CN113329833A - 斑点预热 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加热方法，其用于通过用来自电子源的电子束照射粉末床来为后续加工准备粉末床。电子源可以被设计用于将电子束快速移动到在粉末床处的不同的加热位置，所述加热方法包括步骤，通过所述电子束在至少两个粉末床加热位置处的连续停留来局部加热至少两个粉末床加热位置。通过在粉末熔合之前在粉末床的局部预热位置之间跳跃，可以防止带电粉末从粉末床飘浮和散布。

Description

斑点预热
技术领域
本发明涉及一种用于当通过利用电子束逐层熔合粉末材料来制造三维物体时，通过用来自电子源的电子束照射所述粉末床来在粉末床处加热和准备粉末层以进行后续加工的方法。
现有技术的问题
在基于电子束粉末床熔合的增材制造系统中，通常需要首先预热粉末床以为随后的熔合和固化步骤准备适当的工艺条件。当电子束在制造过程期间与粉末床相互作用时，将有大量电子对在粉末床中的粉末颗粒充电。如果粉末床的电导率太低而无法消散由电子束感应的这样的电荷，那么粉末床将累积电荷达到临界值，其中在粉末颗粒之间的排斥静电力超过重力，导致粉末颗粒从粉末床飘浮。飘浮的带电的粉末颗粒将排斥其他飘浮的带电的粉末颗粒，因此粉末云将瞬间散布到整个制造室。这种现象通常导致增材制造过程的立即失败和终止。制造过程通常包括粉末的加热或预热以及粉末的熔合，预热粉末的主要目的是实现半烧结粉末床以增加电传导和热传导。此外，半烧结粉末床也将更好地抵抗带电的粉末的飘浮和散布。在现有技术的粉末床的预热中，电子束通常通过以恒定的速度在粉末床上连续地移动电子束斑点而在粉末床上扫描，因此在粉末床上产生加热轨迹或踪迹。与此相反，本发明公开了一种用于逐点加热粉末床的方法。
发明内容
本发明涉及一种加热方法，其用于通过用来自电子源的电子束照射所述粉末床来为后续加工准备粉末床，所述电子源被设计用于将所述电子束快速移动到在所述粉末床的不同的加热位置，所述加热方法包括步骤：通过所述电子束在所述至少两个粉末床加热位置的连续停留来局部加热至少两个粉末床加热位置。
在实施例中，可通过在所述粉末床处的几个粉末床加热位置加热所述粉末床的所选择的区域以在所述所选择的粉末床区域上分布热量。
在实施例中，所述几个粉末床加热位置形成用于在最近被电子束加热的位置之间维持最小距离的模式。
在实施例中，在两个连续的粉末床加热位置之间的距离可以大于斑点尺寸的五倍。
在实施例中，可重复地加热所述粉末床的所选择的区域以在所述所选择的粉末床区域上分布热量。
在实施例中，通过在所述粉末床处的几个粉末床加热位置加热所述粉末床的所选择的区域，以将热量均匀地分布在所述所选择的粉末床区域上。
在实施例中，每个连续的粉末床加热位置可以是先前沉积的电子束能量的函数。
在实施例中，在所述粉末层床处提供粉末床加热位置的模式以维持最短时间直到粉末床加热位置被重复地加热。
在实施例中，停留在粉末床加热位置的时间可以是>1ms或>0.1ms或优选地，>0.01ms。
在实施例中，所述粉末床位置是在粉末床平面中的坐标。
在实施例中，可以用来自电子源的电子束照射所述粉末床以维持粉末床工艺温度。
在实施例中，所述加热方法优选地用于三维物体的增材制造。
在实施例中，可以随机地选择连续的加热位置的定位。
在实施例中，依赖时间的数学函数可用于确定连续的加热位置的定位。
在实施例中，连续的加热位置的定位可以随机地被选择，其中定位的概率可以由依赖时间的数学函数确定。
本发明的范围由权利要求限定，该权利要求通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将被提供对本发明的实施例的更完整的理解，以及其附加优点的实现。将参考将首先简要描述的附图。
附图说明
在对本发明的描述中，参考了以下附图，其中：
图1以示意剖视图显示了增材制造系统，该系统用于通过在粉末床中将粉末材料一层一层地结合来生产三维物体。
图2显示了粉末床表面，其中电子束加热位置在连续的时间(t＝0，t1，t2等等)上根据一种模式被加热。
图3显示了粉末床表面，其中电子束加热位置在连续的时间(t＝0，t1，t2等等)上随机地被加热。
图4显示了来自电子加热位置的在粉末床上依赖时间的热量影响区域(x,y)的曲线图，其中T是温度。
图5显示了来自电子加热位置的在粉末床上依赖时间的热量影响区域(x,y)的曲线图，其中P是由电子束引起的局部电荷电势。
本发明的描述和公开
增材制造和3D打印涉及通过将粉末材料逐层地结合起来而从3D模型数据制造物体的过程。粉末床熔合意味着在其中物体在粉末床中构建的增材制造或3D打印。粉末薄层由粉末分布器在粉末床103上反复散布，并由来自能量源102的束101熔合成每一层的预定的几何形状。能量源102可以是，例如，激光器或电子枪。在完成粉末床熔合过程后，熔合的物体104将嵌入粉末中。构建完成后去除粉末。在我们的申请SE1951071-8(共同未决)和WO2019185642A1(已公开)中，通过引用并入本文，也对技术和增材制造进行了更多的描述。
电子束粉末床熔合发生在真空中，以及电子束可以在几个工艺步骤中操作：它可以将粉末层预热到半烧结状态，它可以通过熔化或通过固化粉末层中的粉末来熔合粉末，以及它可以向粉末床增加额外的热量，以在整个构建过程中维持粉末床的预定的温度。这些工艺步骤在计算机控制下实行，以达到被制造的物体的预定的质量要求。
粉末床位置(position)201被定义为在粉末床平面204中的坐标，它是在粉末床平面中具有(x，y)坐标的点或斑点。可以在不扫描或移动电子束的情况下加热位置201。此外，“区位(area)”被定义为粉末床的小的表面，其需要电子束的一些扫描或移动以实现均匀的加热。“区域(region)”205被定义为待加热的粉末床的宏观部分。此外，我们将“子区域(sub-region)”203定义为区域205的一部分，其大于区位。因此，这些定义的大小如下：位置<区位<子区域<区域，其中区位是较小的表面部分，区域是较大的表面部分。
本发明的目的是提供一种用于用电子束加热粉末床的方法。在增材制造系统中，希望在粉末床的顶部粉末层的区域被熔合或熔化之前以受控的方式预热粉末床。通过预热粉末床，可以达到工艺温度，提供了以下优点：在随后的熔合步骤中需要向粉末床照射较少的能量以获得固化材料。预热的其他原因可能是从粉末颗粒中溶解表面氧化物。通过预热粉末床，粉末可以变成半烧结的以提高电导率，这有利于在正在进行的预热步骤和在随后的制造过程的熔合步骤中改善电子从电子床的运输。通过预热粉末床，电导率增加。通过对粉末床进行预热，还可以提高热导率，以便在随后的工艺步骤中更有效地熔合粉末。当粉末床已经半烧结时，由于粉末床中的增加的电导，粉末不太易于产生静电，因此在增材制造过程中，对于带电粉末颗粒的飘浮和散布的风险将降低。
在电子束粉末床熔合过程中，诸如用于金属零件的增材制造过程，粉末床通常被预热以对粉末进行半烧结，以降低带电的粉末后期的飘浮的风险，并且增加在粉末床中的电导以增加来自粉末床的对电子的运输。为了节省时间，希望以有效的加热模式预热粉末床，而没有由于在预热期间充电而导致对于粉末颗粒的飘浮和散布的风险。通常希望在预热粉末床时使每个区位的功率最大化以实现对粉末床的具有时效性的加热。一旦粉末床已被预热并且粉末已半烧结，对于粉末的静电飘浮和散布的风险就已降低了。
在粉末的熔合之前预热粉末床可以以许多不同的方式执行，例如通过电子束照射。通过电子束加热是在真空室中加热粉末床的有效方式。在预热过程步骤中，粉末床通常利用比用于在用来制造三维部件的所选定区域中熔合粉末的总能量更多的总能量进行照射。
本发明基于这样的理解，即当用电子束加热粉末床时，期望在预热期间实现限定束移动的优化的加热模式。这种加热模式需要考虑时间、束流、束斑尺寸、束能量强度以及将电子从粉末床传输出去需要多长时间。
本发明公开了一种用于粉末床加热、预热或半烧结的优化的局部加热模式。当将电子束斑点移动到后续的粉末床加热位置时，可以考虑许多参数；距以前的加热位置的距离和时间、在粉末床上的温度分布、在粉末床上的电荷分布、用于加热的在束斑中的大小和功率强度。在两个连续的粉末床加热位置之间的距离可能大于斑点尺寸的五倍。优选地，在两个连续的粉末床加热位置之间的距离尽可能大，例如>50mm，以避免在粉末床中的粉末的电子充电。在两个连续的粉末床加热位置之间的距离取决于粉末床的尺寸并且可以例如是从粉末床的一侧到另一侧的距离。
在本发明的实施例中，公开了一种加热方法，其用于通过用来自电子源102的电子束101照射粉末床103、204、304来为后续加工准备粉末床103、204、304。后续加工可以是例如在增材制造过程中对粉末层的熔合。所述电子源102设计用于电子束斑点在粉末床103、204、304上的快速扫描，同时在高速或“跳跃速度”和保持加热位置201、301的束斑以向粉末床103、204、304给予显著的热传递之间切换，该高速或“跳跃速度”足够高以给予可忽略的局部热量和电子转移到粉末床103、204、304。电子束斑点固定在粉末床103、204、304上的束加热位置。加热方法包括在粉末床处的几个加热位置201之间处于跳跃速度的所述电子束斑点的快速扫描202、302或快速移动以便加热或预热粉末床103、204、304的所需的区域205。当电子束斑点到达新的加热位置时，它会停留或保持固定的位置并在该位置以预定的时间加热粉末。然后电子束斑点以跳跃速度快速地移动到下一个加热位置，在那里它再次停留或保持固定的位置并在该位置以预定的时间加热粉末。以这种方式，电子束斑点被重复扫描或移动到新的粉末床加热位置，直到已经实现粉末床的所需的加热模式。在粉末床103、204、304的所选定的区域205的加热模式完成后，可能多次重复加热同一所选定的区域以达到期望的加热结果。通过将电子束停留在粉末床加热位置处，电子束以预定的时间保持粉末床位置，并且粉末床将被局部地加热。
如图2所示，在每个加热位置201的预定时间为Δt＝tn+1–tn。图4进一步显示了热量如何随时间(t)在三个加热位置散布。电子束斑点具有如下分布：斑点尺寸干扰粉末床103、204、304的顶面。如图4所示，热量将随时间(t)散布在表面(x,y)上，因此温度(T)将根据图中的曲线图发生变化。
此外，在图5中显示了电子充电将如何随着时间(t)在三个加热位置散布和消散。如图5所示，随着时间(t)，电荷将在表面(x,y)上散布，但图5还显示了电子感应充电将如何因在三个加热位置的加热后电荷穿过下面的粉末床消散而减少。消散导致以下电荷情况：其在允许已经经过足够量的时间之后允许在三个加热位置的区域中进一步加热，在所述足够量的时间期间电子束101在表面204上的其他加热位置正在执行加热。
在另一个实施例中，公开了一种通过在每个加热位置加热小区位来准备粉末床204的加热方法。电子源可以设计用于粉末床103、204、304上的电子束斑点的扫描，同时在至少两个不同的扫描速度之间切换，一个高速或“跳跃速度”，其足够高以向粉末床204给予可忽略的热传递和电荷电势，以及一个低速或“加热速度”，其足够低以向粉末床103、204、304给予显著的热传递。所述跳跃速度通常可高于1000m/s并且所述加热速度通常可低于50m/s。加热速度可以为零，这意味着电子束斑点静止在粉末床上的某个位置。加热方法包括在粉末床处的几个加热位置201或区位之间以跳跃速度的所述电子束斑点的快速扫描202或快速移动，以加热或预热粉末床103、204、304的所需的区域205。当电子束斑点到达新的加热位置时，它会减慢到加热速度，并且在加热位置的有限的区位内以预定的时间加热粉末。加热位置的有限的区位通常在5mm的直径的尺寸范围内。子区域的尺寸通常在10mm的直径的尺寸范围内，以及区域在15mm的直径的尺寸范围内。然后电子束斑点以跳跃速度快速地移动到下一个加热位置，在那里它再次减慢到加热速度并以预定的时间加热粉末。以这种方式，电子束斑点被重复地扫描或移动到新的粉末床加热位置，直到已经实现了所需的粉末床的加热模式。在粉末床的选定的区域的加热模式完成后，可能多次重复加热同一选定的区域以达到所需的加热结果。
在选定的区域的加热序列已经完成后，可以执行熔合过程步骤并分布连续的粉末的层。连续的粉末层的厚度通常选择为能够加热和熔合粉末层以实现在制造的对象中所需的材料特性。还可能添加进一步的过程步骤，诸如后加热等。
可以开发所需的加热模式以在粉末床的所选定的区域上分布热量。电子束斑点在几个加热位置之间快速地移动，同时维持在连续的位置之间的最小距离以均匀地加热粉末床的所选定的区域。保持在连续的位置之间的最小距离以避免在粉末床的局部的区位中积累过多的电荷也是有利的。如前所述，过多的电荷积累会导致粉末从粉末床飘浮和散布。在开发加热模式时需要考虑许多不同的参数，诸如；到先前的加热位置的距离、沉积在加热位置的能量和电荷量、在加热位置处的持续时间、对于在加热位置之间的束移动所需的时间、对于热量和电荷在粉末床中消散所需的时间和照射粉末床的电子束的束功率和斑点尺寸。
当在不同的加热位置之间移动电子束时，还期望避免在保留高电荷的最近加热的位置上扫描或移动电子束。这是为了防止所述粉末的静电飘浮和散布。
通常希望在被加热的粉末床的所选定的区域实现均匀的温度分布。由于这个原因，可能有利的是向粉末床的某些子区域203添加更多热量以实现粉末床的所选定的区域的均匀的温度分布，在这些子区域中在其他过程步骤期间具有更高程度的冷却。
粉末床通常形成为具有平坦的顶面的平面，并且被加热的粉末床位置是在该粉末床平面中的坐标。用来自电子源的电子束照射粉末床以维持粉末床工艺温度。
本发明公开了一种加热方法，其用于通过用来自电子源的电子束照射所述粉末床来为后续加工准备粉末床。电子源设计用于在粉末床上将电子束快速移动或扫描到在粉末床处的不同加热位置或加热区位。该方法包括通过在所述几个粉末床加热位置处的连续快速电子束定位来局部加热几个粉末床加热位置或加热区位。
电子束向不同位置的扫描形成了用于维持在最近访问的位置之间的最小距离的模式，以在粉末通过电子束熔合之前实现粉末床的有效预热。所述粉末床的所选定的区域205(或多个区域)被重复地加热以在所述所选择的粉末床区域上分布热量。该区域(或多个区域)是相对于加热的需要选择的；可能没有必要加热整个粉末床；或者可能有兴趣将一些子区域203加热得比其他子区域多。
可以用来自电子源的电子束照射粉末床以维持粉末床工艺温度。在某些情况下，将热量均匀地分布在所述选择的粉末床区域上可能是重要的，以实现良好的工艺条件。连续的粉末床加热位置可以通过沉积的电子束能量的函数来确定。可以在粉末层床处提供粉末床加热位置的模式，以实现将粉末床加热到预定的温度的最小时间跨度。如果在相邻的加热位置的重复的加热之间的时间小于最小时间，则存在对于来自粉末床的带电粉末的飘浮和散布的风险。
在本发明的另一个实施例中，加热方法可用于通过电子束增材制造三维物体。可以改变在粉末床处电子束斑点的尺寸、形状和强度，以实现对粉末床的所选定的区域的所需的加热。
在另一个实施例中，如图3所示，可以随机地选择在粉末床304处的对连续的加热位置301的定位。电子束以高速移动302到下一束加热位置。或者，可以随机地选择对连续的加热位置的定位，但其中定位的概率也可以由依赖时间的数学函数(诸如例如二维高斯分布或二维双曲线分布)确定。
在另一实施例中，依赖时间的数学函数(诸如例如最小二乘拟合函数)可用于确定在粉末床处连续的加热位置的定位以实现粉末床的有效的预热并避免粉末的散布。
本发明的目的是提供一种有效的加热方法，其用于粉末床并为在制造过程中的后续工艺步骤准备粉末。该目的通过在独立权利要求中定义的方法实现。从属权利要求包含本发明的有利的实施例、变型和进一步发展。

Claims (16)

1.一种加热方法，其用于通过用来自电子源(102)的电子束(101)照射所述粉末床(103、204、304)来为后续加工准备粉末床(103、204、304)，所述电子源(102)设计用于将所述电子束(101)快速移动到在所述粉末床(103、204、304)处的不同加热位置，
所述加热方法包括以下步骤：
通过所述电子束在所述至少两个粉末床加热位置的连续停留，局部加热至少两个粉末床加热位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末床(103、204、304)的所选择的区域由在所述粉末床(103、204、304)处的几个粉末床加热位置加热以在所述所选择的粉末床区域上分布热量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述几个粉末床加热位置形成用于在最近被电子束(101)加热的位置之间维持最小距离的模式。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在两个连续的粉末床加热位置之间的距离大于斑点尺寸的五倍。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述粉末床(103、204、304)的所选择的区域被重复地加热以在所述所选择的粉末床区域上分布热量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述粉末床(103、204、304)的所选择的区域由在所述粉末床(103、204、304)处的几个粉末床加热位置加热以在所述选择的粉末床区域均匀地分布热量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，每个连续的粉末床加热位置是先前沉积的电子束能量的函数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述粉末层床处提供粉末床加热位置的模式以保持最少时间直到重复地加热粉末床加热位置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在粉末床加热位置处停留的时间是>0.01ms。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在粉末床加热位置停留的时间是>0.1ms。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述粉末床位置是在粉末床平面中的坐标。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用来自电子源的电子束照射所述粉末床(103、204、304)以维持粉末床工艺温度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热方法用于三维物体(104)的增材制造。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，随机地选择连续的加热位置的定位。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用依赖时间的数学函数来确定连续的加热位置的定位。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，连续的加热位置的定位是随机地选择的，其中定位的概率由依赖时间的数学函数确定。
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