CN110461506B - 在添加剂层制造期间的带电粒子束控制 - Google Patents

在添加剂层制造期间的带电粒子束控制 Download PDF

Info

Publication number
CN110461506B
CN110461506B CN201880018966.4A CN201880018966A CN110461506B CN 110461506 B CN110461506 B CN 110461506B CN 201880018966 A CN201880018966 A CN 201880018966A CN 110461506 B CN110461506 B CN 110461506B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
shadow region
shape
description
powder bed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880018966.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110461506A (zh
Inventor
伊恩·莱德勒
菲尔·霍伊尔
安得烈·麦克莱兰
威廉·托马斯·理查森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Reliance Rg Ltd
Original Assignee
Reliance Rg Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Reliance Rg Ltd filed Critical Reliance Rg Ltd
Publication of CN110461506A publication Critical patent/CN110461506A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110461506B publication Critical patent/CN110461506B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4097—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by using design data to control NC machines, e.g. CAD/CAM
    • G05B19/4099—Surface or curve machining, making 3D objects, e.g. desktop manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/52—Hoppers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0013—Positioning or observing workpieces, e.g. with respect to the impact; Aligning, aiming or focusing electronbeams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/002—Devices involving relative movement between electronbeam and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0026—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/02—Control circuits therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3178—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for applying thin layers on objects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/34—Director, elements to supervisory
    • G05B2219/34247—Machining objects are hierarchically organised
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35134—3-D cad-cam
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49007—Making, forming 3-D object, model, surface
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49018—Laser sintering of powder in layers, selective laser sintering SLS
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/304—Controlling tubes
    • H01J2237/30472—Controlling the beam
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/302—Controlling tubes by external information, e.g. programme control
    • H01J37/3023—Programme control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

提供了一种生成扫描指令的计算机实现的方法，所述扫描指令用于使用添加剂层制造装置而将使形成产品作为一系列层来形成。该方法包括确定将在形成产品时使用的束加速电压；针对产品的层的每个阴影区域，确定将在形成阴影区域时使用的相应束电流，并将相应的束电流值提供给扫描图案指令文件中的阴影区域描述；并且针对每个阴影区域的每个行，确定将在沿着行扫描束时使用的相应束斑大小，并且将相应的束斑大小值提供给扫描图案指令文件中的行描述，并确定将在沿着行扫描束时使用的相应的一系列束步长大小和电子束步长驻留时间，并且将相应的一系列束位置值和束步长驻留时间提供给扫描图案指令文件中的行描述，从而定义如何沿着行扫描电子束。还提供了扫描指令的文件、添加剂层制造装置、和使用添加剂层制造装置形成产品的方法。

Description

在添加剂层制造期间的带电粒子束控制
技术领域
本发明涉及生成用于使带电粒子束在粉末床上进行扫描以使用添加剂层制造形成产品的扫描指令。生成扫描指令，以便通过对带电粒子束的控制来向粉末床提供所期望的能量速率。
背景技术
添加剂层制造是成熟的领域。该技术将能量注入衬底介质中以改变衬底的各部分，例如熔化、熔凝或硬化衬底，从而形成所要形成的产品层。添加新的衬底介质并形成下一层，依此类推。以这种方式，可以逐层形成产品。
衬底介质可根据需要选自多种不同的材料。例如，塑料和金属通常用作衬底介质。金属可以从一个或多个料斗以粉末形式来提供，并铺在工作台上以形成粉末床。随着每个层的形成，工作台可以随粉末床以及沉积在部分成形的产品上的新的粉末床的深度而降低。
能量源通常是激光束或电子束。本发明主要涉及电子束源，但也扩展到其他类型的带电粒子束。使用电场和/或磁场(例如使用电磁偏转器)来控制这种电子束源以导向或调节电子束。这些电磁偏转器允许电子束扫过衬底介质，从而可以在衬底介质上扫描或跟踪图案。
在设计阶段，要形成的产品被映射到XYZ笛卡尔坐标。然后，产品可以被“解构”或“切片”成将连续形成以实现最终产品的层。使用XY笛卡尔坐标描述要形成的每个层(每个层的Z坐标是固定的)。电磁偏转器用于根据使用XY坐标作为可寻址网格定义的期望路径来扫描电子束。由于束遵循扫描图案，由束来形成在粉末床中形成的层的形状。扫描图案通常定义由矢量定义的可变长度的简单线(例如，针对每条直线链接起点和终点)。该层可以被分成多个部分，当电子束扫过粉末床时，每个部分被电子束跟踪或“嵌入阴影”。例如，可以首先扫描层的轮廓(即周边)，然后可以扫描阴影区域以填充该层。这些扫描行(包括它们形成的阴影区域)组合在一起形成层的所期望的形状。
当电子束在粉末床上扫描时，能量被沉积到粉末中，从而升高其温度。精确地控制电子束暴露以控制能量传递的速率，从而提供粉末的完全熔化。这确保了顶层内的粉末颗粒熔凝在一起，并且使得顶层内的粉末颗粒也与前一层熔凝，从而形成固体产品。然而，必须控制粉末床中的能量沉积速率以防止产生缺陷并确保材料微结构的正确形成。
当电子束传递其能量并且热量通过金属粉末传导时形成熔池。不是通过控制电子束驻留在粉末床的特定位置，一次性将所有所需能量沉积到粉末床的特定位置，而是通常在熔池内连续扫描电子束。通常，电子束多次访问一个位置。每当电子束通过位置时，电子束递增地升高该位置的温度直到粉末熔化。还已知在任何时候形成多个分离的熔池而不仅仅是单个熔池。
能够控制能量在粉末床中的沉积是有利的，例如控制粉末中的熔体特性和热积聚。在形成产品时能量沉积到粉末床中的速率可以通过控制电子束来设定。例如，已知预先确定束参数，例如束能量(例如，通过束加速电压)、束电流、束斑大小和束扫描速率，来为后续的构建过程设置能量沉积速率。然而，控制能量沉积速率的更灵活的方法将是有利的。
发明内容
从第一方面，本发明涉及一种生成扫描指令的计算机实现的方法，所述扫描指令用于使用添加剂层制造而将产品作为一系列层来形成。通过使带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的金属粉末融凝并形成所期望的层形状而使所述金属粉末熔凝，藉此来形成每个层。
该方法包括获得所要形成产品的三维描述。例如，可以从存储器取回或者可以从远程位置下载包含描述的文件。或者，该方法可以包括例如通过扫描(例如通过使用激光扫描仪)产品的模型来生成三维描述。
该方法还包括获取产品形状的描述并生成扫描图案指令文件，该文件描述如何扫描束以形成产品。为此，该方法包括将产品的形状分解或切片为一系列层，为每个层生成描述该层的形状的层描述并将其添加到扫描图案指令文件中。例如，可以参考XYZ笛卡尔坐标系提供三维描述，并且层描述可以提供层的形状在XY坐标中的描述，并且还可以提供层的Z坐标。
针对每个层，该方法可以包括将层的形状分解成要由束扫描的一个或多个阴影区域，针对每个阴影区域生成描述阴影区域的形状描述并将阴影区域描述添加到扫描图案指令文件。阴影区域描述可以提供阴影区域的形状在XY坐标中描述。
针对每个阴影区域，该方法可以包括将阴影区域的形状分解成要由束扫描的一个或多个行，针对每个行生成行描述并将行描述添加到扫描图案指令文件。通常，每个行描述将限定要被扫描以填充阴影区域的一系列行。例如，扫描行可以定义光栅扫描。行描述可以定义束移动的一系列束位置。可以使用XY坐标来定义束位置。
该方法包括确定用于在形成产品时控制带电粒子束的参数。这些参数可以设置束电流、束形状和大小以及束如何被导向。然后将这些参数添加到扫描图案指令文件中。
该方法包括确定将在形成产品时使用的束加速电压，并将束加速电压值提供给扫描图案指令文件。束加速电压可以是设置在电极上的电压或电极阵列的电压集，在任一情况下，电极或电极阵列都设置粒子束中带电粒子的速度和动能。设置在整个产品形成过程中使用的单个束加速电压，即，在扫描束以形成每个层时始终使用相同的值，并且针对产品的每个层也使用相同的值。
对于每个阴影区域，该方法包括确定将在形成阴影区域时使用的束电流，并将束电流值提供给扫描图案指令文件中的阴影区域描述。束电流值可以包括针对带电粒子源的设定，例如灯丝电流(其中通过灯丝的热离子发射提供电子)。束电流值还可以包括控制束电流的其他参数，例如控制封闭磁场和/或控制带电粒子的提取以形成粒子束的参数(例如设置在维纳尔电极上的电势)。因此，束电流可以在阴影区域之间变化。即，可以在扫描一个阴影区域之后并且在扫描下一个阴影区域之前改变束电流，但是在扫描每个阴影区域时保持恒定值。可以在一些阴影区域之间维持束电流。
针对每个行，该方法可以包括确定将在沿着行扫描束时使用的束斑大小，并且将束斑大小值提供给扫描图案指令文件中的行描述。束斑大小值可包括在聚焦元件上设置以控制束的焦点的参数。例如，束斑大小值可以是针对聚焦电极的用于控制束的焦点的设定。为每个行描述提供单个束斑大小。因此，斑大小可以在行与行之间变化，但在沿着行扫描时保持恒定。可以在某些行之间维持斑大小。
同样针对每个行，该方法可以包括确定将在沿着行扫描束时使用的一系列束位置值和束步长驻留时间。束位置值限定了束从粉末床上的当前束位置移动到粉末床上的下一个束位置的步长的大小，或者直接通过指定束步长大小，或者间接地通过指定下一个束位置。束驻留时间是束保持在粉末床上每个位置的时间。该方法还包括向扫描图案指令文件中的行描述提供一系列束位置值和束步长驻留时间，从而限定如何沿着行扫描束。因此，束步长大小可以在连续束位置之间变化，甚至针对每个连续步骤进行变化，尽管针对某些步骤可以维持相同的步长也是可以的。类似地，束驻留时间可以在连续束位置处变化，甚至在每个连续束位置处变化，尽管对于某些步骤可以重复相同的驻留时间。束步长大小和束驻留时间可以被设置为根据某些数学函数而变化，例如以确保当沿着行扫描束时由束传递的能量平滑地增加或减少。例如，步长大小和/或驻留时间可以线性地变化，或者可以根据更复杂的函数(例如指数地或根据诸如高斯之类的某些其他形状)而变化。
如上所述，每个束位置值可以与限定粉末床上的束位置的束坐标相对应，使得连续束位置值设置束步长大小(即，该方法包括确定连续束位置，从而隐含地确定束步长大小)。束位置值可以是绝对位置，例如束的每个位置的位置。或者，束位置值可以是相对值，例如以设置束移动的距离以及束移动的方向。束位置值可以包括应用于控制束位置的束偏转器的设定，例如要施加在扫描电极上或通过扫描线圈驱动的电压或电流。
可以参考与实现该方法的计算机相关联的时钟来提供束步长驻留时间。在任何情况下，计算机可以是独立的计算机，其可以或可以不直接控制添加剂层制造装置。在后一种情况下，扫描图案指令文件可以“离线地”生成，然后被存储以供稍后取回和由添加层制造装置使用。或者，计算机可以是添加剂层制造机器的处理器或其他可编程逻辑元件，该处理器或其他可编程逻辑元件生成扫描图案指令文件以供立即使用或者存储该文件以供以后使用。
对束加速电压、束电流、束斑大小、束步长大小和束驻留时间的控制提供了在执行构建过程时调制沉积在粉末床中的能量的方法。通过以这种方式调制沉积在粉末床中的能量而提供的灵活性是有利的，因为它允许例如控制粉末中的熔体特性和热量积累，这取决于正被熔化的特征和该层的该部分的历史。也就是说，调制允许对层中的热量分布进行管理，例如以应对已经存在于所得到的粉末床中的热量分布，因为粉末床的一些部分已经被束扫描和加热，并且还因为金属粉末的导热性质在未熔凝和熔凝状态之间不同。
扫描图案指令文件可以在形成产品之前生成，例如通过假设操作条件并生成预期在最终产品中产生最佳质量的扫描指令。此外，在构建过程中可以使用实时反馈来改变构建期间的一些参数。也就是说，可以测量构建并根据测量值进行改变。
例如，可以评估沉积到粉末中的能量，例如通过测量(例如通过使用热成像相机)粉末床的温度。另外，可以在熔化之前在粉末床中和/或在形成每个层之后对产品进行表面不规则性检查。如果这些测量结果显示在可接受范围之外的异常，则可以补偿扫描参数。这可以基于逐点、逐行或逐个阴影区域来执行。例如，如果发现产品上的位置的表面温度太热，则可以减少传递到下一层中的该位置的能量，例如通过针对该位置的点减少束驻留时间和/或增加束步长大小。这些改变可以“在运行中(on the fly)”进行，即在从扫描图案指令文件中读取参数之后并且在将它们应用于构建过程之前。或者，可以修改扫描图案文件，使得补偿值在补偿参数从文件读取并应用于构建过程之前写入文件。
本发明为用户提供通过在整个构建过程中调制束能量、束斑大小和束扫描速率来快速且精细地调节能量沉积速率的能力。此外，本发明允许基于逐个特征、逐个阴影区域、逐行和逐点的能量沉积速率的变化。因此，本发明提供了比现有技术更大的灵活性，现有技术仅允许束参数被预先确定，然后在构建过程期间维持恒定值。
本发明不仅为用户提供了控制能量沉积速率的能力以控制材料状态从固体到液体的变化速率，而且还允许控制材料一旦熔化后的冷却速率，以及由此控制和定制材料微观结构的能力。此外，可以通过基于逐个特征、逐个阴影区域、逐行和逐点来控制材料微观结构。
本发明相对于现有技术提供的另一个优点是，本发明不仅提出了可以改变的多个束参数，而且还提出了这些值应该变化的频率。一些参数的变化频率高于其他参数，因为已发现这样可以产生更好的结果。例如，束电流可以仅在阴影区域之间变化，而束驻留时间可以针对每个束位置而变化。
已经认识到，动态地改变束加速电压是不切实际的，尽管它可以在构建过程的开始时设置。因此，本发明设置单个束加速电压值并在整个构建过程中维持该值。
还应当理解，改变束电流是相对缓慢的过程。例如，可以通过使用设置在添加剂层制造装置的电子枪组件中的维纳尔电极来实现对束电流的控制。虽然不允许特别动态地调节束电流，但是可以例如针对每个阴影区域较不频繁地改变束电流值。
改变束斑大小可以相对动态地实现，例如通过在添加剂层制造装置的电子光学组件中使用聚焦透镜。有利地，这可以逐行地实现，但优选地不逐点地实现。
最后，通过改变束步长大小和束驻留时间来改变束扫描速率也改变了能量传递速率，并且可以非常快速地变化。结果，可以逐点地改变束步长大小和束驻留时间。
除了将每个层划分成阴影区域之外，还可以执行更大的区域的划分。例如，这可以允许在连续的阴影区域之间维持某些参数(例如束电流和/或束斑大小)。因此，将每个层的形状分解成一个或多个阴影区域并为每个阴影区域生成形状描述的步骤可以包括，针对每个层，将层的形状分解成一个或多个特征并针对每个特征生成描述特征的形状的特征描述。
通过首先执行的任一步骤，形成将层分解成特征和阴影区域。例如，可以将层划分成特征，然后可以将特征进一步划分成阴影区域。或者，可以将该层划分成阴影区域，然后可以将相邻阴影区域的后面区域分组成特征。
在前一种情况下，可以首先根据层的不同部分的性质将层划分成特征。例如，层的边缘(周边)可以被设置为特征或被划分成多个特征。这允许设置束参数，该束参数适应层的边缘将以未熔化的粉末为边界的事实，并且可以与通常具有熔化粉末的边界区域的阴影区域形成对比。对于层中的隔离特征(例如“悬垂”，其中，该层的该部分之下没有先前熔化的粉末)也可以改变能量传递速率。在这种情况下，需要较低的能量沉积速率，因为热传导应该受到限制：对于其他区域，下层的一部分被重新熔化以确保层间熔合，而这对于层的悬垂部分而言是不被期望的。
因此，将每个层的形状分解成一个或多个阴影区域并且针对每个阴影区域生成描述阴影区域的形状的形状描述的步骤可以包括，针对每个层，将层的形状分解为一个或多个特征，并针对每个特征生成描述特征的形状的特征描述。然后，针对每个特征，该方法可以包括将特征的形状分解为一个或多个阴影区域，并且针对每个阴影区域生成描述阴影区域的形状的形状描述。
或者，可以首先生成阴影区域和行描述，然后将其分组成特征。例如，可以生成阴影区域并计算它们的组成行，并计算束斑大小、束步长大小和束步长驻留时间。通过这样做，具有共同值的相邻阴影区域可以被组合在一起以形成特征，例如通过将具有共同束斑大小的相邻阴影区域分组为特征。
可选地，每个行描述包括斑大小值和一系列束位置值以及为每个束位置值提供的束驻留时间值。
本发明还提供根据上述任何方法产生的扫描图案指令文件。本发明还提供使用添加剂层制造装置形成产品的方法，其中添加剂层制造装置的处理器访问这样的计算机可读文件。该方法然后包括处理器控制添加剂层制造装置根据计算机可读文件通过将产品作为一系列层来形成，而形成该产品，通过使用带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的粉末融凝以形成所期望的层形状，来形成每个层。该方法还包括，针对每个层，通过使带电粒子束按照行描述中的束位置值指定的进行束位置到束位置的扫描并根据在行描述中的束驻留时间将束保持在每个位置，从而使束沿每个行进行扫描并进而使束在每个阴影区域上进行扫描直至完成该层，来熔凝粉末。
本发明还提供了一种添加剂层制造装置，其包括带电粒子源、可操作以从由带电粒子源提供的带电粒子来形成带电粒子束的束形成装置以及束导向装置。添加剂层制造装置还包括可操作以分配粉末的至少一个料斗和以限定粉末床的体积接收由至少一个料斗分配的粉末的台。束导向装置可操作以在粉末床上扫描束。添加剂层制造装置还包括处理器和相关联的存储器，该存储器在其中存储有类似于上述计算机可读文件的计算机可读文件。
处理器被配置为访问计算机可读文件并控制添加剂层制造装置以根据计算机可读文件通过将产品作为一系列层来形成，而形成该产品，通过使用带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的粉末融凝以形成所期望的层形状，来形成每个层。针对每个层，处理器被配置为：通过使带电粒子束按照行描述中的束位置值指定的进行束位置到束位置的扫描并根据在行描述中的束驻留时间将束保持在每个位置，从而使束沿每个行进行扫描并进而使束在每个阴影区域上进行扫描直至完成层，来熔凝粉末。
附图说明
为了更容易理解本发明，现在仅通过示例的方式参考附图，其中：
图1示出了本发明可以使用的添加剂层制造装置；
图2是根据本发明实施例的可操作以提供电子束和扫描电子束的电子光学组件的示意图，其中图2a对应于侧视图，图2b对应于通过图2a的线B-B的视图；
图3a是将使用添加剂层制造制作的产品的侧视图，图3b至图3e是产品在粉末床上形成时的平面图，并且分别对应于产品制造到达图3a的线b-b、c-c、d-d和e-e的时间；
图4示出了如何将图3e的切片划分成层、特征和阴影区域；以及
图5是根据本发明实施例的生成扫描指令的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出了可以实现本发明实施例的添加剂制造装置100。装置100用于使用电子束来从金属粉末制造产品的添加剂层。
为此，装置100包括电子光学组件101，其形成、调节和导向电子束103，如下面将更详细描述的。装置100还包括含有金属粉末122的粉末料斗121和可移动台130。料斗121分配粉末以便在台130上铺设薄粉末层。可以使用任何数量的料斗121，并且图1中所示的两个仅仅是示例。可以使用诸如刮刀或刀片之类的机构(未示出)将粉末122均匀地分散在台130上。电子光学组件101导向电子束103，使得电子束103在粉末床123上进行扫描以熔凝粉末122并形成固体产品150。
在产品150的每个层形成之后，台130沿箭头131指示的方向下降。台130下降，使得粉末床123的顶面总是形成在相对于电子束103的相同高度。粉末床123的初始层可以沉积成比后续层更厚，以最小化台130的热传导，这会导致粉末122与台130熔凝。因此，当产品150形成时，未熔化粉末124的完整层留在产品150的下面。
使用电子束的添加剂制造通常在真空条件下进行，因此装置100包括封闭的真空室140。真空室140内的真空由泵送系统144(例如任何常用的可用泵送系统，比如由粗抽泵支持的涡轮分子泵)创建和维护。泵送系统144可以由控制器110控制。如图1所示，泵送系统144可以用于抽空真空室140中容纳电子光学组件101的部分。真空室140中的压力可以在1×10-3毫巴至1×10-6毫巴的范围内。
图2a和图2b更详细地示出了电子光学组件101。装置100包括电子光学组件101，其包括用于生产电子的电子源102、帮助提取和调节来自电子源102的电子的维纳尔(Wehnelt)电极245、用于进一步调节和形成电子束103的透镜220和用于导向电子束103的电磁偏转器250。电子源102和偏转器250的操作由诸如适当编程的计算机之类的控制器110控制。可以使用电子源103、维纳尔电极245和透镜220的任何传统布置，因此这里将不再详细描述。
基本上，电子源103、维纳尔电极245和透镜220传送聚焦电子束103，其沿着电子光学组件101的中心轴线202行进。然后，电磁偏转器250用于将电子束103导向跨越粉末床123，从而根据所期望的扫描图案扫描电子束103。偏转器250可以是包括成对的载流线圈(如亥姆霍兹线圈)的传统电磁偏转器或包括设置为适当电势的成对导电板的传统的静电偏转器。在任一情况下，偏转器由控制器110操作以提供所期望的偏转，如本领域所公知的。
偏转器250横向于电子束103的路径起作用，以使电子束103远离中心轴线202而被导向(或保持电子束103沿中心轴线202行进)。该导向被分成由单独的偏转器控制的正交分量。因此，以正交布置的对来设置偏转器250，以在X和Y坐标中实现对电子束103的控制，如图2b所示。因此，偏转器250中有四个元件。例如，图2b示出了包括两个亥姆霍兹线圈的偏转器250。第一对线圈250x位于电子束103的任一侧并在X坐标方向上分开，从而允许电子束103在X方向上导向。第二对线圈250y位于电子束103的任一侧并在Y坐标方向上分开，从而允许电子束103在Y方向上导向。
偏转器250应该能够在0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m或甚至更大的距离上扫描电子束103(在X和Y坐标中，尽管X和Y偏转范围不需要匹配以提供方形主极磁场，使得也可以出现矩形主极磁场)。为了提供这种偏转范围，偏转器250可以设计为亥姆霍兹线圈，每个线圈通常具有50到100匝的线圈，承载大约1到10A的电流，并且在大约100kHz的频率下工作。或者，可以在每个轴线上使用平行电极板，在每个轴线上施加大约±5,000V的可变电压，以便在正和负X和Y方向上偏转电子束103。
已经认识到，诸如上述的添加剂制造装置100可以以不同的方式使用，以控制由电子束103传递到粉末床123的能量的量。具体地，添加剂制造装置100的不同部分可以提供能量传递速率的控制，并且还可以提供不同的响应时间。通过改变具有不同频率的电子束103的不同特性来适应不同的响应时间。例如，在改变不是特别动态的情况下，改变很少进行，或者在构建过程开始时设置改变，然后在整个构建过程中维持不变。可以更频繁地进行其他改变，频率适合于扫描阴影区域所需的时间帧或更长时间帧，在这种情况下，可以将一系列阴影区域分组成该层的特征。例如，在针对下一个特征改变参数之前，可以将该层的边缘设置为特征并用一组特定的电束参数进行扫描，下一个特征可以是远离该层的边缘的内部特征。还可以更频繁地进行其他改变，例如逐行或逐点地进行。
现在将参考图3和图4描述如何将产品150分解成层、特征和阴影区域的示例。
从图3a的侧视图中可以看出，产品包括基部151、顶部152和由中心孔154分开的两个侧部152。在图3b至图3e中示出了在粉末床123上形成产品150时通过产品150获得的四个平面图，每个图分别对应于制造分别到达图3a的线b-b、c-c、d-d和e-e的时间。因此，每个平面图有效地示出了通过根据扫描图案扫描电子束103而形成的产品150的层159。图3b对应于形成产品150的基部151的一部分的下层159。图3c对应于形成产品的中间部分的一部分的中间层159，其中层159包括由将形成孔154的间隙分开的两个侧部153。每个侧部153可以被认为是层159的特征402。这是被扫描以形成每个侧部153的阴影区域，在该侧部中，该层159可以被分组以形成特征402。然而，每个侧部可以被划分成多于一个特征402。
图3d和图3e示出了正好位于孔154结束的下方和上方的层159，以及连接以形成顶部152的两个侧部153。因此，图3d示出了非常靠近孔154的顶部的层159，因此示出了包括两个侧部153的层159。图3e从正上方示出了两个侧部153连接以形成顶部152，因此示出了包括顶部152的层159。该层159可以划分成三个单独的部分。两个端部156位于下面的侧部153的正上方，因此待熔化以形成这些端部156的粉末122沉积在预先熔化的金属粉末122上。然而，还存在位于下面的孔154的正上方的中央悬垂部分155，并且因此，待熔化以形成悬垂部分155的粉末122沉积在未预先暴露于电子束103的未熔化金属粉末122上。
图4示出了将图3e的层159划分成特征402和阴影区域450的示例性方式。在图4中示出了层159的两个端部156和悬垂部分155。
每个端部156被划分成边缘特征411和内部特征431。边缘特征411围绕层159的周边延伸，其中粉末122沉积在来自下面的层159的熔化金属上，而边界为来自下面的层159的未熔化粉末122。内部特征431对应于沉积在来自下面的层159的熔化金属上的粉末，并且远离来自下面的层159的任何未熔化粉末。因此，远离边缘特征411和内部特征431的散热将是不同的，因此用不同的电子束103参数用于这些不同的特征。
悬垂部分155被划分成内部特征433和两个边缘特征421。边缘特征421以层159的端部156为边界，并且因此包括沉积在来自下面的层159的未熔化粉末122上的金属粉末122但是其以来自下面的层159(来自下面的层159的侧部156)的熔化粉末为边界。相反，悬垂部分155的内部特征433对应于沉积在来自下面的层159的未熔化粉末上的粉末，并且很好地远离来自下面的层159的任何熔化粉末。因此，远离边缘特征421和悬垂部分155的内部特征433的散热将是不同的，因此不同的电子束103参数用于这些不同的特征402。
应注意，用于悬垂部分155的内部特征433的束参数可以与用于端部156的内部特征431的束参数非常不同，因为前者被未熔化的粉末包围，而后者被熔化的粉末包围。用于悬垂部分155的边缘特征421的束参数可以与用于端部156的边缘特征411的束参数相同或不同。
图4还提供了如何将特征402划分成阴影区域450以及被扫描以画阴影线或填充每个阴影区域450的扫描行455的示例。在该实施例中，扫描行455形成光栅图案。可以在扫描行455之间改变某些束参数，如下所述。该图示出了电子束103如何在相邻的阴影区域450之间移动。可以在阴影区域450之间改变某些束参数，如下所述。通常，在电子束103移动到另一个特征402之前扫描一个特征402的所有阴影区域450，然后扫描新特征402的所有阴影区域450。如下所述，可以在特征402之间改变某些束参数。图4的最后细节还示出了每个扫描行如何包括对应于束位置的一系列点456。逐个扫描电子束103，使得电子束103沿扫描行455移动。即，在偏转器250上设置电势或电流，以使电子束103从当前点456偏转到下一个点456。分隔d(参见图4)表示点456之间的步长，并且可以针对每步改变。此外，电子束103在每个点456处的驻留时间也可以改变，这将在下面更详细地描述。
调整电子束103的各种参数允许用户通过调制束能量、束斑大小和束扫描速率来精确且快速地调节能量沉积速率。此外，这可以在整个构建过程中完成，同时允许按特征、逐个形状、逐行和逐点地对特征的过程要求进行变化。本发明不仅使用户能够控制能量沉积的速率和密度，从而使粉末状态从固体变为液体的速率，而且还允许用户控制金属材料的冷却速率。一旦熔化，因此提供控制和定制材料微观结构的能力。
向使用者提供许多控制，以允许传递到粉末床123的束能量的速率不同。可以通过用户改变束加速电压或束电流来改变电子束103的功率。可以通过改变施加在电子源102和周围元件上的电势来调节束加速电压，例如电子源102和加速电极(在图中未示出)之间的电势差。实际上，已经发现动态改变束加速电压是不切实际的。因此，根据本发明，可以在构建过程开始时设置束加速电压。改变束电流是相对缓慢的过程，并且可以通过在电子光学组件101中使用维纳尔电极245来实现。虽然已经发现改变束电流不是特别动态的，但是可以基于逐个特征设置束电流值。
已经发现，通过使用电子光学组件101中的聚焦透镜220可以动态地改变束斑大小。这允许快速精细控制“面积能量”或每单位面积传递到粉末床123的能量，并且可以很容易地逐行调整。
改变电子束103的扫描速率也改变了到粉末床的能量传递速率。这种电子束103的扫描速率可以非常快速地改变，并且可以通过逐个形状、逐行和甚至逐点进行改变。
通过使用这些技术，可以改变沿着每个扫描行扫描电子束103时沉积到粉末床123中的能量。考虑传递到粉末床123的“线性能量”是有用的，并且该线性能量被定义为能量沉积的速率除以束沿扫描行移动的速率。这是功率除以扫描速度，即W/ms-1或J/m。
图5a和图5b一起示出了生成扫描图案指令文件的方法500。该方法开始于步骤502，其中计算机获得所要形成的产品150的三维描述。例如，用户可以使用CAD程序创建产品150的三维模型，并且可以保存描述产品150的文件。该文件可以由计算机取回以获得所要形成的产品150的三维描述。计算机可以读取文件以访问产品150的三维描述。计算机可以是上述计算机110，或者可以是创建扫描图案指令文件并将该文件提供给添加层制造装置100使用的独立计算机。
在步骤504，计算机生成扫描图案指令文件并将扫描图案指令文件保存到与计算机相关联的存储器。
然后，在步骤506，计算机获取产品150的三维描述并将产品150的形状分解成一系列层159。计算机可以为每个层159选择合适的层高度，例如基于在产品150的层159中形成的产品150的整体大小或任何细节的细度。这些技术是公知的，这里不再进一步描述。然后，计算机为每个层159生成层描述，并将每个层描述写入扫描图案指令文件。这可以包括仅向扫描图案描述文件添加标识层159并且将具有添加到其上的其他扫描图案细节的部分。或者，层描述可以包含描述层159的形状的数据，例如层159的轮廓。
在步骤508，计算机选择所要形成的产品150的层159，并将该层159划分成特征402。例如，可以为层159的边缘区域创建特征402，并且为层159的内部区域创建进一步的特征402。其他特征402可以对应于悬垂或岛。计算机为每个特征402生成特征描述并将其写入该层159的层描述。这可以仅包括向层描述添加标识特征402并且将具有添加到其上的其他扫描图案细节的部分。或者，特征描述可以包含描述特征402的形状的数据，例如特征402的轮廓。计算机首先选择哪个层159无关紧要，尽管计算机优选首先选择最低层159，其是在构建过程中形成的第一层159。
然后，在步骤510，计算机从当前层159中选择特征402，并将层159的形状分解成一个或多个阴影区域450，以在构建过程中由电子束103扫描。可以根据许多因素来选择阴影区域450的大小，例如层159的横截面积，特征402的横截面积和电子光学组件101的能力，这在本领域中是公知的。然后，计算机为每个阴影区域450生成描述阴影区域450的形状的形状描述，并将阴影区域描述写入扫描图案指令文件。这可以仅包括向特征描述添加标识阴影区域450并且将具有添加到其上的其他扫描图案细节的部分。或者，阴影区域描述可以包含描述阴影区域450的形状的数据，例如阴影区域450的轮廓。首先选择哪个特征402无关紧要。
在步骤512，计算机从当前特征402中选择阴影区域450，并将阴影区域450的形状分解成一个或多个行455以由电子束103扫描。行455将有效地填充阴影区域450，即，通过沿扫描行455扫描电子束103，阴影区域450中的所有金属粉末122将熔化。如上所述，行455可以形成光栅扫描。确定包括行间距的行图案在本领域中是公知的，因此将不再进一步描述。然后，计算机将每个行455的行描述写入阴影区域描述。这可以仅包括向阴影区域描述添加标识行455并且将具有添加到其上的进一步的扫描图案细节的部分。或者，行描述可以包含描述行455的数据，例如其起点和终点。
在以这种方式处理第一阴影区域450的情况下，对当前特征402中的所有其他阴影区域重复步骤512，如图5a的循环514所示。可以以任何顺序处理阴影区域450。例如，可以顺序地处理相邻的阴影区域450，但是在一些实施例中，不按顺序处理相邻的阴影区域450(即，在处理一个阴影区域450和任何相邻的阴影区域450之间留下间隙)可能是有利的。当已经处理了当前特征402中的所有阴影区域450时，该方法沿着另一个循环516前进以选择下一个特征402。因此，该循环516确保依次处理每个特征402。对于每个特征402，由于循环514，重复步骤510，并且重复步骤512多次。因此，方法500使每个特征402被划分为阴影区域，并且每个阴影区域450被划分为行455。
当已经处理了当前层159的所有特征402时，该方法继续以与刚刚描述的相同方式处理所有层159。图5a示出该方法遵循外循环518以确保处理所有层159。优选地，从底层159开始依次选择层159，底层159是在构建过程期间形成的第一层159，并且依次处理每个层159以完成产品150。
嵌套循环514、516和518使所有层159被处理，所有层159被划分成特征402，所有特征402被划分成阴影区域450，并且所有阴影区域被划分成行455。在该过程结束时，扫描图案指令文件包含每个层159的描述。每个层159的描述包含该层159的每个特征402的描述，每个特征描述包含该特征402中的每个阴影区域450的描述。每个阴影区域描述包含行描述。利用以这种方式生成的扫描图案指令文件，该方法可以继续到步骤519(图5b的第一步骤)。
在步骤519，计算机确定要在构建过程的持续时间内使用的束加速电压。相应的束加速电压值被写入扫描图案指令文件。上面已经提供了束加速度值可以采用的形式的示例。
接下来，计算机确定完成构建过程所需的束参数。这对所有层159、所有特征402、所有阴影区域450和所有行455进行。为了实现这一点，类似于嵌套循环514、516和518使用嵌套循环530、532、534和536。
计算机依次处理每个层159。因此，在步骤520，计算机选择第一层159。如前所述，优选首先选择底层159。外循环536确保依次处理所有层159，优选地从底层159开始，该底层159是在构建过程中形成的第一层159，并且依次处理每个层159以完成产品150。
对于每个层159，计算机依次选择每个特征402，如步骤522和循环534所示。对于每个特征402，计算机依次选择每个阴影区域450，如步骤524和循环522所示。
对于每个阴阴影区域450，计算机确定将在扫描阴影区域450时使用的束电流，并将束电流值写入扫描图案指令文件中的相应阴影区域描述。因此，每个阴影区域描述包含单个束电流值，其用于设置在扫描阴影区域450时保持的束电流。以上给出了如何控制束电流值的示例。
然后，计算机继续处理阴影区域450中的每行455。步骤526、528和530示出了循环行选择过程。在每个步骤526，计算机确定当前行455的束103的斑大小。具体地，计算机确定在沿着行455扫描束103时要使用的束斑大小，并将束斑大小值写入扫描图案指令文件中的行描述。因此，每个行描述包含在扫描行455时保持的束斑大小值。以上给出了如何控制束斑大小的示例。
在步骤528，计算机确定束103对当前行的扫描速度。具体地，计算机确定当沿着当前行455扫描束103时要使用的一系列束步长大小和束步长驻留时间。束步长大小是束103从当前束位置移动到下一束位置的步长的大小。束驻留时间是束103保持在每个位置的时间。计算机将一系列束位置值和束步长驻留时间写入行描述，从而定义束103如何沿行455扫描。上面给出了如何控制束步长大小和束驻留时间的示例。如上所述，每个束位置值可以与限定束位置在粉末床123上束坐标相对应，使得连续束位置值反映所确定的束步长大小。束步长大小是根据与电子束的斑大小来设置的。步长大小不应相对于斑大小设置得太大，以防止沿行扫描的熔化不规则。例如，步长大小可以设置为与束斑大小大约相同的数量级。
可以针对每个点独立地确定束步长大小和束驻留时间。或者，可以针对连续点确定束步长大小和束驻留时间，使得它们根据某些数学函数而变化。例如，可以改变束步长大小和/或束驻留时间，以确保当束沿着行扫描时束传递的能量平滑地增加或减少。例如，步长大小和/或驻留时间可以线性变化，或者可以根据更复杂的函数(例如指数函数或高斯函数)而变化。
当方法500完成时，已经创建并存储了扫描图案指令文件，其包含通过在粉末床123上扫描电子束103来逐层创建所期望的产品150所需的完整指令。扫描图案指令文件包含必须扫描束103的所有束位置，以及每个束位置的束驻留时间。这些束位置和束驻留时间被组织成扫描行描述。每个扫描行描述还包含要为该行455保持的束斑大小值。行描述也被组织成阴影区域描述。每个阴影区域描述包含要为该阴影区域450保持的束电流值。阴影区域描述被组织成特征描述。这允许具有相同或相似的束电流值的阴影区域被分组在一起。最后，特征描述被组织为层描述。
然后，该添加层制造装置(例如本文所述的装置100)可以使用该扫描图案指令文件来创建产品150。即，装置100的控制器110可以通过控制控制电子束103的装置100的适当部分来读取文件并实现其包含的指令。
如上所述，可以在构建过程期间使用实时反馈来在构建期间改变一些参数。例如，粉末床123的温度可以通过热成像相机测量，并且参数相应地改变。另外，可以在熔化之前在粉末床123中和/或在每个层形成之后对产品150进行表面不规则性检查。如果发现异常，例如偏离可接受范围之外的预期值，则可以调整扫描参数以补偿这些不规则性。这些改变可以“动态地”进行，即在从扫描图案指令文件中读取参数之后并且在将它们应用于构建过程之前。或者，可以修改扫描图案文件，使得补偿值在从文件读取的补偿参数之前写入文件并应用于构建过程。
本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行变化。

Claims (13)

1.一种使用添加剂层制造装置来形成产品的方法，包括：
所述添加剂层制造装置的处理器访问计算机可读文件，其中，所述计算机可读文件包括：
针对所述产品的形状的每个层的层描述，所述层描述描述所述层的形状；
针对每个层，所述层的形状被分解成将由束扫描的一个或多个阴影区域，每个阴影区域具有描述所述阴影区域的形状的形状描述；
针对每个阴影区域，所述阴影区域的形状被分解成将由所述束扫描的一个或多个行，每个行具有行描述；
将在形成所述产品时使用的束加速电压；
针对每个阴影区域，将在形成所述阴影区域时使用的相应的束电流；
针对每个行，
（i）将使所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的束斑大小，
（ii）将使所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的一系列束位置值、束步长和束驻留时间，其中，所述束步长大小是所述束从粉末床上的当前束位置移动到所述粉末床的下一束位置的步长的大小，且所述束驻留时间是所述束在所述粉末床上的每个位置保持的时间；
所述处理器控制所述添加剂层制造装置根据所述计算机可读文件通过将所述产品作为一系列层来形成，而形成所述产品，通过使用带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的粉末融凝以形成所期望的层形状，来形成每个层；
其中，针对每个层，通过使所述带电粒子束按照所述行描述中的所述束位置值指定的进行束位置到束位置的扫描并根据在所述行描述中的所述束驻留时间将所述束保持在每个位置，从而使所述束沿每个行进行扫描并进而使所述束在每个阴影区域上进行扫描直至完成所述层，来熔凝所述粉末；
其中，所述方法包括：响应于评估沉积到所述粉末的能量，根据所述计算机可读文件中指定的束斑大小、束步长大小和束驻留时间来动态地调整束斑大小、束步长大小和束驻留时间中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，包括：
针对每个层，所述层的形状被分解成一个或多个特征，并具有描述每个特征的形状的特征描述；并且
针对每个特征，所述特征的形状被分解成所述一个或多个阴影区域，并且针对每个阴影区域的形状描述描述所述阴影区域的形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述束加速电压是将设置在加速电极或加速电极集上的电势，所述加速电极或加速电极集用于加速所述带电粒子束。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，每个束电流值是将设置在带电粒子源上以控制所述源的带电粒子产生速率的值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述束电流值是将对通过所述源的灯丝传递的电流或对设置于维纳尔电极上的电势设置的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，每个束斑大小值包括针对聚焦电极或聚焦线圈的一个或多个设定，所述聚焦电极或聚焦线圈能够操作以将所述带电粒子束聚焦并设置所述束在所述粉末床上的大小。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，每个束位置值与定义所述粉末床上的束位置的束坐标相对应，使得连续的束位置值反映所确定的束步长大小。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个束位置值包括：将被施加于偏转器电极上以将所述束设置到所述粉末床上的所期望的束位置的偏转器电势，或者将通过偏转器线圈传递以将所述束设置到所述粉末床上的所期望的束位置的电流。
9.根据前权利要求1所述的方法，其中，每个行描述包括：斑大小值和一系列束位置值以及为每个束位置值提供的束驻留时间值。
10.根据权利要求1所述的方法，包括：响应于评估要沉积到所述粉末的能量，根据所述计算机可读文件中指定的束电流来调整束电流。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，还包括在所述处理器访问所述计算机可读文件之前生成所述计算机可读文件，其中，生成所述计算机可读文件包括：
获得所要形成的产品的三维描述；
将所述产品的形状分解成一系列层；针对每个层生成描述所述层的形状的层描述；并且将所述层描述添加至计算机可读文件；
针对每个层，将所述层的形状分解成将由所述束扫描的一个或多个阴影区域；针对每个阴影区域生成描述所述阴影区域的形状的形状描述；并且将所述阴影区域描述添加至所述计算机可读文件；
针对每个阴影区域，将所述阴影区域的形状分解成将由所述束扫描的一个或多个行；针对每个行生成行描述；并且将所述行描述添加至所述计算机可读文件；
确定将在形成所述产品时使用的束加速电压并向所述计算机可读文件提供束加速电压值；
针对每个阴影区域，确定将在形成所述阴影区域时使用的相应的束电流并向所述计算机可读文件中的所述阴影区域描述提供束电流值；
针对每个行，
（i）确定将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的束斑大小并向所述计算机可读文件中的所述行描述提供相应的束斑大小值，
（ii）确定将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的一系列束步长和束驻留时间，其中，所述束步长大小是所述束从所述粉末床上的当前束位置移动到所述粉末床上的下一束位置的步长的大小，且所述束驻留时间是所述束在所述粉末床上的每个位置处保持的时间；并且向所述计算机可读文件中的所述行描述提供相应的一系列束位置值和束步长驻留时间，从而定义了所述束将如何沿着所述行进行扫描。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：将包含所述产品描述、所述层描述、针对每个层的所述阴影区域描述、针对每个阴影区域的所述行描述的计算机可读文件保存到计算机存储器。
13.一种添加剂层制造装置，包括：
带电粒子源；
束形成装置，其能够操作以从由所述带电粒子源提供的带电粒子来形成带电粒子束；
束导向装置；
至少一个料斗，其能够操作以分配粉末；
台，其被定位为以限定粉末床的体积来接收由所述至少一个料斗分配的粉末，并且其中，所述束导向装置能够操作以使所述束在所述粉末床上进行扫描；以及
处理器和相关联的存储器，
所述存储器在其中存储有计算机可读文件；
其中，所述计算机可读文件包括：
针对所要形成的产品的形状的每个层的层描述，所述层描述描述所述层的形状；
针对每个层，所述层的形状被分解成将由所述束扫描的一个或多个阴影区域，每个阴影区域具有描述所述阴影区域的形状的形状描述；
针对每个阴影区域，所述阴影区域的形状被分解成将由所述束扫描的一个或多个行，每个行具有行描述；
将在形成所述产品时使用的束加速电压；
针对每个阴影区域，将在形成所述阴影区域时使用的相应的束电流；
针对每个行，
（i）将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的束斑大小，
（ii）将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的一系列束位置值、束步长大小和束驻留时间，其中，所述束步长大小是所述束从所述粉末床上的当前束位置移动到所述粉末床上的下一束位置的步长的大小，且所述束驻留时间是所述束在所述粉末床上的每个位置处保持的时间；并且
所述处理器被配置为：访问所述计算机可读文件并控制所述添加剂层制造装置根据所述计算机可读文件通过将所述产品作为一系列层来形成，而形成所述产品，通过使用带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的粉末融凝以形成所期望的层形状，来形成每个层；
其中，针对每个层，通过使所述带电粒子束按照所述行描述中的所述束位置值指定的进行束位置到束位置的扫描并根据在所述行描述中的所述束驻留时间将所述束保持在每个位置，从而使所述束沿每个行进行扫描并进而使所述束在每个阴影区域上进行扫描直至完成所述层，来熔凝所述粉末；
其中，所述处理器被配置为：响应于评估要沉积到所述粉末的能量，根据所述计算机可读文件中指定的束斑大小、束步长大小和束驻留时间来动态地调整束斑大小、束步长大小和束驻留时间中的至少一者。
CN201880018966.4A 2017-01-17 2018-01-16 在添加剂层制造期间的带电粒子束控制 Active CN110461506B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1700807.9 2017-01-17
GBGB1700807.9A GB201700807D0 (en) 2017-01-17 2017-01-17 Charged particle beam control during additive layer manufacture
PCT/GB2018/050117 WO2018134576A1 (en) 2017-01-17 2018-01-16 Charged particle beam control during additive layer manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110461506A CN110461506A (zh) 2019-11-15
CN110461506B true CN110461506B (zh) 2022-06-24

Family

ID=58463333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880018966.4A Active CN110461506B (zh) 2017-01-17 2018-01-16 在添加剂层制造期间的带电粒子束控制

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11318555B2 (zh)
EP (1) EP3570998A1 (zh)
JP (1) JP7121226B2 (zh)
CN (1) CN110461506B (zh)
CA (1) CA3050351A1 (zh)
GB (1) GB201700807D0 (zh)
WO (1) WO2018134576A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201617693D0 (en) * 2016-10-19 2016-11-30 Reliance Rg Limited Charged particle beam steering arrangement
JP7007151B2 (ja) * 2017-10-19 2022-01-24 株式会社アドバンテスト 三次元積層造形装置および積層造形方法
CN114012109A (zh) * 2021-12-17 2022-02-08 中国科学技术大学 一种具有多孔结构的抗菌合金制备工艺及设备

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6051179A (en) * 1997-03-19 2000-04-18 Replicator Systems, Inc. Apparatus and method for production of three-dimensional models by spatial light modulator
US6280785B1 (en) * 2000-03-28 2001-08-28 Nanotek Instruments, Inc. Rapid prototyping and fabrication method for 3-D food objects
DE102004009127A1 (de) 2004-02-25 2005-09-15 Bego Medical Ag Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Produkten durch Sintern und/oder Schmelzen
CN100349077C (zh) * 2004-12-03 2007-11-14 清华大学 一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备
US20080170112A1 (en) * 2007-01-17 2008-07-17 Hull Charles W Build pad, solid image build, and method for building build supports
SE533076C2 (sv) 2008-09-05 2010-06-22 Sätt att framställa föremål innehållande nanometall eller kompositmetall
CN203164815U (zh) 2013-02-06 2013-08-28 桂林狮达机电技术工程有限公司 电子束快速成型制造设备加速电源装置
WO2014207454A1 (en) * 2013-06-26 2014-12-31 Renishaw Plc Method and apparatus for generating geometric data for use in additive manufacturing
US10434572B2 (en) * 2013-12-19 2019-10-08 Arcam Ab Method for additive manufacturing
GB201404854D0 (en) 2014-03-18 2014-04-30 Renishaw Plc Selective solidification apparatus and method
JP2015193866A (ja) 2014-03-31 2015-11-05 日本電子株式会社 ３次元積層造形装置、３次元積層造形システム及び３次元積層造形方法
US9757902B2 (en) * 2014-09-02 2017-09-12 Product Innovation and Engineering L.L.C. Additive layering method using improved build description
EP3025809B1 (en) 2014-11-28 2017-11-08 Ansaldo Energia IP UK Limited Method for manufacturing a component using an additive manufacturing process
CN104588650B (zh) * 2015-02-26 2017-01-04 上海交通大学 基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法
GB201505458D0 (en) 2015-03-30 2015-05-13 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and methods
WO2016193742A1 (en) 2015-06-03 2016-12-08 Renishaw Plc A device and method for generating and displaying data relating to an additive manufacturing process
CN106553345B (zh) * 2015-09-29 2018-11-30 珠海赛纳打印科技股份有限公司 一种多材料3d物体的打印方法及打印控制装置
EP3208077B1 (en) 2016-02-18 2021-07-21 VELO3D, Inc. Accurate three-dimensional printing
US11077618B2 (en) * 2017-03-22 2021-08-03 Nxt Factory Inc. Method and apparatus for forming a three-dimensional article by fusion of a powdered medium in a powder bed
US20210357555A1 (en) * 2018-09-14 2021-11-18 Northwestern University Data-driven representation and clustering discretization method and system for design optimization and/or performance prediction of material systems and applications of same
US11537111B2 (en) * 2020-04-01 2022-12-27 General Electric Company Methods and apparatus for 2-D and 3-D scanning path visualization

Also Published As

Publication number Publication date
CN110461506A (zh) 2019-11-15
WO2018134576A1 (en) 2018-07-26
US20190358737A1 (en) 2019-11-28
US11318555B2 (en) 2022-05-03
JP7121226B2 (ja) 2022-08-18
JP2020505510A (ja) 2020-02-20
EP3570998A1 (en) 2019-11-27
GB201700807D0 (en) 2017-03-01
CA3050351A1 (en) 2018-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6973721B2 (ja) 荷電粒子ビームを使用した積層造形に関する改善
CN110225802B (zh) 带电粒子束操纵装置
US9269520B2 (en) Electron gun, method of controlling same, and electron beam additive manufacturing machine
CN110461506B (zh) 在添加剂层制造期间的带电粒子束控制
US20180311769A1 (en) Multi-materials and print parameters for additive manufacturing
JP6042552B2 (ja) ３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および制御プログラム
US7667212B2 (en) Method for depositing a film using a charged particle beam, method for performing selective etching using the same, and charged particle beam equipment therefor
JP2017526815A5 (zh)
CN108437472B (zh) 一种增材制造装置及增材制造方法
KR102470232B1 (ko) 개선된 속도, 자동화, 및 신뢰성을 갖는 단층 촬영 샘플 준비 시스템 및 방법
US11925983B2 (en) Devices, systems, and methods for using an imaging device to calibrate and operate a plurality of electron beam guns in an additive manufacturing system
US20170002467A1 (en) Adaptive control for charged particle beam processing
CN111182985A (zh) 三维造型装置以及三维造型方法
US11458561B2 (en) Electron beam column for three-dimensional printing device, three-dimensional printing device, and three-dimensional printing method
US20220297193A1 (en) Three-Dimensional Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Apparatus and Three-Dimensional Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Method
EP4253008A1 (en) Three-dimensional modeling device and three-dimensional modeling method
CN109789483A (zh) 电子束3d打印机
US10415133B2 (en) Adaptive beam current for high throughput patterning
WO2019185053A1 (zh) 射线发生装置、增材制造装置及增材制造方法
EP3113209A1 (en) Adaptive beam current for high throughput patterning

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20220301

Address after: West Yorkshire

Applicant after: Reliance RG Co.,Ltd.

Address before: West Yorkshire

Applicant before: RELIANCE PRECISION Ltd.

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant