改变气体放电电子束枪内部的工作气压来调节。

28.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统使用金属线、芯线、杆、线捆、粉末、粉末混合物形式的原材料从下材料中选择：钛、钛合金、钛金属间化合物、铌、铌合金、铌金属间化合物、钽、钽合金、铝、铝合金、铝金属间化合物、镍基合金、钴基合金、工具钢、复合基底。

29.根据权利要求9所述的系统，其中用于供给不同种类原材料的原料引导在所述功能组件的相同结构内部是可以变化的，所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导。

30.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导，所述功能组件刚性固定在工作室内，并且在熔化区域中形成熔化池且供给原材料，以具有连接的基体基质的支撑板移动的方式来提供熔化区域相对于所述基体基质沿着由工作者或程序设定的轨道移动，从而在所述定位系统的控制下形成特定的三维物体。

31.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导，所述功能组件刚性固定在所述工作室的顶板上，使得仅有所述电子束枪从下面连接到所述功能组件的基体凸缘上的这个部件置于工作室的真空空间内，并且原材料从外部通过原料引导以装配有密封插件的供给构件的方法来供给到所述工作室。

32.根据权利要求31所述的系统，其中所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导，所述功能组件通过置于所述工作室的顶板内部的中间垫片来刚性固定在所述工作室的顶板上。

33.根据权利要求9-10所述的系统，其中所述功能组件包括气体放电电子束枪和原料引导，由于所述功能组件刚性固定在定位系统的边框上，所以所述功能组件安装在工作室的三维空间内并且可以移动，因而提供熔化区域相对于所述基体基质沿着工作者或程序设定的轨道移动，在所述区域中形成熔化池且供给原材料。