CN113438995A - 具有束流收集器的增材制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过熔融连续的粉末层来制造三维物体的设备和一种用于电子束流系统用于通过熔融连续的粉末层来制造三维物体的方法，所述系统具有：至少一个用于重新成形所述电子束流的透镜；电子源；和粉末床，所述方法包括步骤：阻挡所述电子束流的选定横截面以控制电子束流功率。通过电子束流与束流阻挡部件之间的干扰，防止电子束流的一部分到达粉末床。

Description

具有束流收集器的增材制造方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过在粉末床中逐层熔合粉末材料来由粉末材料生产三维物体的增材制造设备。
现有技术的问题
在使用电子束流的增材制造设备中，电子束流源经常被设计为具有用于使束流转向的栅极的三极管。然而，三极管设计具有缺点，并且电子源的二极管设计从几个方面是有利的。但是二极管设计缺少用于快速接通和关断电子束流的栅极。当电子束流用于加热和熔合粉末时，期望快速控制电子束流中的功率。
相关技术的描述
已知通过在从束流源到目标粉末表面的途中迫使束流穿过小孔来成形电子束流。电子束流的这种成形可以被设计用于通过使孔的边缘干扰束流并防止束流的外周边通过孔来去除束流周边中的不想要的像差。
发明内容
本发明涉及一种用于电子束流系统用于通过熔合连续的粉末层来制造三维物体的方法，所述系统具有电子源、粉末床和至少一个用于重新成形所述电子束流的透镜，所述方法包括以下步骤：阻挡所述电子束流的选定横截面以控制电子束流功率。
在实施例中，电子源可为二极管电子源。
在实施例中，电子源优选地是激光加热电子源。
在实施例中，电子束流通过束流阻挡部件的干扰而被可变地阻挡。
在实施例中，所述束流阻挡部件可以设置有用于至少部分地使电子束流穿过的孔。
在实施例中，所述孔可以形成为圆锥形状。
在实施例中，所述束流阻挡部件被提供用于通过干扰电子束流来至少部分地接收能量。
在实施例中，所述束流阻挡部件位于所述电子源和所述粉末床之间。
在实施例中，所述束流阻挡部件定位在用于重新成形电子束流的所述透镜与所述粉末床之间。
在实施例中，所述电子束流可以借助于用于重新成形电子束流的所述透镜在所述束流阻挡部件处形成有交叉(crossover)。
在实施例中，所述电子束流的所述重新成形可以是散焦。
在实施例中，所述电子束流的所述重新成形可以是平移。
在实施例中，所述电子束流的所述重新成形可以是像差。
本发明还涉及一种用于通过熔合连续的粉末层来制造三维物体的设备，所述设备包括：至少一个用于重新成形电子束流的透镜；电子源；粉末床；束流阻挡部件，其用于接收来自电子束流源的能量以可变地控制到达粉末床的电子束流功率。
在实施例中，电子源可为二极管电子源。
在实施例中，电子源优选地是激光加热电子源。
在实施例中，电子束流通过束流阻挡部件的干扰而被可变地阻挡。
在实施例中，所述束流阻挡部件可以设置有用于至少部分地使电子束流通过的孔。
在实施例中，所述孔可以形成为圆锥形状。
在实施例中，所述束流阻挡部件被提供用于通过干扰电子束流来至少部分地接收能量。
在实施例中，所述束流阻挡部件位于所述电子源和所述粉末床之间。
在实施例中，所述束流阻挡部件定位在用于重新成形电子束流的所述透镜与所述粉末床之间。
在实施例中，所述电子束流可以借助于用于重新成形电子束流的所述透镜在所述束流阻挡部件处形成有交叉。
在实施例中，所述电子束流的所述重新成形可以是散焦。
在实施例中，所述电子束流的所述重新成形可以是平移。
在实施例中，所述电子束流的所述重新成形可以是像差。
本发明的范围由权利要求来限定，所述权利要求通过引用并入本章节。通过考虑一个或更多实施例的以下详细的说明书，将向本领域技术人员提供对本发明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所附附图页。
附图说明
在本发明的描述中，参考以下附图，其中：
图1示出具有粉末床和电子枪的电子束流增材制造设备，该电子枪具有束流阻挡部件。
图2示出具有束流阻挡部件的电子枪，束流阻挡部件具有圆锥形孔。
图3示出具有束流阻挡部件的电子枪，但在束流阻挡部件中没有孔。
所公开的增材制造设备包括制造室、电子源、粉末床、用于从电子束流源接收能量以控制电子束流功率的束流阻挡部件，以及用于控制电子束流在粉末床表面处的焦点和位置的透镜。在通过引用并入本文的我们的申请SE1951071-8(共同未决)和WO2019185642A1(公开)中，还关于技术和增材制造进行了更多的描述。
在此公开的本发明基于以下理解：可以通过在从源到目标的电子束流路径中收集能量来快速控制电子束流电流。这是通过提供电子束流源和用于控制电子束流的尺寸或形状的束流阻挡透镜来完成的。在所述透镜之后的束流路径中优选地定位有束流阻挡部件101。所述束流阻挡部件可以设置有居中位于束流路径中的小孔隙的孔102。此外，在束流路径中，在束流阻挡部件之后，可以定位粉末床110聚焦透镜104以用于控制朝向粉末床110的束流聚焦，并且可以定位透镜103以用于控制束流在粉末床上的不同位置处的位置。粉末床是电子束流108的目标，其中所述束流绘制用于产生三维物体109的图案。所述电子束流的选定横截面的阻挡可以通过电子束流和束流阻挡部件之间的干扰来完成，例如选定横截面可以是在束流阻挡部件处的电子干扰区域或该区域的一部分。
在电子源107之后的束流路径中，束流阻挡透镜106和束流阻挡部件101可以被定位成用于通过在束流阻挡部件中收集电子来快速控制电子束流108。所述束流阻挡部件被设置用于可变地阻挡电子束流，以通过允许电子束流的一部分被所述束流阻挡部件干扰来控制电子束流功率。该控制可以通过由束流阻挡透镜使束流散焦或重新成形来执行，以调节被束流阻挡部件干扰的电子束流的量。通过改变电子束流108被束流阻挡部件101干扰的百分比和正在通过束流阻挡部件101的百分比来实现电子束流108的阻挡。这种阻挡可以通过快速改变电子束流108的特性使得更多或更少电子束流108被束流阻挡部件101干扰来实现。电子束流的不被束流阻挡部件干扰的部分将穿过束流阻挡部件101中的孔隙孔102而通过束流阻挡部件，并继续朝向粉末床110。电子束流在束流阻挡部件处的直径可以通过将控制信号脉冲到束流阻挡透镜来改变，以用于控制到达粉末床的束流功率。另一种方式可以是通过将控制信号脉冲到束流阻挡透镜来改变电子束流的形状。还可以组合束流的束流成形和束流直径脉冲。通过到束流阻挡透镜的所述脉冲控制信号，可以控制电子束流以在束流通过和束流被束流阻挡部件干扰之间进行脉冲切换，并且因此实现对到达目标粉末床的电子束流功率的快速控制。
束流阻挡透镜优选地是电磁线圈。使用电磁线圈的一个优点是它是控制束流的快速方式。
平均束流功率可以通过束流的高频脉冲来控制，这种控制可以通过具有固定宽度的脉冲宽度调制或频率调制来实现。重要的是控制束流功率以在粉末熔合期间实现良好的材料品质。通过快速束流控制，可以实现改进的熔合过程控制，例如在束流转向点处和在粉末床处的不同束流位置之间的快速束流跳跃。还可以使用不由固定频率或固定脉冲宽度确定的任意脉冲序列来控制束流功率。
利用束流阻挡部件101，可以关断粉末床110处的束流功率，同时转变束流源107处的电子束流功率，即转变电子源中阴极处的温度。阴极处的温度转变通常是缓慢的过程，例如通过从激光对阴极进行反加热来执行。可以使用电流计不断地监测电子束流电流，而不管电子束流是否穿过束流阻挡部件或者电子束流是否被束流阻挡部件完全地或部分地阻挡，因为束流阻挡部件和粉末床两者都可以与电子束流一起是闭合电路的一部分。然而，也可以与测量进入粉末床内的电子束流电流分开，电隔离束流阻挡部件并监测进入束流阻挡部件内的电子束流电流。
进一步有利的是，在粉末床处的电子斑点从一个位置快速跳跃到另一位置期间，使用束流控制来关断束流功率。因此，可以避免未烧结粉末的充电效应。此外，通过控制由本发明提供的束流功率的可能性，以这种方式可以允许在束流接通之前有时间调整粉末床处的束流斑点的位置。
当通过在电子束流的选定横截面和束流阻挡部件之间的干扰关断束流功率时，电子束流的一部分仍然可以穿过束流阻挡部件中的孔102而通过束流阻挡部件101，以及因此束流功率可能不会完全关断。当电子束流的一部分被束流阻挡部件干扰时，到达目标110的束流功率将减小。另一方面，当接通束流并且大部分电子束流通过束流阻挡部件时，到达目标的束流功率增加。
本发明还提供快速束流功率调节，这在转向点处可能是有用的，在那里在粉末床处的束流斑点的运动方向正在转向并改变行进方向。由于束流阻挡控制，还可以实现束流功率的快速改变。束流功率的这种快速改变对于动态补偿可能是有用的，而束流功率的较慢改变通过改变阴极的温度(即，降低用于加热阴极的激光功率)来执行。
本发明公开了一种用于通过熔合连续的导电粉末(优选金属粉末)层来制造三维物体109的设备和一种用于电子束流系统用于通过熔合连续的导电粉末(优选金属粉末)层来制造三维物体109的方法。该系统具有：用于电子束流108的快速聚焦或重新成形的至少一个电磁透镜106；电子源107；和粉末床110。该设备被提供用于借助于在从电子束流源到粉末床目标110的束流路径中部分阻挡电子束流来可变地阻挡电子束流以控制电子束流功率。
在本发明的图1所示的实施例中，电子源107可以是二极管电子源。与三极管电子源相反，二极管电子源缺少栅极，三极管中的栅极用于借助于电势来接通和关断束流。二极管电子源具有发射阴极，并且在阴极和阳极之间施加高电压电势，因此从阴极发射的电子朝向阳极加速并穿过阳极中的孔，形成在束流路径中朝向粉末床目标110行进的电子束流。通过用激束流(所谓的激光加热电子源)加热阴极的反面而从阴极发射电子。
在实施例中，如图1中所示，电子束流108可以通过被束流阻挡部件101干扰而被阻挡。可以通过改变电子束流的焦点并因此改变束流的直径来阻挡电子束流，从而使束流的周边被束流阻挡部件101中的孔102的边缘干扰。可替代地，可以通过随时间改变束流直径尺寸或位置来可变地阻挡电子束流108。还可以组合束流尺寸、位置和焦点的变化，以实现电子束流108和束流阻挡部件101之间的干扰。
此外，束流阻挡部件101可以设置有孔102，孔102居中地置于束流路径中，用于至少部分地使电子束流108通过。当束流路径中的集中束流散焦时，束流的小部分将穿过孔102，并且束流的大部分将被束流阻挡部件101干扰。另一方面，如果束流偏离束流的中心，则可以使通过束流阻挡部件101中的孔102的束流部分最小化。
在一个实施例中，束流阻挡部件101具有板的形状并且定位在电子源107和所述粉末床110之间，此外，束流阻挡部件101优选地定位在用于重新成形电子束流108的束流阻挡透镜106和所述粉末床110之间。借助于束流阻挡透镜，可以在束流阻挡部件中的孔处形成电子束流交叉。这是为了在束流未被阻挡时使束流穿过狭窄的孔。束流交叉可以被定义为沿着束流路径的聚焦点。可以通过改变焦点、像散、形状、直径、能量分布等来实现对电子束流的重新成形。还可以通过更高阶的束流变形(也称为像差)来实现重新成形。
在另一个实施例中，如图3中所示，束流阻挡部件101中的孔或孔隙由电子束流108形成。从没有孔的束流阻挡部件101开始，强电子束流108用于熔化束流阻挡部件中的孔。这样做的优点在于，孔相对于电子束流108以正确的位置和正确的尺寸制成。在通过电子束流108制造孔期间，系统中存在最终的未对准和像差，因此孔和电子束流的尺寸和位置之间的关系不需要随后调节，因为孔是由电子束流108本身形成的。
在替代实施例中，如图2中所示，束流阻挡部件101中的孔或孔隙202可以形成为圆锥形状，这是有利的，因为当电子束流108散焦或重新成形以降低到达粉末床110的功率时，电子束流108被束流阻挡部件101干扰的面积将增加。与未形成有具有圆锥形状的孔的束流阻挡部件相比，这减少了在束流阻挡部件中由电子束流108的局部加热量。这也是有利的，因为以这种方式，由于电子束流108朝向圆锥形孔202的入射角，由电子束流108被束流阻挡部件101的干扰导致的更多的反向散射电子将干扰孔202的相反侧，而不是朝向阴极返回。
在替代实施例中，可以通过借助于偏转透镜偏转电子束流来控制电子束流以被束流阻挡部件的部分干扰。还可以使用聚焦透镜和偏转透镜的组合来实现电子束流和束流阻挡部件之间的干扰。偏转透镜优选地是电磁线圈。使用电磁线圈的一个优点是它是控制束流的快速方式。
在替代实施例中，可以通过借助于电磁线圈使电子束流重新成形以实现电子束流与束流阻挡部件之间的干扰来控制电子束流以被束流阻挡部件的部分干扰。来自电子源的电子束流能量分布的重新成形也可通过使电子束流的能量分布成形为在横截面中具有双峰来执行。然而，稍微离焦使束流形状进入高斯能量分布。由于当在横截面中具有双峰时在中心具有最小能量的电子束流的性质，这对于实现通过束流阻挡部件中的中心定位的孔隙的能量的最小化是有利的。
还有利的是，使用束流阻挡部件以便借助于束流阻挡部件中的孔隙孔刮除掉或过滤掉不期望的周边像差，以在目标粉末床处实现改进的斑点。
本发明的目的是提供一种有效的控制方法，用于通过在束流阻挡部件中脉冲收集电子束流的一部分来调节朝向增材制造系统中粉末床的电子束流的功率，以快速改变电子束流功率。该目的通过独立权利要求中限定的方法来实现。从属权利要求包含本发明的有利实施例、变型和进一步发展。

Claims (26)

1.一种用于电子束流系统用于通过熔合连续的粉末层来制造三维物体(109)的方法，所述系统具有：至少一个用于重新成形所述电子束流(108)的透镜(103、104、105、106)；电子源(107)；和粉末床(110)，所述方法包括步骤：阻挡所述电子束流(108)的选定横截面以控制电子束流功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子源(107)是二极管电子源。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子源(107)是激光加热电子源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子束流(108)通过被束流阻挡部件(101)干扰而被可变地阻挡。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)设置有用于至少部分地使所述电子束流(108)通过的孔(102、202)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述孔(202)形成为圆锥形状。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)被设置用于通过被所述电子束流(108)干扰而至少部分地接收能量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)位于所述电子源(107)和所述粉末床(110)之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)定位在用于重新成形所述电子束流(108)的所述透镜与所述粉末床(110)之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子束流(108)借助于用于重新成形电子束流(108)的所述透镜在所述束流阻挡部件(101)处形成有交叉。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子束流(108)的所述重新成形是散焦。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子束流(108)的所述重新成形是平移。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电子束流(108)的所述重新成形是像差。
14.一种用于通过熔合连续粉末层来制造三维物体(109)的设备，所述设备包括：至少一个用于重新成形电子束流(108)的透镜；电子源(107)；粉末床(110)；束流阻挡部件(101)，其用于接收来自电子束流源(107)的能量，以可变地控制到达粉末床(110)的电子束流功率。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述电子源(107)是二极管电子源。
16.根据权利要求14至15中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子源(107)是激光加热电子源。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子束流(108)通过被束流阻挡部件(101)干扰而被可变地阻挡。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的设备，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)设置有用于至少部分地使所述电子束流(108)通过的孔(102、202)。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的设备，其特征在于，所述孔(102、202)形成为圆锥形状。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的设备，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)被提供用于通过被所述电子束流(108)干扰来至少部分地接收能量。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的设备，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)位于所述电子源(107)和所述粉末床(110)之间。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的设备，其特征在于，所述束流阻挡部件(101)定位在用于重新成形所述电子束流(108)的所述透镜与所述粉末床(110)之间。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子束流(108)借助于用于重新成形电子束流(108)的所述透镜在所述束流阻挡部件(101)处形成有交叉。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子束流(108)的所述重新成形是散焦。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子束流(108)的所述重新成形是平移。
26.根据权利要求14至25中任一项所述的设备，其特征在于，所述电子束流(108)的所述重新成形是像差。
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