CN110301027A - 关于使用带电粒子束的添加层制造的改进 - Google Patents

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Abstract

提供了添加层制造中的电荷迁移的方法，其使用带电粒子束(103)来熔融金属粉末床(123)内的金属粉末(122)以逐层形成产品，该方法包括使用带电粒子束光学系统来形成带电粒子束，操控带电粒子束入射在金属粉末的粉末床上并且扫描过粉末床以将粉末熔融成期望的层形状。在操控带电粒子束的同时，该方法包括使用中和粒子源(160)来在带电粒子束的附近生成与带电粒子具有相反电荷的中和粒子，使得中和粒子被吸引到粉末床中的粉末的带电粒子。还提供了一种添加层制造装置(100)。

Description

关于使用带电粒子束的添加层制造的改进
技术领域
本发明涉及电子束或带电粒子添加层制造中的金属粉末上的电荷控制。
背景技术
添加层制造是一种制造过程，其中材料被选择性地分层沉积在基底上以形成三维物品。为此过程采用的最著名的技术之一是粉末床熔融，其中一薄层的粉末—通常是金属或者塑料—被诸如激光或电子束之类的能量源选择性地熔化。粉末层的熔化区域形成物品的截面部分，而层中的未熔化粉末被丢弃并且通常在该过程结束时被回收利用。在该层已被选择性熔化之后，新的一层粉末被沉积，然后也被选择性地熔化，从而逐层地构造完整的物品。
本发明主要涉及使用由电子束加热的金属粉末的添加层制造，虽然诸如带正电离子之类的其他带电粒种也可用于加热金属粉末床。电子光学组件提供电子束。电子光学组件包括电子源和电场和/或磁场来形成、调节和操控电子束。通常，利用电磁偏转器来操控电子束，这些电磁偏转器被控制来将电子束扫描过粉末床，使得可在粉末床上扫描或描摹某个图案。类似的布置可用于生成、调节和操控带电粒子束。
由于电子束被扫描过粉末床，所以能量被沉积到粉末上，升高其温度。对电子束的暴露被小心控制以确保金属粉末的完全熔化，从而使得顶层内的粉末粒子熔融在一起并且使得顶层内的粉末粒子也与前一层熔融，从而形成固体产品。
金属粉末通常是金属合金，并且在添加层制造中使用了某个范围的材料。铝合金和钛合金两者都由于其合乎需要的材料属性被使用，虽然两者都苦于一个缺点，即这两种材料都倾向于氧化并且变成绝缘或半绝缘粉末。当处于此绝缘或半绝缘状态中时，用带负电的电子束照射使得金属粉末粒子变得自身带电并且保持该电荷或其一部分。当用带正电的粒子照射时类似的效应发生，不过金属粉末粒子获得净正电荷而不是负电荷。
随着电荷累积增大，金属粉末粒子由于空间电荷效应而相互排斥并且它们可在粉末床上方或旁边形成带电金属粒子的云或区域。此外，在电子束处理所要求的真空条件下，带电金属粒子由于库仑排斥而自由移动。在真空室内可维持通常10-3到10-6毫巴的压力。因此，移动带电金属粒子在真空室中四处迁移，包括迁移到电子光学组件中，在这里它们可不利地影响电子光学组件。此外，带电粒子可迁移到电子光学组件顶部，到电子或带电粒子源之处，该电子或带电粒子源通常将被保持在例如-60kV的高电压。将金属粒子引入到电子光学组件的这个区域中将会引起高压电弧作用，这可能对电子或带电粒子发射器或者高压电源本身造成损坏。要清除这些金属粒子的柱需要大量的停机时间。制造过程的继续将会导致品质低劣的部件，如果机器真的还能工作的话。
发明内容
从第一方面，本发明在于一种使用带电粒子束来熔融金属粉末床内的金属粉末以逐层形成产品的添加层制造中的电荷迁移的方法。该方法包括使用带电粒子束光学系统来形成带电粒子束，操控带电粒子束入射在金属粉末的粉末床上并且扫描过粉末床以将粉末熔融成期望的层形状。
在操控带电粒子束的同时，该方法还包括使用中和粒子源来在带电粒子束和/或粉末床的附近生成与带电粒子具有相反电荷的中和粒子。例如，带电粒子束可以是带正电的离子束，并且中和粒子可以是电子。然而，在本发明内容部分的以下段落中，假定带电粒子束是电子束并且假定中和粒子是正离子。本领域技术人员将会理解，可为替换布置适应性修改以下的描述，在替换布置中带电粒子束是带正电的离子束并且中和粒子是电子，并且本发明将以实质上相同的方式工作并且提供相同的优点。
正离子将被吸引到电子束和带负电的粉末的负空间电荷。电子束可被认为产生空间电荷，该空间电荷吸引并捕获由充当中和粒子源的离子源产生的移动正离子。这些“捕获”的正离子随后将沿着电子束朝着相对较负的电势移动。如上所述，撞击粉末床的电子束在粉末床中并且可能在粉末床附近产生带负电的粉末粒子的区域。因此，正离子将通过电子束的导管和/或通过直接移动到目标而被吸引到带负电的粉末粒子，在这里它们帮助中和这个负电荷的一些或全部。这于是帮助减轻了由于电子束引起的负电荷的不利影响，并且将粉末粒子保持在库仑相互作用使它们移动的电场阈值之下。离子源产生正离子的速率可被调整以帮助平衡带负电的粉末粒子的产生速率。
可选地，离子源被用于产生惰性气体的正离子，例如惰性气体，比如氦或氩。这具有不引起所产生的金属产品的金属晶格的间质性污染的优点，因为中和惰性气体可被真空系统泵走。
电荷控制可利用气体放电离子源来获得，例如利用等离子体源，这里也称为等离子体泛射源，或者放电来产生离子。在放电室中产生低能量离子。气体——通常是氩或氦——被用于维持导致等离子体的放电，该等离子体被包含在可提供低能量离子的约束空间中。从等离子体散发的正离子从源漂移，其可被用小的正电势偏置以添加到正离子的能量并且被吸引到电子束的负空间电荷，在其中它们变得被捕获，和/或被直接吸引到带电粉末粒子。正离子倾向朝着负电势移动。在离子源中产生的离子以这种方式被朝着由与粉末上的氧化层相互作用的电子束生成的负电势吸引。此过程从而根据需要向被处理的粉末提供了低能量离子。离子能量可被等离子体源的偏置电势控制并且被选择为最大化到带电粉末床的离子的通量，同时不干扰粉末的熔融过程。
离子源可以是被操作来生成正离子的气体放电离子源。约束磁铁可用于约束从诸如氩或氦之类的源气体生成的等离子体。可施加一个小的正电势或者甚至负电势来在离子从具有由等离子体电势设置的能量的等离子体边界逃逸并且移动到真空室的主体中之后控制离子能量。正离子随后可朝着电子束的负空间电荷电势移动并且拦截电子束。在此配置中，正离子也离开源并且直接行进到其负电荷将会吸引正离子的粉末床。离子源可以是DC等离子体源，该DC等离子体源利用DC磁场并且具有流经等离子体源的灯丝的DC电流。将DC源用于磁约束和等离子体生成最小化了时变的磁场和电场将对电子束具有的影响，该影响可偏转电子束并且在电子束被扫描时引起写入差错。
除了由粉末床中和粉末床上方的粉末粒子引起的负电势以外，还有一个负电势可由于电子光学系统、尤其是施加到电子源的加速电压而出现。这是因为电子光学系统被保持在一个相当大的负电势以将电子束中的电子远离电子源并且朝着粉末床加速。在没有干预的情况下，被捕获在电子束内的正离子也将朝着电子源迁移并且对电子源的电子发射器引起冲撞损坏，从而导致性能的劣化。为了防止这一点，该方法可包括使用电极来在离子源的上游设置正电势，从而防止正离子迁移过该电极进入到电子光学系统中。
该方法可包括利用控制信号来操控电子束。此控制信号可使得电子束被扫描经过一系列预定的位置，以例如在粉末床上描摹和填充期望的层形状。控制信号可能经历了校正以对由离子源引起的电子束的扰动进行补偿。例如，与离子源相关联以实现等离子体约束的磁场可偏转电子束。另外，经过离子源中的导线的电流，例如DC等离子体源的灯丝电流，可产生偏转电子束的磁场。
电子束从其期望路径的偏转可根源于由等离子体约束磁铁生成的磁场和电场和离子源的高能量电流。当这些效应发生时，它们一般将既包括电子束的位置变化也包括束质量(例如，电子束的形状和/或聚焦)的变化。在许多布置中，这些效应将依赖于电子束和生成的磁场和电场的相对位置。也就是说，它们将依赖于电子束在粉末床上的偏转位置。
这些效应也将依赖于离子源的操作条件并且可由校准和校正的方案来减轻。例如，应用到控制信号的校正可从为粉末床上的给定期望电子束位置提供所要求的校正的查找表获得。校准可通过在某个范围的电子束偏转和离子源操作条件上测量在粉末床上的电子束位置的观察值和预期值之间的差异来实现。在校准期间，电子束可在离子源在操作的同时被扫描经过粉末床上的一系列预期电子束位置。在扫描期间，对于每个预期的电子束位置测量电子束在粉末床上的相应实际位置。每对预期和实际电子束位置之间的差异可被用于计算有效地消除由离子源引起的偏转和畸变的校正。这样找到的这些校正可被存储在查找表中。这些校正可在形成产品时被应用。例如，校正可被应用到电子束光学系统中的偏转、聚焦和消象散器值并且可基于诸如横向束偏转和等离子体源灯丝电流之类的操作条件和目标偏转值。如上所述，实现这一点的一种方便的方式是通过可由偏转值来索引的查找表(LUT)。其他方法也是可用的。
从第二方面，本发明在于一种包括电子光学组件的添加层制造装置。该电子光学组件包括电子源、可操作来从由电子源提供的电子形成束的电子束形成装置和可操作来操控由电子束形成装置形成的电子束的电子束操控装置。该添加层制造装置还包括可操作来分配粉末的至少一个料斗和被定位来在定义用于接收电子束的粉末床的体积中接收由该至少一个料斗分配的粉末的桌台。电子束操控装置可操作来将电子束扫描过粉末床。该添加层制造装置还包括真空室，电子束在入射在粉末床上之前经过该真空室，并且还包括离子源，该离子源可操作来在电子束和/或粉末床附近的腔室中提供正离子，使得正离子被吸引到电子束和/或带负电的粉末粒子。
添加层制造装置的其他可选特征在所附权利要求中记载。
附图说明
为了能够更容易理解本发明，现在将仅作为示例参考附图，附图中：
图1示出了可使用本发明的添加层制造装置；
图2是根据本发明的实施例的可操作来提供电子束并且扫描电子束的电子光学组件的示意性表示，其中图2a对应于侧视图并且图2b对应于通过图2a的线B-B的视图；
图3是离子放电或等离子体源的示意性表示；
图4是由离子源产生的正离子可如何与电子束和金属粉末122相互作用的示意性表示；
图5示出了校准添加制造装置以对由等离子体源引起的离子束的偏转进行补偿的方法；并且
图6示出了包括对由等离子体源引起的电子束的偏转进行补偿的操作添加制造装置的方法。
具体实施方式
图1示出了其中可实现本发明的实施例的添加层制造装置100。图1中所示的装置100被配置用于利用电子束从金属粉末制造产品的添加层制造。
为此，装置100包括电子光学组件101，电子光学组件101形成、调节和操控电子束103，如下文更详细描述。装置100还包括包含金属粉末122的粉末料斗121和可移动桌台130。料斗121分配粉末以在桌台130上铺设一薄层粉末。可以使用任何数目的料斗121，而图1中所示的两个只是一个示例。诸如刮刀或刀片(未示出)之类的机制可用于在桌台130上均匀地分配粉末122。电子光学组件101操控电子束103以使得电子束103被扫描过粉末床123以熔融粉末122并且形成固体产品150。装置100还包括定位在电子光学组件101和粉末床123之间的等离子体源160。
在形成了产品150的每一层之后，在箭头131指示的方向上降低桌台130。桌台130被降低使得粉末床123的顶表面始终被形成在相对于电子束103的相同高度。粉末床123的初始层可被沉积得比后继层更厚以最小化到桌台130的热传导，该热传导可使得粉末122与桌台130熔融。从而，完整的一层未熔融的粉末124在产品150被形成时被留在产品150之下。
使用电子束的添加制造是在真空条件下执行的，因此装置100包括封闭真空室140。真空室140内的真空是由泵送系统144产生和维持的，比如任何通常可用的泵送系统，例如由低真空泵后备的涡轮分子泵。泵送系统144可由控制器110控制。如图1中所示，泵送系统144可用于抽空真空室140的容纳电子光学组件101的部分。真空室140中的压力可在1x10-3毫巴到1x 10-6毫巴的范围中。
图2a和2b更详细地示出了电子光学组件101。电子光学组件101包括用于生成和发射电子的电子源102、用于从发射的电子形成和调节电子束103的透镜220和用于操控电子束103的一个或多个电磁偏转器240。设有中心孔隙251的圆柱电极250被定位在偏转器240下方紧挨处。此圆柱电极250的用途将在下文说明。
电子源102、透镜220、偏转器240和圆柱电极250的操作由控制器110控制，控制器110例如是适当编程的计算机。可以使用电子源102、透镜220和偏转器240的任何传统布置，因此这里将不详细描述。实质上，电子源102和透镜220输送聚焦电子束103，电子束103沿着电子光学组件101的中心轴202行进，然后被偏转器240偏转，以将电子束103扫描过粉末床123。设在圆柱电极250中的孔隙251与中心轴202对齐并且其大小被设置成使得电子束103经过该孔隙并且在电子束103的完全工作偏转下不削剪孔隙251的边缘。
图1示出了被定位在真空室140内的等离子体源160。在这个实施例中，等离子体源160由控制器110控制。等离子体源160例如经由安装到法兰的导孔被安装到真空室140。该导孔可提供到等离子体源160的电连接，例如用于电源和用于控制器110的连接。
图3更详细示出了等离子体源160。等离子体源160包括电弧室310，在其中生成并约束等离子体。通常是氩或氦的源气体经由气体供应线312被供应到电弧室310。利用阀门314来接通和关断气体供应。在热灯丝320和电弧室310的壁之间运行的弧放电被用于离子化源气体分子以产生等离子体。为了产生放电，灯丝320被保持在相对于电弧室310的适度负电势。灯丝电源322被用于向灯丝320提供电流并且电弧电源324被用于在灯丝320和电弧室310之间提供大于气体分子的电子撞击离子化所需的电势差，从而在热灯丝320和电弧室310之间产生电弧放电。不是将电弧室310保持在地电势，而是由源偏置电源326在电弧室310上施加小的正电势以使得正离子向外漂移到粉末处理室中。
在灯丝320和电弧室310之间产生的弧放电离子化电弧室310内的气体分子，从而产生大部分受一组磁铁330和由灯丝320产生的磁场约束的等离子体。稳定的离子流可通过设在电弧室310中的孔隙311然后从等离子体边界逃逸，该等离子体边界将会延伸到略超出孔隙311。在没有施加到电弧室310的偏置电势的情况下离子将具有由等离子体电势设置的能量。这些离子于是将被吸引到真空室140中的相对负的电势，例如电子束103和任何带电粉末粒子122的负电势。
等离子体源160被定位在电子光学组件101和粉末床123之间。由等离子体源160产生的正离子的通量在图1中示意性示出并且由标号162指示。正离子162从等离子体源160离开并且被吸引到带负电的电子束103，以及带负电的粉末粒子122。在粉末床123附近产生正离子的分布区域，并且离子的移动性帮助系统自我调节。当带负电的粉末粒子122从粉末中被释放时离子行进到负电势升高的区域，并且在氦被选择为源气体的情况下，由于其更低的原子质量引起的其更高的离子移动性可帮助其中和在粉末122上累积的电荷的能力。
图4更详细示出了正离子162与电子束103和粉末122的相互作用。如上所述，带负电的电子束103与粉末粒子122的相互作用可使得粒子122变得带电，例如在粉末粒子122已氧化并且因此是绝缘或只是半导电的情况下。带负电的粉末粒子122在粉末床123上方形成负空间电荷云，如图4中在410处示意性示出。图4还示意性示出了带负电的电子束103，以及正离子162起初可如何变得陷入电子束103的负空间电荷电势。这些正离子162也被粉末床123中的带电粉末粒子产生的更大的负电势所吸引并且因此在箭头420指示的方向上移动。到达带负电的粉末粒子122的空间电荷云410的正离子162和粉末床123中的粉末粒子122完全或部分补偿粉末粒子上的电荷。带电粉末粒子的电荷补偿以这种方式减轻了带电粉末粒子的不利影响。具体地，其减轻了如下效应：带电粉末粒子相互排斥并且“散布”在真空室140中四处并且进入到电子光学组件101中，导致电子光学组件101中的局部充电和高电压击穿，以及对层熔融过程的破坏。
电子源103被保持在相对于电子束103的负电势以加速电子束103中的电子。然而，这个负电势与带电粉末粒子云410的负电势一样吸引正离子162。如果没有任何校正动作，正离子162将迁移到电子光学组件101中并且可能被加速到电子源102中，对电子发射器引起额外的加热和损坏。为了防止这一点，提供了圆柱电极250。控制器110将圆柱电极250的电势设置为充分地正以对任何正离子162的向上流动形成屏障。结果，圆柱电极250排斥正离子162，使得没有正离子162能够迁移到电子光学组件101中。这在图4中由箭头430示意性示出。
等离子体源160凭借等离子体约束磁铁330和灯丝322中的电流生成静态电磁场。这些场的总和将会作用于电子束103并且引起电子束103的偏转。然而，通过例如像下文所述那样校准添加层制造装置100可获得对此偏转的补偿。
该校准是利用可由反散射电子电流中的幅度变化检测到的“标记”和已知的先前测量到的相对位置的二维阵列实现的。阵列中的每个标记的观察到的位置被测量并且与来自先前测量的预期位置相比较。根据这些差异，计算并应用校正值。
这种校准方法500在图5中示出。方法500开始于步骤510，在该步骤中图1的控制器110取回设置文件。此设置文件提供电子光学组件101将电子束103定位在粉末床123上的期望位置所需的设置。这些设置假定没有等离子体源160或者等离子体源160没有在操作。例如，这些设置可通过在等离子体源160没有被接通的情况下运行装置100并且记录用于获得每个电子束103位置的设置来获得。设置文件可以是由电子束103在粉末床123上的地址索引的查找表并且提供被发现将电子束103定位在该地址的设置。
在步骤512，控制器110指挥电子光学组件101启动电子束103。在束启动时，电子束103被操控为不接触粉末床123。
在步骤520，控制器110从设置文件取得地址并且将相应的设置应用到电子光学组件101，从而设置电子束103的位置。接下来，测量电子束103在粉末床123上的实际位置。这可由任何传统的技术来完成，例如通过捕捉经校准的标记板上的电子束103的图像并且使用图像分析技术来确定束位置。在步骤524，由控制器110执行测试来确定测量到的实际位置是否匹配地址的位置，即电子束103是否被成功设置到粉末床123上的期望地址或者电子束103是否已从期望位置偏转开。如果实际位置匹配期望的地址位置，则该方法可直接前进到步骤540，在该步骤中零调整因子被存储在调整文件中以指示出不需要对用于此地址的设置做出调整。然而，如果发现实际位置不匹配期望的地址位置，则方法500前进到步骤526。在步骤526，控制器110计算应当确保电子束103返回到粉末床123上的期望地址位置的对于设置的调整。这例如可通过应用将期望位置与实际位置之间的差异乘以比例因子的线性校正因子来完成。该比例因子可通过经验确定。在任何情况下，该校正不需要是确切的，因为测试被执行并且该方法可循环回到此校正步骤，从而允许校正因子被迭代地改进。现在将描述如何测试调整。
为了测试调整是否成功确保电子束103被设置到期望的地址位置，步骤530确保控制器110将调整应用到设置，然后将经调整的设置应用到电子光学组件101，从而设置电子束103的位置。然后，在步骤532，电子束103在粉末床123上的实际位置例如利用经校准的标记板被再测量一次，并且在步骤534，确定测量到的实际位置是否匹配地址的位置的测试被控制器110重复。如果实际位置不匹配期望的地址位置，则方法500经由循环535返回到步骤526，在该步骤中调整被反复地再计算、再应用和再测试，直到残余误差低于可接受的值为止。以这种方式，可迭代地找出所需的调整。一旦控制器110确定实际位置匹配粉末床123上的期望地址位置，方法500就可前进到步骤540，在该步骤中调整被存储在调整文件中。
此调整文件是将粉末床123上的地址关联到要被应用到在设置文件中对于同一地址存储的设置的调整因子的查找表。这些调整因子以2D阵列的形式被存储在存储器中，由期望的电子束103位置索引。从这些调整因子，可应用2D曲线拟合来确定描述一个关系的多项式方程的系数，该关系描述调整因子。例如，可以使用X’＝a0+a1.X+a2.X2+a3.X.Y+a4.Y+a5.Y2+…形式的多项式，其中a0、a1等等是多项式的系数并且多项式的阶数可以限于或不限于所示出的二阶。有许多类型的可以使用的拟合，包括但不限于三次样条和拉格朗日多项式。此多项式可用于产生更细粒度的查找表，或者，系数可被直接应用到在电子光学组件101上设置的期望偏转值以产生期望的电子束103位置。从而，调整因子可被存储在查找表中，或者系数可被存储。将会明白，取代存储要被应用到电子光学组件101设置的调整因子，可存储被直接应用到电子光学组件101的经校正设置。
当等离子体源160在操作中时，调整文件可用于将调整应用到用于电子光学组件101的设置以补偿由等离子体源160引起的电子束偏转。
返回到图5的方法500，一旦在步骤540存储了调整，方法500就前进到步骤550，在该步骤中控制器110检查是否已校准了所有地址。如果已校准了所有地址，则方法前进到步骤560，在该步骤中电子束103和等离子体源160被关断。如果还有地址需要校准，则方法500沿着循环555返回继续以返回到步骤520，在该步骤中用于下一地址的设置被控制器110取回并且被应用到电子光学组件101。方法随后继续经过如上所述的步骤522、524、526、530、532、534、540和550以完成对该地址的校准。
图5的测量过程可对某个范围的等离子体源160操作条件(包括未操作的操作条件)重复，以构建一组包含调整因子(其可以是上述类型的多项式)的查找表。
图6示出了操作添加制造装置的方法600，其包括对由等离子体源160引起的电子束103的偏转的补偿，例如通过使用根据图5的方法500找到的调整。
在步骤610，控制器110取回适当的设置文件和包含提供粉末床123上的每个地址所要求的调整的查找表的适当的调整。取回的调整文件对应于为等离子体源160的所选操作设置存储的那些。在被直接应用到电子光学组件101的经校正的设置被存储在调整文件中的情况下，只需要取回调整文件。
控制器110还获得用于要在步骤612制作的产品150的指令文件。指令文件包含控制器110为了形成产品150而要遵循的指令，例如为了形成产品150的每一层而发送电子束103的地址的序列。步骤610和612的顺序可被颠倒，或者两个步骤可被同时执行。
在步骤614，控制器110启动电子束103和等离子体源160。一旦电子光学组件101和等离子体源160达到了稳定操作，控制器110就开始形成产品，如下。
在步骤620，控制器110从指令文件取回下一地址。对于第一遍经过此步骤，地址将是用于产品150的第一层的第一地址。然后，在步骤622，控制器110从设置文件取回用于该地址的设置并且还从调整文件取回用于该地址的调整因子。这将给出要被应用到电子光学组件101的设置的调整因子。在期望的地址在查找表的索引中不具有条目的情况下，或者使用最近的地址，或者可通过插补来进一步细化附近地址的值。
接下来，在步骤624，或者可将调整因子应用到用于电子光学组件101的设置，其中调整被存储，或者可省略此步骤，其中经校正的值被存储在调整文件中。或者，在系数被存储在调整文件中的情况下，多项式系数可用于计算电子光学组件101的设置以在步骤624提供期望的电子束103位置。此计算可在软件中应用(或者更早应用，或者如这里所述在值即将被使用时应用)，或者可在硬件中应用，其方式是通过使用乘法器和加法器的网络来生成多项式的项，将系数应用到电子光学组件的设置，并且将全体一起求和。此硬件实现方式可使用模拟电路、专用数字电路或者可编程逻辑。
接下来，控制器110可在步骤626将经调整的设置应用到电子光学组件101。这将使得电子束移动到由指令文件指定的地址。
控制器110随后确定在步骤628是否处理了所有地址。如果已处理所有地址，则方法600前进到步骤640，在该步骤中控制器110关闭电子束103和等离子体源160。然而，如果还没有处理所有地址，则方法600沿着循环629返回到步骤620，在该步骤中从指令文件取回下一地址。该方法随后可前进经过步骤622、624、626和628以确保电子束被扫描到下一地址。如果下一地址被标记为属于要形成的下一层，则在步骤620和626之间可执行更多的步骤，其中桌台130被降低并且新的粉末122散布以为产品150的下一层形成粉末床123。
以这种方式，对于产品150的每一层，电子束103可被扫描经过指令文件中指定的所有地址，从则通过添加层制造形成产品150。通过使用等离子体源160并且通过应用调整，可以准确地控制电子束103的位置，使得形成的产品150的质量是优秀的。
本领域技术人员将会明白，可对上述实施例做出变化，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。
例如，上文描述了使用电弧室310的等离子体源160。其他类型的电子撞击可用于产生等离子体。另外，也可使用能够供应足够通量的离子的RF(radio frequency，射频)或ECR(electron cyclotron resonance，电子回旋共振)离子源或等离子体源，并且在这种实施例中，配置是一种被螺栓紧固在腔室140上并且配备有离子漂移管来将离子通量引导到空间电荷云410的设备。
装置100被配置为生成电子束103并且将电子束103扫描过粉末床123以熔融金属粉末122。如上所述，可使用带正电离子的束来取代电子束103。在此情况下，用于中和在粉末床123中或上方累积的负电荷的正离子可被替换为电子。因此，可以使用适当的电子源，例如等离子体源160，带有适当的偏置极性。另外，适当的正离子源可被用于替换电子光学组件101中的电子源102，并且在这种实施例中，电子光学组件被称为带电粒子光学组件或系统。带电粒子光学组件101可仍包含用于形成和调节正离子束的透镜220，以及用于操控正离子束的一个或多个电磁偏转器240，尽管要允许如下事实：束是带正电的而不是带负电的，并且带电粒子具有更大的质量。圆柱电极250也可被保持，虽然现在被以负电势偏置以排斥中和电子。
虽然等离子体源160在上述实施例中被描述为被定位在真空室内，但在本发明的实施例中，有可能等离子体源160被定位在包括粉末床123的主真空室内的子室中。等离子体源160经由等离子体孔隙连接到主真空室，通过该等离子体孔隙，离子被允许离开进入到主室中。
在本发明的替换实施例中，等离子体源160被定位在真空室外部，并且经由漂移管连接到它。这种配置例如在等离子体源是ECR或RF激发等离子体源时将是适当的。
主真空室和等离子体源160(其本身处于与主室压力相似的真空压力)之间的这个漂移空间在一些实施例中是导电管，该导电管与等离子体源的主体并且也与主真空室电隔离。这将允许漂移管被偏置在对于离子通过进入到主真空室中最优的电势。
在一些实施例中，漂移管可被适应性地改为聚焦漂移管，包括数个(例如，两个或三个)静电独立偏置元件，或者单个静电偏置元件。这可允许将离子更高效地传输到粉末床123。
在让等离子体源160在主真空容器外的情况下，可获得至少两个进一步改进。首先，加热泛射枪灯丝所需要的d.c.电流是很大的并且具有与其相关联的dc磁场。如果该磁场足够大到干扰电子束，则其可强制电子束的校准过程。通过将等离子体源160放置在主真空室的外部，其可被进一步移动离开电子束并且因此其对束施加的影响更小。
如果等离子体源160具有加热的钨丝，则其将缓慢地烧掉并且最终将在其寿命结束时毁坏。此外，钨原子不断地汽化灯丝的表面。通过将等离子体源160放在主真空室的外部，将防止在操作期间以及其毁坏时来自灯丝的污物染与粉末床123混合。相反，让等离子体源在真空室内有可能增大到粉末床123上的放电电流，给出更高的电荷中和收益率。
无论等离子体源160是在主真空室内部还是外部，其关联的供应(惰性气体、冷却水电路、电连接)都被与真空室的主体隔离，真空室的主体被认为处于电气上的地电势。
在一些实施例中，在主真空室内可能有电隔离的金属板，其充当热屏，将粉末床123的辐射热反射回粉末床123。正偏置电势可被施加到这些热屏以便增大到粉末床123的离子电流。
类似地，诸如圆锥或者各自被偏置到独立电势的一系列聚焦静电元件(例如，双或三圆柱静电透镜系统)之类的聚焦装置可被放置在漂移管的输出处(对于等离子体源160在主室外部的情况)或者对于等离子体泛射源在主室内的情况被放置在泛射枪的出口孔隙处。聚焦组件鼓励离子流出并朝着粉末床123流动。偏置电势的幅值将取决于由其自己的偏置电源供应到等离子体源160的主体的偏置电势的幅值。

Claims (25)

1.一种使用带电粒子束来熔融金属粉末床内的金属粉末以逐层形成产品的添加层制造中的电荷迁移的方法，该方法包括：
使用带电粒子束光学系统来形成带电粒子束，操控所述带电粒子束入射在金属粉末的粉末床上并且扫描过所述粉末床以将粉末熔融成期望的层形状；
在操控所述带电粒子束的同时，使用中和粒子源来在所述带电粒子束的附近生成与带电粒子具有相反电荷的中和粒子，使得所述中和粒子被吸引到所述粉末床中的粉末的带电粒子；并且
包括利用控制信号来操控所述带电粒子束，所述控制信号已被应用了校正以对由所述中和粒子源引起的所述带电粒子束的扰动进行补偿。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述带电粒子束是电子束并且所述中和粒子是带正电的离子。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述中和粒子源是离子源并且所述方法包括使用所述离子源来生成惰性气体的正离子。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述惰性气体是氦。
5.如权利要求2至4的任何一项所述的方法，包括使用等离子体源作为所述中和粒子源来生成所述正离子。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述带电粒子束是带正电的离子束并且所述中和粒子是电子。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述中和粒子源是电子源并且所述方法包括使用所述电子源来生成电子。
8.如任何在前权利要求所述的方法，包括使用电极来在所述中和粒子源上游设置具有与所述中和粒子相同极性的电势，从而防止中和粒子迁移经过所述电极去到所述带电粒子束光学系统。
9.如任何一项在前权利要求所述的方法，其中所述校正是从对于所述粉末床上的给定期望带电粒子束位置提供所要求的校正的查找表获得的。
10.如权利要求9所述的方法，还包括如下初始步骤：在所述中和粒子源在操作的同时将所述带电粒子束扫描经过所述粉末床上的一系列预期带电粒子束位置，对于每个所述预期带电粒子束位置测量所述带电粒子束在所述粉末床上的相应实际位置，计算校正来对每对相应的预期和实际带电粒子束位置之间的差异进行补偿，并且将所述校正存储在查找表中。
11.一种添加层制造装置，包括：
带电粒子光学组件，包括带电粒子源、可操作来从由所述带电粒子源提供的带电粒子形成束的带电粒子束形成装置以及可操作来操控由所述带电粒子束形成装置形成的带电粒子束的带电粒子束操控装置；
至少一个料斗，可操作来分配粉末；
桌台，被定位来在限定用于接收所述带电粒子束的粉末床的体积中接收由所述至少一个料斗分配的粉末，其中所述带电粒子束操控装置可操作来将所述带电粒子束扫描过所述粉末床；
腔室，所述带电粒子束在入射在所述粉末床上之前经过所述腔室；
中和粒子源，可操作来在所述腔室中在所述带电粒子束附近提供与带电粒子具有相反电荷的中和粒子，使得所述中和粒子被吸引到所述带电粒子束和由所述带电粒子束引起的带电粉末粒子；以及
控制器，可操作来控制所述带电粒子光学组件的操作，其中所述控制器可操作来向所述带电粒子束操控装置提供控制信号，所述控制信号使得所述带电粒子束操控装置将所述带电粒子束扫描过所述粉末床以将粉末熔融成期望的层形状，
其中所述控制器可操作来向所述控制信号应用校正以对由所述中和粒子源引起的所述带电粒子束的扰动进行补偿。
12.如权利要求11所述的添加层制造装置，其中所述带电粒子束是电子束，并且所述中和粒子是带正电的离子。
13.如权利要求12所述的添加层制造装置，其中所述腔室内的热屏和电极板是电隔离的并且被施加了偏置电势以便聚焦和约束所述中和粒子。
14.如权利要求13所述的添加层制造装置，其中所述中和粒子源被布置在所述腔室外部并且由漂移管耦合到所述腔室。
15.如权利要求14所述的添加层制造装置，其中所述漂移管包括聚焦装置。
16.如权利要求12至15的任何一项所述的添加层制造装置，其中所述中和粒子源是等离子体源。
17.如权利要求12至16的任何一项所述的添加层制造装置，其中所述正离子是氦的离子。
18.如权利要求12至17的任何一项所述的添加层制造装置，其中所述中和粒子源是可操作来生成DC磁场以包含所述正离子的DC等离子体源。
19.如权利要求12至15的任何一项所述的添加层制造装置，其中所述中和粒子源是ECR或RF离子源。
20.如权利要求11所述的添加层制造装置，其中所述带电粒子束是带正电的离子束并且所述中和粒子是电子。
21.如权利要求11至20的任何一项所述的添加层制造装置，还包括被定位在所述带电粒子束在所述带电粒子光学组件和所述中和粒子源之间沿着其行进的路径上的电极，该电极被布置为排斥中和粒子以免其迁移到所述带电粒子组件。
22.如权利要求21所述的添加层制造装置，其中所述电极被配置为被用与所述中和粒子相同的电荷偏置。
23.如权利要求22所述的添加层制造装置，其中所述电极包括设有穿过其的孔隙的金属板，该金属板被定位成使得所述带电粒子束操控装置可操作来操控所述带电粒子束经过所述孔隙。
24.如权利要求11至23的任何一项所述的添加层制造装置，其中所述控制器从对于所述粉末床上的给定期望带电粒子束位置提供所要求的校正的查找表取回所述校正。
25.如权利要求24所述的添加层制造装置，其中存储在所述查找表中的校正是通过以下步骤获得的：在所述中和粒子源在操作的同时将所述带电粒子束扫描经过所述粉末床上的一系列预期带电粒子束位置，对于每个所述预期带电粒子束位置测量所述带电粒子束在所述粉末床上的相应实际位置，并且计算校正来对每对相应的预期和实际带电粒子束位置之间的差异进行补偿。
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