CN112823071A - 用于选择性增材制造装置的磁约束加热装置 - Google Patents

用于选择性增材制造装置的磁约束加热装置 Download PDF

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C·巴拉热
D·兰丹
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Abstract

本发明涉及一种用于在增材制造装置中加热粉末床的装置，其特征在于，其包括：‑等离子体产生装置(20)，所述装置设计成距粉末床一定距离布置在粉末床上方、且在粉末床上方移动，从而能够在粉末床上产生等离子体；‑用于向所述等离子体产生装置供电的单元(22)；‑控制单元(9)，其用于控制所述等离子体产生装置的供电和移动，并且所述等离子体产生装置(20)包括等离子体磁约束组件。

Description

用于选择性增材制造装置的磁约束加热装置
技术领域
本发明涉及选择性增材制造的一般领域。
更具体地，本发明涉及加热处理，且尤其涉及预加热处理，有可能涉及通过在选择性熔化之前在粉末床上实施的加热所进行的原位后处理。
背景技术
选择性增材制造涉及通过在粉末状材料(金属粉末、陶瓷粉末等)的连续层上固化所选区域而产生三维物体。固化区域对应于三维物体的连续部分。固化例如通过利用功率源(大功率激光束、电子束等)产生的全部或部分选择性熔化而逐层进行。
常规地，为了避免由于相邻粉末颗粒(其在来自功率源的射束的作用下带电)的静电斥力而引起的飞溅，粉末床预先通过预加热而固化。此预加热确保粉末床的温度上升到可能极高的温度(对于钛合金，大约750℃)。
然而，预加热的能量成本确实很高。
预加热还表现出循环时间方面的明显损失。
为了优化所使用功率源的效率，已知的是在气密壳体中工作，在该气密壳体中产生部分真空，尤其为了减小由功率源发射的信号与周围大气之间的能量传递以便增强功率源与粉末床之间的能量传递。
发明内容
本发明的大体目标是减少迄今提出的配置的缺陷。
值得注意的是，本发明的一个目标是提出一种在不对粉末进行加电和提升的情况下，能够对粉末进行加热的解决方案。
另一目标是提出一种在极低压力下操作以优化粉末熔融装置的效率的加热解决方案(在选择性熔融步骤之前或之后执行)。
又一目标是提出一种通过在制造周期内加热，可以减少预加热或后处理成本及时间的解决方案。
本发明的另一目标是提出一种易于构建的解决方案。
另一目标也是提出一种保持在低压(<0.1毫巴)下(同时在较宽的压力范围内有效)的加热解决方案。
因此，根据第一方面，本发明提出一种用于在增材制造装置中加热粉末床的装置，
其特征在于，所述装置包括：
-等离子体产生装置，所述装置调整为距粉末床一定距离位于粉末床上方、且在粉末床上方移动，从而能够在粉末床上产生等离子体，
-供电单元，其用于所述等离子体产生装置，
-控制单元，其用于控制所述等离子体产生装置的供电和移动，
并且，所述等离子体产生装置包括等离子体磁约束组件。
以此方式，等离子体受约束且局限于限制区域中，从而优化粉末床的预加热。
因此，加热周期的能量效率得以增强，由此减少预加热或加热周期的持续时间和成本。
有利地，所述装置可以通过以下特征单独地或以组合方式补充：
-等离子体约束组件包括适用于约束带电粒子的磁控管类型的装置；
-磁控管装置包括配置为根据线性图案约束电子的磁体装置；
-磁控管类型的装置包括形成离子源的狭缝，所述狭缝穿过电极形成且面向粉末床呈现；
-将气体注入到所述狭缝中；
-所述等离子体产生装置调整为以与所述等离子体产生装置延伸的方向垂直的主要位移分量移动；
-用于所述等离子体产生装置的供电单元包括直流和/或射频和/或脉冲高压源。
根据第二方面，本发明提出一种用于通过选择性增材制造来制造三维物体的装置，其在壳体中包括：
-支撑件，其用于增材制造粉末的连续层的沉积，
-分配装置，其适用于将粉末层施加于所述支撑件或先前固化的层上，
-至少一个功率源，其适用于通过所述分配装置施加的粉末层的选择性固化，
所述装置包括根据本发明的加热装置，所述加热装置的等离子体产生装置调整为距粉末床一定距离位于粉末床上方、且在粉末床上方移动，从而能够在粉末床上产生等离子体，等离子体产生装置还包括等离子体磁约束组件。
此装置可以包括包含分层刮刀或辊的分配装置，等离子体产生装置在所述刮刀或辊附近延伸且与所述刮刀或辊一起移动，或置于例如机器人臂等独立移动装置上。
根据第三方面，本发明提出一种通过选择性增材制造来制造三维物体的方法，所述方法包括以下步骤：
-在支撑件或先前固化的层上沉积粉末层，
-固化先前预加热的区域，固化通过功率源执行，
所述方法还包括通过根据本发明的加热装置加热粉末层的至少一个局部区域的步骤，粉末床的加热由受约束的等离子体执行。
有利地，所述方法可以通过以下特征单独地或以组合方式补充：
-在加热步骤期间，等离子体产生装置将带电粒子约束在精确位置，以便在为电极供电时控制放电的形成，产生受约束的等离子体，从而使等离子体与粉末床之间的热传递最大化；
-在加热步骤期间，将气体注入到等离子体产生装置以在其中电离，磁场引起电离气体的喷射以便产生朝向粉末定向的受约束的等离子体射流；
-在固化步骤之前和/或之后执行至少一个加热步骤。
附图说明
通过仅为说明性而非限制性的且应结合附图阅读的以下描述，本发明的其它特征和优点将更明显，其中：
-图1为根据本发明的可能实施方案的包括加热装置的增材制造装置的示意图；
-图2为根据本发明的加热粉末床的等离子体产生装置的理论图；
-图3为根据本发明的磁控管等离子体产生装置的横截面的示意图；
-图4为根据本发明的磁控管装置的磁体装置的结构图；
-图5为突出根据本发明的磁控管阴极装置的操作的从下方观察的3D理论图；
-图6为表示根据本发明的磁控管阴极装置的实施方案的横截面的示意图，其作为变体配备有旋转(阴极)电极；
-图7为根据本发明的产生离子束的具有磁约束的等离子体产生装置的第二实施方案的从下方观察的3D表示(还称为倒磁控管)；
-图8为通过根据本发明的加热装置加热的粉末床的示意图。
具体实施方式
综述
图1的选择性增材制造装置1包括：
-支撑件，例如水平板3，在其上依次沉积各种增材制造粉末(金属粉末、陶瓷粉末等)层，可以制造三维物体(在附图中呈枞树形式的物体2)，
-粉末罐7，其定位于板3上方，
-装置4，其用于在板上分配所述金属粉末，此装置4包括例如用于散布不同连续粉末层(根据双向箭头A移动)的分层刮刀5或辊，
-功率源组合8，其用于使散布的薄层熔化(全部或部分)，
-控制单元9，其确保根据预先存储的信息(存储器M)驱动装置1的不同组件，
-机构10，其可以在沉积所述层时使板3的支撑降低(根据双向箭头B的移动)。
在参考图1描述的示例中，所述组合8包括两个固化源：
-电子束枪11，和
-激光类型的源12。
作为变体，组合8可以仅包括一个源，例如处于真空或在极低压力(<0.1毫巴)下的局部功率源：电子枪、激光源等。
仍作为变体，组合8还可包括若干相同类型的源，例如若干电子枪和/或激光源，或可以从同一源获得若干射束的装置。
在参考图1描述的示例中，至少一个检流计反射镜14可以基于由控制单元9发送的信息相对于物体2定向及移动来自源12的激光束。
当然，可设想任何其它偏转系统。
在未示出的另一示例中，组合8包括若干激光类型的源12，并且通过使不同的激光类型的源12在待熔化粉末层上方移动而获得不同激光束的移动。偏转线圈15和聚焦线圈16可以使电子束偏转并将电子束局部地聚焦于待烧结或熔化的层的各区域上。
挡热板T可插入于组合8中的一个或多个源之间。
装置1的组件布置于与至少一个真空泵18相关联的密封壳体17内部，所述至少一个真空泵保持所述壳体17内部的二次真空(通常大约为10-2/10-3毫巴，甚至为10-4/10-6毫巴)。
所述装置还包括位于粉末床上方且可以相对于粉末床线性移动的加热装置19。
此加热装置19可以在同一滑动托架上位于分层刮刀5或辊后方。加热装置19还可安装在独立托架上或机器人臂上。在后一种情况(未示出)下，通过磁控管阴极的磁阱描绘的图案可以是除线性之外的任何形式，例如允许局部加热。
所述加热装置19的移动、其供电和其在待加热或预加热的粉末床前方的停留时间也受单元9控制。
通过磁约束线性放电进行的加热
在图2中示出的示例中，加热装置19包括在金属粉末床(由微粉末或纳米粉末构成的固体或粒状表面21)上方移动的等离子体产生装置20。
此等离子体产生装置20通过受控制单元9控制的电激发源22供电。
所述源22允许将高压(>0.2kV)施加于等离子体产生装置20与粉末床的表面21之间。
因此，通过所述源22产生的供电可以为低频、射频(RF)或脉冲DC电流。
在所述源22的作用下，等离子体产生装置20在等离子体产生装置20与表面21之间产生放电且形成等离子体，其确保表面21的加热。
等离子体产生装置20大体上平行于表面21延伸。所述等离子体产生装置与其延伸方向垂直、平行于所述表面21移动。
这样的配置允许粉末床表面上对应于等离子体产生装置20的长度和其移动距离的均匀加热。
粉末床的表面21例如接地。
加热可以在固化步骤之前执行，因此构成预加热步骤，以避免粉末飞溅。
可选地，加热步骤可以在固化步骤之后执行，因此构成后加热步骤，以便执行材料的烘烤或限制工作大气的淬火效应，或甚至在冷却时控制温度的趋势，以便获得特定晶体结构。
线性磁控管装置
为了产生低压等离子体(<0.1毫巴)从而提高等离子体产生装置20的效率，所述装置包括等离子体磁约束系统。
图3示出包括线性等离子体产生磁控管装置23的等离子体约束组件。
所述磁控管装置23包括电极24，优选地负极性(在这种情况下，充当阴极)。
面向电极24的第一面定位的磁体装置25产生磁阱，该磁阱能够实现对面向电极24的另一面的电子的约束。
所述磁体可以为永磁体或电磁体，或甚至为两者的组合。
根据需求，电极24可以在射频(RF)模式或高功率脉冲模式(HiPIMS-高功率脉冲磁控管溅射)下利用直流电(DC)供电(源22)，但通常接收负电压。
根据其供电模式，电极24的构成材料可以为电导体、绝缘体或半导体。
在电极24由导电材料制成的情况下，所有供电模式都是合适的。
在电极24由非导电材料制成的情况下，仅RF或脉冲模式为合适的。
冷却剂(例如水、乙二醇等)的循环26设置在电极24中，由外部系统供应。
冷却剂可以例如经由形成于托架27的其中一个壁的孔口注入，并且可以例如在磁体装置25的成排磁体之间循环，流体因此还与电极24接触并使所述电极冷却。
然后，冷却剂可以经由形成于托架27的第二孔口提取。
所述磁控管装置23在壳体17内部安装在托架27上，所述托架27位于粉末床上方且可以相对于粉末床线性移动(附图中的双向箭头)。
此托架27是例如分层辊的托架，磁控管装置23位于所述辊后方(相对于辊的前进方向)。
参考图4，磁体装置25的示例包括定位以形成线性磁道28的两排磁体。因此，具有相反极性的磁体位于磁道28的任一侧上。
在所示出的示例中，磁道28闭合。
参考图5，磁体装置25由电极24覆盖。
通过磁体产生的磁场在电极24面向粉末床的一侧围绕磁场线捕获电子，且因此增强了气体沿着线性图案29(其沿着磁道28定位)的电离，如图5中所示出。
此磁性配置使电子沿着图案29聚集，从而沿着所述图案29形成等离子体。
为了进一步提高磁阱的有效性，通常形成交替布置(北极在外而南极在中心，或反之亦然)，以产生如图4所示的闭合磁道28。
磁控管放电装置的操作
因此，磁体装置25配置为产生使电子聚集于所确定区域的磁场。在所描述示例中，所确定区域为线性图案29，但所述磁体可以布置成形成任何其它几何式样，例如圆形或曲线。
当为电极24供电时，在粉末床与电极24之间发生放电，因此产生等离子体。
所确定区域中电子的聚集可以促进所述区域中气体的局部电离，并且磁阱的存在可以将等离子体约束(甚至在极低压力下)在精确区域中。
此装置适合于低压操作，通常约为1帕(10-2毫巴)，但更广泛地在介于微巴(0.1帕)到毫巴(100帕)范围内的压力范围内。
此种量级的压力(在帕斯卡范围内)可以提高产生粉末熔化的功率源的效率。
更具体地，在功率源12包括电子束产生器的特定情况下，低工作压力意味着较低的周围大气密度，并且因此意味着由所述源12发射的电子与周围气体之间的冲击较小。
磁场的存在可以将电子聚集于区域中，并且因此促进等离子体的形成，尽管周围大气的密度较低。
然后减小受加热区域的宽度，这会提高加热的精确度。
在功率源12包括激光器的情况下，工作压力的减小限制了周围氧气水平，这会限制氧化物和烟雾的形成。
因此，熔融材料较少受烟雾和氧化物污染。
由于激光加热期间由粉末熔化产生的金属蒸汽流将固化轨道周围区域中的金属粉末吹散而产生的剥蚀效应(其在于将这些粉末耗尽)，也通过降低周围压力而受到极大限制。
于是，在粉末熔化时产生的金属蒸汽密度较低且这些蒸汽的循环流不会吹散粉末。
磁场B配置为仅捕获电子，而不会影响离子的行为。
具体地说，根据电子与离子之间的质量差而配置的磁场值(通常几个100高斯＝0.01特斯拉)可以获得此行为。
确实，电子与离子之间的质量比导致其相应磁回旋半径(旋磁半径)之间的类似比率。
因此，形成的等离子体约束于电极24与粉末床的自由表面21之间。
通过将此磁控管装置23以及均质部分(等离子体或离子束)朝向粉末床放置，可以有效地将能量从等离子体物质传递到粉末，从而对其进行加热。
能量通过同时共存于等离子体中的多个方式传递到粉末。这些方式为带电物质、电子和离子，以及能量中性物质，尤其从电极(阴极)溅射的中性原子、非辐射激发态(亚稳态)，和光子。当表面(粉末)接收两个带电物质时，电荷效应(库仑排斥)减小，甚至消除。
此外，所有可见、红外和紫外光子在吸收时对材料进行加热。
等离子体密度越高，传输到表面的能量就越多。
在离子情况下(但更一般地对于任何类型的等离子体)，能量的量可以容易地通过离子加速电压(或相应地注入到等离子体中的能量)进行调节。通过等离子体的脉冲操作，使加热阶段(等离子体接通)和热膨胀阶段(等离子体关断)交替，可以实现较佳控制。接通/关断周期(还称为占空比)的更改可以容易地调节温度。
旋转电极装置
在电极与粉末床之间的等离子体的形成在延长激活的情况下导致电极的明显加热。
在一些实施方案中，电极24为中空圆柱形辊，其中设置有磁体装置25，如图6中所示。
磁体装置25相对于磁控管装置23固定安装，电极24安装成沿着轴线(该电极沿着该轴线延伸)旋转。
因此，磁场相对于磁控管装置23的位置和方向在工作期间并不改变，从而可以控制等离子体的形成区域。
在磁控管装置23的工作期间，电极24以旋转方式驱动。以此方式，电极24暴露于等离子体的部分规则地改变，从而限制特定区域的加热，等离子体始终约束于由磁体装置25产生的磁阱中，该磁体装置25相对于磁控管装置23具有固定方向(尤其朝向粉末床的表面21)，如图6中所示。
线性离子源装置
变体磁控管阴极还可以获得线性且均质的等离子体。
在图3的实施方案的情况下，电极24为平面电极。
在图7中所示的变体中，磁控管装置可以包括形成有狭缝30的电极24。
狭缝30面向磁道28形成，磁道28由在磁体装置25的各排之间延伸的腔体形成。
注入孔口31形成于托架27的壁中，位于由磁道28和狭缝30形成的腔体的底部。
经由注入孔口31将气体注入到腔体中。在激发阴极24后，然后气体由通过磁场B(其由磁体装置25产生)有效捕获的电子强电离。
可选地，经由注入孔口31注入的气体为形成工作大气的气体，从而可以简化装置。
因此，由磁道28和狭缝30形成的腔体形成离子源。
通过磁体装置25产生的磁垒增大了等离子体的电阻，因此通过霍耳效应在等离子体中产生电位差。
由磁场B所产生的电荷移动和通过激发阴极24所产生的电场导致电子沿着磁道28(其面向狭缝30)循环，从而导致等离子体的均质化。
未磁化的离子通过电场经由狭缝30喷射。
更轻的一些电子跟随所述离子。因此，受约束的等离子体流产生且经由狭缝30喷射。狭缝30理想地面向粉末床定位，以便将等离子体射流喷射于待加热表面21上。
在变体中，等离子体产生装置20为除线性之外的任何形式，并且其适合于与机器人一起移动。
通过将等离子体产生装置20放置于粉末的表面21前方，可以保持高密度等离子体(即，均质、且约束于所述装置20与粉末床之间)，尽管工作压力较低。
通过移动此等离子体产生装置20，可以扫描粉末床的表面21。通过保持等离子体接通且通过执行粉末床的表面21的完整扫描，对粉末床进行表面加热。
可选地，取决于等离子体接通时间(时间t1、t2或t3)和等离子体产生装置20在粉末床上方的位置，可以仅在粉末床的整个宽度上加热特定区域，如图8中所示。
通过限制等离子体接通时间，可以优化能耗，同时实现期望的加热。
因此，能量被高效地传递到粉末，这可以实现粉末的加热。

Claims (13)

1.一种用于在增材制造装置中加热粉末床的装置，其特征在于，其包括：
-等离子体产生装置(20)，所述装置调整为距粉末床一定距离位于粉末床上方、且在粉末床上方移动，从而能够在粉末床上产生等离子体，
-供电单元(22)，其用于所述等离子体产生装置，
-控制单元(9)，其用于控制所述等离子体产生装置的供电和移动，
并且，所述等离子体产生装置(20)包括等离子体磁约束组件。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其中，所述等离子体约束组件包括适用于约束带电粒子的磁控管类型的装置(23)。
3.根据权利要求2所述的加热装置，其中，所述磁控管装置(23)包括配置为根据线性图案(29)约束电子的磁体装置(25)。
4.根据权利要求3所述的加热装置，其中，所述磁控管类型的装置(23)包括形成离子源的狭缝(30)，所述狭缝(30)穿过电极(24)形成且面向所述粉末床呈现。
5.根据权利要求4所述的加热装置，其中，将气体注入到所述狭缝(30)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中，所述等离子体产生装置(20)调整为以与所述等离子体产生装置延伸的方向垂直的主要位移分量移动。
7.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中，用于所述等离子体产生装置(20)的供电单元(22)包括直流和/或射频和/或脉冲高压源。
8.一种用于通过选择性增材制造来制造三维物体的装置，其在壳体中包括：
-支撑件(3)，其用于增材制造粉末的连续层的沉积，
-分配装置(4)，其适用于将粉末层施加于所述支撑件(3)或先前固化的层上，
-至少一个功率源(8)，其适用于通过所述分配装置(4)施加的粉末层的选择性固化，
其特征在于，所述装置包括根据前述权利要求中任一项所述的加热装置(19)，所述加热装置(19)的等离子体产生装置(20)调整为距粉末床一定距离位于所述粉末床上方、且在所述粉末床上方移动，从而能够在所述粉末床上产生等离子体，所述等离子体产生装置(20)还包括等离子体磁约束组件。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述分配装置(4)包括分层刮刀(5)或辊，所述等离子体产生装置(20)在所述刮刀(5)或辊附近延伸且与所述刮刀或辊一起移动或独立地移动。
10.一种通过选择性增材制造来制造三维物体的方法，所述方法包括以下步骤：
·在支撑件(3)或先前固化的层上沉积粉末层，
·固化先前沉积的层的至少一个区域，固化通过功率源(8)执行，
其特征在于，所述方法还包括通过根据权利要求1至7中任一项所述的加热装置(19)加热粉末层的至少一个局部区域的操作，粉末床的加热由受约束的等离子体执行。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在加热步骤期间，所述等离子体产生装置(20)将带电粒子约束在精确位置，以便在为电极(24)供电时控制放电的形成，产生受约束的等离子体，从而使等离子体与粉末床之间的热传递最大化。
12.根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其中，在加热步骤期间，将气体注入到等离子体产生装置(20)以在其中电离，磁场引起电离气体的喷射以便产生朝向粉末定向的受约束的等离子体射流。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，在固化步骤之前和/或之后执行至少一个加热步骤。
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