CN109789483B - 电子束3d打印机 - Google Patents

Abstract

一种电子束3D打印机，包括室和操作室，所述室用于生成电子束且将所述电子束加速，金属粉末在所述操作室中融化，随后生成三维产品。用于生成电子束且将所述电子束加速的所述室容纳用于生成电子束的设备和用于将生成的电子束加速的设备，而所述操作室容纳用于沉积所述金属粉末的至少一个平台、金属粉末处理设备以及电子束偏转设备。用于生成的电子束的所述加速器设备包括由交替信号馈送的一系列共振腔。

Description

电子束3D打印机

技术领域

本发明涉及一种电子束3D打印机。

背景技术

在用于PBD金属(粉末层增材制造)的3D打印技术中，高功率密度热源被用于以选择性方式融化金属粉末。粉末的融化以局部性方式发生在某些特定区域中，在该区域中必须获得用于构建三维部件的密实材料。该部件通过将被逐渐沉积在其他粉末层顶部上的粉末层融化且随后固化而制成。

特别地，设想操作室的存在，粉末融化工艺发生在该操作室中的可控气氛中。在操作室内部存在一些能够控制粉末供应的处理装置。

通常情况下，某一量的粉末以现有技术中描述的许多方式中的一种方式沉积在先前厚度上，逐步覆盖待制成的物体。沉积在构造层上的粉末量取决于在热源的单次扫描期间使用的粉末层的厚度。

一旦构造层已经由期望厚度的粉末覆盖，则高功率密度热源被激活且被设定为在构造层上运动。显而易见地，如在3D打印的情况下，高功率密度热源在单层粉末上的运动取决于待制成的部件的几何结构和它如何由CAD/CAM软件分层(片)。一旦已经完成粉末层的整个表面的扫描，其中有必要获得固体区域和密实材料，则构造层向下移动约等于初始沉积的材料层的厚度的距离。根据被加工的材料类型，初始沉积在构造层上的粉末层与融化层的厚度之间的差异趋向于经历改变。此时，重复先前指示的操作，其中将连续粉末层沉积且将其局部性融化，仅仅需要构建一部分密致材料。

因此，高功率密度热源将粉末融化，仅仅需要具有密实材料，以便于创建部件，如CAD附图上指示的。

必须指出，整个选择性融化工艺在惰性气体环境(因其便宜经常使用的氮气，或在特别是反应材料(诸如钛)的情况下为氩气)中发生以限制氧化。

以上程序使用两种类型的高功率密度热源：(a)激光束以及(b)电子束。

激光束聚焦70μm与200μm之间的可变光斑，该可变光斑表示当前技术的对待融化粉末的下限。将创建的物品的精度水平以及执行速度与光斑尺寸相关联。通常，镱掺杂光纤源被用作激光源。生成的激光束特征是波长约等于1060nm-1070nm，其中功率在200W与400W之间变化。为了提高生产率，往往增加该功率，使其数值约为kW。一旦生成，激光束由透镜聚焦且由检流计系统移动的反光镜适当地偏离。使用的激光束的扫描速度具有从1m/s到约10m/s的数值。

本技术中采用的其他源是电子源，该电子源由电子枪产生，并由具有高达50kV-60kV电压的静电场加速。束的尺寸以及融化界限(melting definition)通常不小于200μm。本特性是由于空间电荷，即，沿着从枪到靶的路径发生的电子之间的相互排斥。

如本领域技术人员出于本能可见，本特性构成对使用作为高功率密度热源的电子束的限制。此外，如先前提到的，尝试增加热源的功率以提高生产率。这可以在静电枪中通过增加电流、以及空间电荷和其尺寸，或通过增加加速电压来实现。然而，上个选择具有某些技术限制，这是由于高电场，更确切地说由于放电电流和杂散电流的可能性，由于可能扰乱工艺的场效应。

总之，在当前技术允许的电压值下，空间电荷效应，即电子的相互排斥，仍然是不能克服的限制，这是因为它足以使束偏离从而不可能使光斑尺寸减小。基于以上理由，与电子束打印机相比，使用激光的打印机设法具有细节上更好的分辨率和更好的表面质量。

然而，通过具有更高功率水平，电子束机器与激光机器相比通常生产率更高，且不像激光机器，电子束机器提供传递到粉末的电子束能量，而独立于粉末及其表面的类型。此外，源自使用电子束的另一优点视为扫描速度。事实上，电子射线是源自磁场，而激光射线是源自反光镜的检流计系统，该检流计系统的运动必然牵扯存在机械惯性以及更长的致动时间。

因此，意识到，需要具有电子束3D打印机，该打印机除了具有以上优点之外应具有等于或更好于使用激光可实现的融化界限的融化界限。

申请人已经研制一种能够操作的具有约30μm光斑尺寸的电子束3D打印机，因此成功实现等于或更好于使用激光获得的融化界限的融化界限。

发明内容

本发明的主题是一种电子束3D打印机，包括第一室和第二操作室，所述第一室用于生成电子束且将所述电子束加速，金属粉末在所述第二操作室中被融化，随后生成三维产品；所述第二操作室容纳用于沉积所述金属粉末的至少一个平台、金属粉末处理设备以及电子束偏转设备；所述3D打印机特征在于它包括，依次为：阴极，被容纳在所述第一室中且被设计为提供在0.5mA与2mA之间变化的电流；容纳在所述第一室中的一组静电透镜；一系列具有遵从正弦定律的时间变量电磁场的共振腔，所述共振腔的振荡频率在Ghz范围，并且所述共振腔被容纳在所述第一室中；以及布置在所述第一室与所述第二操作室之间的窗组件；所述窗组件包括：上分隔壁和下分隔壁，所述下分隔壁与所述上分隔壁形成压力补偿室；被插入所述分隔壁中的窗以及阀，所述电子束通过所述窗，所述阀用于使所述第一室和所述压力补偿室连通；以及配备有闭合凸缘且被设置在所述下分隔壁中的孔口。

优选地，加速器单元由以共振频率振荡的一系列腔形成。

优选地，所述阴极是热电子阴极或场致发射阴极。

优选地，所述一组静电透镜包括第一栅格和多个连续栅格，所述第一栅格相对于所述阴极处于低电位，为了仅允许在比能量范围内的电子通过，所述多个连续栅格的电位为几千伏特，以在进入具有共振腔的加速器区段之前创建静电加速场。

附图说明

为了说明性目的，以下借助于附图描述非限制示例，该附图是形成本发明的主题的3D打印机的极端示意图。

具体实施方式

在附图中，附图标记1总体上表示根据本发明的3D打印机。

3D打印机1包括外部结构S和操作室3，该外部结构S限定用于生成电子束且将该电子束加速的室2，在该操作室3中，金属粉末被融化以创建三维产品。

通常，在室2中产生约10^-7毫巴的真空，以用于生成电子束且将该电子束加速，而在操作室3中产生约10^-3毫巴的真空。

沿着电子束的路径，3D打印机1包括，依次为，优选为热电子的阴极4、被设计为创建具有期望尺寸的光斑的一组静电透镜5以及一系列共振腔6。

阴极4、一组静电透镜5以及一系列共振腔6被全部容纳在室2内。

阴极4能够提供在0.5mA与2mA之间变化的脉冲电流。

阴极必须能够支持高电流密度，这是因为发射表面必然非常小，以便于创建小尺寸的最终光斑。

一组静电透镜5包括一系列加速器栅格，第一加速器栅格相对于阴极处于低电位，为了仅允许在比能量范围和大约所谓同步相位的相位内的电子通过。

事实上，当共振腔内部的场是正弦曲线时，相对于入射束必然有正确的相位关系，以便于使其接收合适量能量。实际上，束到达腔的入口处，具有某一空间和能量分散以及因此不同于加速器场的相位。可以证实，具有大约同步相位的合适能量范围的电子场以彼此分离为一段正弦曲线场的束的形式进行聚集，并且以几乎相同位置、相同相位以及相同能量将近似在相同方向上移动。

3D打印机1也包括窗组件7，该窗组件7被设计为允许电子通过且以密封方式将室2与操作室3分离。

窗组件7包括上分隔壁8和下分隔壁9，该下分隔壁9与上分隔壁8形成压力补偿室10。电子束通过的窗11以及用于使室2和压力补偿室10连通的阀12被插入上分隔壁8中。配备有闭合凸缘14的孔口13被设置在下分隔壁9中。

在使用中，从阀12打开和孔口13通过闭合凸缘14关闭的配置开始，在室2内创建低气压(depression)直至达到约1x10^-7毫巴的数值。因为阀12打开，所以相同低气压到达压力补偿室10。此时，保持孔口13关闭，在室3中创建低气压直至达到约1x10^-3毫巴的数值。一旦在室3中已经创建低气压，则阀12关闭，然后孔口13打开。在该过程中，压力补偿室10将从1x10^-7毫巴的压力转到1x10^-3毫巴的压力。

如本领域技术人员出于本能可见，窗组件7能够具有几μm(下至1μm)厚度的窗11，而不遭遇因窗两侧之间的压力差导致的故障问题。

为了充分理解根据本发明的窗组件7的效用，应强调，窗可能需要最薄的厚度，以便于阻止窗材料融化或阻止电子束弱化。事实上，以非常小的光斑(使用该装置的主要优点)聚集的电子束的能量可能以其融化粉末的相同方式融化窗，这是装置的特殊功能。

然而，根据现有技术，太薄的窗不能够支持在将室降压的步骤期间在窗两侧之间必然产生的压力差。

窗组件7成功保证窗未经受重大压力差，因此能够使用厚度被减小至几微米且表面小于3mm²的窗。

窗11优选由从铍、钛以及钛-铬选择的材料制成。

3D打印机1也包括磁偏转设备15、工作台16、用于工作台16的处理设备17以及金属粉末处理设备18，该磁偏转设备15被设计为执行电子束在粉末层上的定位，该工作台16上沉积有待融化的金属粉末。

磁偏转设备15、工作台16、工作台处理设备17以及金属粉末处理设备18被容纳在操作室3中。

特别地，磁偏转设备15进一步包括环形电磁偏转线圈，例如以便于通过使用可变电流将束引导在工作台上的任何点上。

在操作期间，生成的电子束被连续偏离，以便于追踪由控制软件限定的模式以在期望点处精确地融化粉末。

偏转是电子束经过可变磁场的结果，该可变磁场由被安装为紧接在窗组件7之后的偏转线圈产生。

为了阻止偏转引起融化平面的周界处的光斑尺寸增加(散焦)，通常可期望由线圈生成的场在束的入口端处是均匀的且更强。这通过使用具有余弦状分布的偏转线圈来实现。然而，当该场几何结构被用来以足够大角度偏转时，电子束相对于工作台的其他区域在拐角处偏转较小，从这个意义上来说，发生光栅损坏；因此，通过投射具有对应于工作台端部的拐角的矩形或正方形获得的形状类似于枕形(cushion)，而不是矩形。

本类型的失真可以通过使用额外元件(诸如反枕形磁体)来补偿，但是该失真优选为经由软件来更正。

因此，初始校准步骤是必要的，在该初始校准步骤中，偏转系统的引导系统可以根据期望位置以自主学习模式调节引导。

替代地，已经产生光栅扫描，即逐行覆盖整个关注面，该关注面由电视机中使用的阴极射线管以类推方法被限定为“帧”。在这种情况下，每帧的频率由速度给出，电子束利用该速度能够追随所有行，并且通过调制电子束仅仅融化需求点中的粉末。融化也可以发生在多于一个的多个“帧”中，以便于具有系统的热稳定性的优点。行的数量必须与期望精度成比例；例如，利用直径为30微米的光斑，在400mm x 400mm平台的上需要考虑约13000渐进且非交错的行。完整扫描的持续时间主要取决于基于必需融化能量的材料和电子束的能量。

根据本发明的3D打印机比现有技术的3D打印机杰出之处在于它使用一系列共振腔，该共振腔具有遵从正弦定律的时变场而不是如用于将电子束加速的设备那样具有静电场。

这种差异能够包括光斑尺寸以使其尺寸甚至小于使用激光可获得的光斑尺寸。事实上，只要电子束离开热电子阴极4且被快速加速到高(且容易可变)能量水平，电子束即被捕获/被限制，因此允许空间电荷、即电子之间沿着从枪到靶的路径而发生的相互排斥，被保持为最小。

此外，一系列加速器腔6确保较大的灵活性和动态性，能够简单调节电子束的能量，例如具有能够改变电子穿透到将被融化的粉末中的优点。同时，束的功率水平可以根据需要而修改，从而允许束扫描时间的整体灵活性。

如已经从上述描述可见，为了从电子束获得高功率而不增加电流以及光斑尺寸，一个必须作用于加速器场。为了避免由于当前技术中使用的单个静电场的最大可能数值而导致的限制，本发明转向由一系列若干共振腔获得的电子的加速推力的细分，该共振腔包括具有约10Ghz频率的正弦曲线电磁场。

腔由发电机通过传输线或波导来提供动力。为了加速，在腔中建立的电磁场具有沿着粒子的传播方向定向的电场分量。此外，由于场是正弦曲线，已经作出布置从而相对于进入每个腔中的电子束存在正确的相位关系，以使其接收经过每个腔的合适量的能量。

此外，腔的纵向尺寸已经适于粒子的生长速度以保存其与场的同步性。

约10Ghz的功率频率能够保持振荡腔的尺寸紧凑，以使整个加速器线保持低于一米。

总之，形成本发明的主题的3D打印机具有将通过激光源可获得的精度与通过电子束源可获得的生产率组合的很大优点，同时，能够从束功率和能量的极大灵活性获益。

Claims (4)

1.一种电子束3D打印机(1)，包括第一室(2)和第二操作室(3)，所述第一室(2)用于生成电子束且将所述电子束加速，金属粉末在所述第二操作室(3)中被融化，随后生成三维产品；所述第二操作室(3)容纳用于沉积所述金属粉末的至少一个平台(16)、金属粉末处理设备(18)以及电子束偏转设备(15)；所述3D打印机特征在于它包括，依次为：阴极(4)，被容纳在所述第一室(2)中且被设计为提供在0.5mA与2mA之间变化的电流；容纳在所述第一室(2)中的一组静电透镜(5)；一系列具有遵从正弦定律的时间变量电磁场的共振腔(6)，所述共振腔(6)的振荡频率在Ghz范围，并且所述共振腔(6)被容纳在所述第一室(2)中；以及布置在所述第一室(2)与所述第二操作室(3)之间的窗组件(7)；所述窗组件(7)包括：上分隔壁(8)和下分隔壁(9)，所述下分隔壁(9)与所述上分隔壁(8)形成压力补偿室(10)；被插入所述分隔壁中的窗(11)以及阀(12)，所述电子束通过所述窗(11)，所述阀(12)用于使所述第一室(2)和所述压力补偿室(10)连通；以及配备有闭合凸缘(14)且被设置在所述下分隔壁(9)中的孔口(13)。

2.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，加速器单元由以共振频率振荡的一系列腔形成。

3.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述阴极(4)是热电子阴极或场致发射阴极。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的3D打印机，其特征在于，所述一组静电透镜(5)包括第一栅格和多个连续栅格，所述第一栅格相对于所述阴极处于低电位， 所述多个连续栅格的电位为几千伏特，以在进入具有共振腔(6)的加速器区段之前创建静电加速场。

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