CN115190839A - 利用电子束阵列的增材制造 - Google Patents

利用电子束阵列的增材制造 Download PDF

Info

Publication number
CN115190839A
CN115190839A CN202080097722.7A CN202080097722A CN115190839A CN 115190839 A CN115190839 A CN 115190839A CN 202080097722 A CN202080097722 A CN 202080097722A CN 115190839 A CN115190839 A CN 115190839A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electron beam
deflectors
regions
melt
beam sources
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.)
Pending
Application number
CN202080097722.7A
Other languages
English (en)
Inventor
迈克尔·詹姆斯·霍甘森
安德留斯·约扎斯·罗利奈蒂斯
埃里克·杨
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.)
Divergent Technologies Inc
Original Assignee
Divergent Technologies Inc
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 Divergent Technologies Inc filed Critical Divergent Technologies Inc
Publication of CN115190839A publication Critical patent/CN115190839A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B23K15/0006—Electron-beam welding or cutting specially adapted for particular articles
    • 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
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B22F12/45—Two or more
    • 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
    • B23K15/004—Tandem beams or torches, i.e. working simultaneously with several beams or torches
    • 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
    • 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
    • B23K15/10—Non-vacuum electron beam-welding or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/277—Arrangements for irradiation using multiple radiation means, e.g. micromirrors or multiple light-emitting diodes [LED]
    • B29C64/282—Arrangements for irradiation using multiple radiation means, e.g. micromirrors or multiple light-emitting diodes [LED] of the same type, e.g. using different energy levels
    • 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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/171—Processes of additive manufacturing specially adapted for manufacturing multiple 3D objects
    • B29C64/182—Processes of additive manufacturing specially adapted for manufacturing multiple 3D objects in parallel batches
    • 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)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

提供了用于粉末床熔融(PBF)系统的多个电子束源的各方面。PBF装置可以包括支撑原材料层的结构；以及多个电子束源，其各自产生电子束以熔融该原材料层的一个或多个区域。PBF装置还可以包括多个偏转器，其独立地引导电子束以同时熔融原材料层的多个区域。该多个电子束源可以是规模可调的以适应不同尺寸的结构。

Description

利用电子束阵列的增材制造
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月31日提交的题为“ADDITIVE MANUFACTURING WITH ANELECTRON BEAM ARRAY”的美国临时申请序列号62/955,778的权益，其全部内容通过引用明确并入本文。
技术领域
本公开一般涉及粉末床熔融(powder-bed fusion，PBF)系统，更具体地涉及PBF系统中的能量束源的阵列。
背景技术
PBF系统可以生产复杂几何形状(包括一些利用常规制造过程难以或不可能制造的形状)的结构，被称为成形件(build piece)。PBF系统逐层地创建成形件。每一层或每一“切片(slice)”是通过沉积一层粉末并且将该层的部分暴露于能量束而形成的。能量束被施加到粉末层的熔化区域，该熔化区域与粉末层中成形件的横截面一致。熔化的粉末冷却并熔融以形成成形件的切片。每一层都被沉积在前一层的顶部。得到的结构是从底向上逐切片地装配而成的成形件。
发明内容
在下文将更全面地描述用于包括多个电子束源的PBF系统的装置的若干方面。
在各个方面中，一种用于粉末床熔融的装置可以包括：支撑原材料层的结构；以及多个电子束源，其各自产生电子束，以熔融该原材料层的一个或多个区域。
在各个方面中，一种用于粉末床熔融的装置可以包括：支撑原材料层的结构；多个电子束源，其各自产生电子束；以及多个偏转器，其独立地引导(steer)电子束以同时熔融该原材料层的多个区域。
在各个方面中，一种用于粉末床熔融的装置可以包括：支撑原材料层的结构；电子束源的阵列，其产生电子束；以及偏转器的阵列，其引导电子束以熔融该原材料层的一个或多个区域，其中多个电子束源是规模可调的(scalable)以适应不同尺寸的结构。
根据以下详细描述，其他方面对本领域技术人员而言将变得显而易见，其中通过说明的方式仅示出和描述了少许实施例。如本领域技术人员将认识到，本文的概念能够具有其他的和不同的实施例，并且若干细节能够在各种其他方面进行修改，而所有这些都不脱离本公开。因此，附图和详细描述本质上被认为是说明性的而非限制性的。
附图说明
现在将在附图中通过示例而非限制的方式呈现详细描述中的各个方面，在附图中：
图1A-1D示出了不同操作阶段期间包括多个能量束源的示例PBF系统。
图2示出了用于图1A-1D的多个能量束源中的一个的示例能量束源和偏转器系统。
图3示出了包括能量束源和偏转器的阵列的示例PBF系统的透视图。
图4A-4B示出了用于图3的PBF系统的示例多边形布局的图。
具体实施方式
下文结合附图阐述的详细描述旨在提供对本文所公开的概念的各种示例性实施例的描述，而非旨在代表其中可以实践本公开的仅有实施例。本公开使用的术语“示例性”意味着“充当示例、实例或说明”，并且不应该被解释为比本公开呈现的其他实施例更优选或更有利。详细描述包括具体细节，目的是为了提供彻底和完整的公开，将概念的范围充分传达给本领域技术人员。然而，即使在没有这些具体细节的情况下也可以实践本公开。在一些实例中，公知的结构和组件可以以框图形式示出或者完全省略，以避免模糊整篇公开中呈现的各种概念。
在PBF系统中，单个能量束源可以通过发射能量束以熔化粉末层的各个区域来增材制造成形件。允许冷却对应于成形件横截面的熔化区域，并且能量束源逐层重复该过程，直到成形件被增材制造而成。
然而，增材制造过程的效率可能受到单个能量束源的限制。例如，使用单个能量束源可能一次只允许成形一个零件。单个能量束源也可能具有有限的工作范围(例如，能量束的移动范围)和/或致使PBF系统具有有限的成形范围(例如，对应于成形板尺寸的最大打印空间体积)。因此，通常一次只能成形适于该有限工作范围或成形范围内的零件(例如，小零件)。作为结果，为了使用单个能量束源成形诸如用于车辆的子装配件的大零件，通常必须限定适于成形空间体积内的小零件的数量，在不同时间独立打印并结合以形成较大的零件或子装配件。这种增材制造过程可能导致完成较大零件需要大量周期时间。
为了增加成形范围(和工作范围)并且改善周期时间，本公开提供了PBF系统，该系统包括多个能量束源，这些能量束源可以同时产生能量束以增材制造目标的一个或多个零件。多个能量束源可以发射独立可控的能量束，例如电子束，其可由偏转器引导以在结构(例如，成形板)上熔融粉末床层的一个或多个区域。例如，偏转器可以各自提供电磁场，该电磁场将相应电子束引导到粉末床的单独区域以同时成形分开的零件(separate parts)，和/或引导到粉末床的公共区域以同时成形单个零件(single part)。能量束源可以按二维(2D)组(或阵列)布置在远离该结构的公共距离(common distance)处，以便跨整个粉末床将材料加工成一个或多个零件。能量束源可以是规模可调的(例如，以包括任意数量的能量束源，受制于物理功率限制)，从而允许能量束源适应PBF系统的任意尺寸的工作范围或成形范围。
图1A-1D示出了不同操作阶段期间包括多个能量束源的示例PBF系统100。PBF系统100可以包括：沉积器101，其可以沉积每层金属粉末；多个能量束源103，其可以各自产生能量束；多个偏转器105，其可以独立施加能量束以熔融粉末材料；以及成形板107，其可以可以支撑一个或多个成形件(诸如成形件109a、109b、109c)。PBF系统100还可以包括定位在粉末床容器内的成形底板111。粉末床容器的壁部示出为粉末床容器壁112。成形底板111可以降低成形板107，使得沉积器101可以沉积下一层，室113可包围其他组件。沉积器101可以包括含有粉末117(诸如金属粉末)的给料器115以及可校平每层粉末顶部的校平器119。
具体参照图1A，该图示出了在成形件109a、109b、109c片已经各自熔融之后，但是在已经沉积下一层粉末之前的PBF系统100。实际上，图1A示出了PBF系统100已经将切片沉积并熔融成多层(例如，50层)以形成成形件109a、109b、109c(例如，每个成形件由50层切片形成)的当前状态的时刻。已经沉积的多个层已经创建了粉末床121，该粉末床121包括已沉积但未熔融的粉末。PBF系统100可以包括温度传感器122，该温度传感器122可以感测工作区域(诸如，粉末床、成形件109a、109b、109c等的表面)的区域温度。例如，温度传感器122可以包括指向工作区域的热成像相机、附接到粉末床附近区域的热电偶等。
图1B示出了处于其中成形底板111可以降低粉末层厚度123的阶段的PBF系统100。成形底板111的降低造成成形件109a、109b、109c和粉末床121下降粉末层厚度123，使得成形件和粉末床的顶部比粉末床容器壁112的顶部要低粉末层厚度。以这种方式，例如，可以在成形件和粉末床121的顶部上方创建具有等于粉末层厚度123的一致厚度的空间。
图1C示出了处于其中沉积器101可以将粉末117沉积在创建在成形件109a、109b、109c及粉末床121的顶部上方的空间中的阶段的PBF系统100。在该示例中，沉积器101可以跨越该空间，同时从给料器115释放粉末117。校平器119可以校平被释放的粉末以形成厚度为粉末层厚度123的粉末层125。应该注意的是，本公开中的图1A-1D及其他附图的元件不一定按比例绘制，而是可以为了更好说明本文所述的概念的目的而绘制得更大或更小。例如，所示出的粉末层125的厚度(即，粉末层厚度123)大于用于示例的50个先前沉积层的实际厚度。
图1D示出了处于其中能量束源103可以产生能量束127，并且偏转器105可以独立施加或引导能量束以分别熔融成形件109a、109b、109c中的下一切片的阶段的PBF系统100。例如，能量束源103可以各自是电子束源，能量束127可以各自是电子束，偏转器105可以各自包括偏转板，该偏转板可产生偏转相应的电子束以扫描整个待熔融区域的电磁场。在另一示例中，能量束源103可以各自是激光束源，能量束127可以各自是激光束，并且偏转器105可以各自包括光学系统(例如，镜子、棱镜等)，该光学系统可以反射和/或折射激光束以扫描整个待熔融区域。在其他示例中，能量束源103和/或偏转器105可以各自调制能量束，例如，挤压或缩小能量束，扩展或加宽能量束，使能量束成角度，和/或在偏转器扫描时开启和关闭能量束，使得仅在粉末层的适当区域施加能量束。例如，在各种实施例中，能量束可以由数字信号处理器(DSP)单独调制。
图2示出了示例能量束源和偏转器系统，其可以对应于图1A-1D中成对的能量束源103和偏转器105中的一对。在该示例中，能量束是电子束。能量束源可以包括电子栅极(electron grid)201、电子栅极调制器203和聚焦器205。控制器206可以控制电子栅极201和电子栅极调制器203以产生电子束207，并且可以控制聚焦器205以将电子束207聚焦成经聚焦的电子束209。为了在图中提供更清楚的视图，没有示出控制器206与其他组件之间的连接。经聚焦的电子束209可以由偏转器213在电子束锥(electron beam cone)212的边界内扫描整个粉末层211。偏转器213可以包括两个x偏转板215和两个y偏转板217，其中一个在图2中被遮挡。控制器206可以控制偏转器213在x偏转板215之间产生电场，以沿着x方向在电子束锥212内偏转或引导经聚焦的电子束209，并且在y偏转板217之间产生电场，以沿着y方向偏转或引导经聚焦的电子束。在各种实施例中，偏转器可以包括一个或多个磁线圈以偏转经聚焦的电子束。
束传感器219可以感测经聚焦的电子束209的偏转量，并且可以将该信息发送到控制器206。控制器206可以使用该信息来调节电场的强度，以便实现经聚焦的电子束的期望偏转量。例如，控制器206可以使用偏转器来调节经聚焦的电子束的位置(例如，x-偏转和/或y-偏转)和/或尺寸或形状(例如，更窄或更宽)。经聚焦的电子束可以通过扫描经聚焦的电子束而被施加到粉末层211，以熔化松散粉末221，从而形成熔融的粉末223。
图2的能量束源和偏转器系统可以与图1A-1D的示例PBF系统中的各对能量束源103和偏转器105相对应。例如，具有九个能量束源和偏转器的PBF系统可以包括九个电子栅极、电子栅极调制器、电子束、偏转器、束传感器、电子束锥以及图2的其他零件。控制器206可以独立控制电子栅极和电子栅极调制器以产生单独的电子束207，并且控制器可以独立控制偏转器以将电子束调节成不同的位置、尺寸或形状。可替选地，单独的控制器可用于产生和偏转各个电子束。
图3示出了PBF系统300的透视图，该系统包括电子束源的阵列302和偏转器的阵列306，电子束源阵列产生电子束304，并且偏转器阵列在图中所示的电子束锥的边界内将电子束引导到结构310(例如，成形板)上原材料(例如，粉末)层的熔融区域308a、308b、308c。控制器(未示出)可以控制电子束源以产生电子束，并且控制偏转器以引导电子束。例如，参照图1A-1D和图2，电子束源的阵列可以对应于能量束源103并且分别对应于具有电子栅极调制器203的电子栅极201，偏转器的阵列可以对应于偏转器105并且分别对应于偏转器213，电子束锥可以分别对应于电子束锥212，被熔融的原材料层可以对应于粉末层125，并且该结构可以对应于成形板107。电子束源的阵列和偏转器的阵列是规模可调的；也就是说，虽然图3示出了九个不同的电子束源和偏转器，但是该阵列可以包括任意数量的电子束源和偏转器以适应任意尺寸的结构(例如，结构310)或打印机。例如，PBF系统300可以允许任意数量的电子束源和偏转器添加到阵列或从阵列中减去。
电子束源302的阵列可以按2D布置被布置在结构310对面(across from)。例如，如图3所示，电子束源的阵列可以被布置在结构310对面的公共距离312处。公共距离312可以基于所需的工作范围或成形范围的尺寸来配置。例如，因为电子束中的电子从其源头行进的越远，电子束中的电子彼此排斥的距离越大(例如，因而形成电子束锥)，所以每个电子束锥的底部的横截面积可以与电子束源离该结构的距离成比例地增加。因此，公共距离312可以被选择为最小高度，在该高度处，所产生的电子束锥的横截面积可以同时包围整个结构310(从而最大化工作范围和成形范围)。然而，电子束源离该结构越远，电子束的分辨率和能量密度也会降低。取决于给料使用的是精细粉末还是粗糙粉末，或者待打印零件的类型或面积，可能需要调节分辨率或能量密度。因此，电子束源的公共距离312也可以被选择为用于包围整个结构310的最大高度，同时还适应所需的分辨率或能量密度。公共距离312可以是预配置的或固定的，或者控制器可以基于如上所述的工作范围或成形范围、待熔融的零件或区域和/或给料类型来动态地调节公共距离312。
为了最大化能量束源的工作范围和成形范围，控制器可以控制偏转器的磁场以引导能量束，使得它们在熔融区域重叠以防止在区域之间出现间隙。例如，如图3所示，偏转器可以引导电子束304，使得电子束锥在有重叠的情况下包围所有熔融区域308a、308b、308c，以防止在形成一个或多个零件时的间隙。控制器也可以类似地控制能量束源，例如，通过调节公共距离312或关闭或开启能量束源，以控制电子束锥的重叠并且防止区域之间的间隙。然而，与光子彼此不相互作用的激光束不同，由于独立偏转器之间的磁场效应和独立电子束之间的电子排斥，电子束可以相互作用。因此，可以控制电子束源或偏转器以限制磁场的相互作用和/或使电子束锥的重叠最小化。例如，电子束源或偏转器的定位可以由控制器静态地配置或动态地移动以减少磁场相互作用。在另一示例中，磁屏蔽可以(例如，由控制器静态地或动态地)被合并到偏转器内。另外，控制器可以调节某些偏转器以改变相应电子束的形状或方向，以减少电子束之间的电子排斥。
电子束源也可以分布遍及结构310，以同时熔融原材料层的多个区域。例如，如图3所示，电子束源302的阵列和偏转器306的阵列可以分布在成形板之上，使得电子束304同时在成形板上熔融粉末层的区域308a、308b和308c。控制器可以控制偏转器引导相应的能量束以同时熔融不同的区域，从而形成单独的部分(例如，如图1A-1D所示)。例如，一个零件(例如，成形件109a)可以成形在区域308a中，另一个零件(例如，成形件109b)可以成形在区域308b中，而另一个零件(例如，成形件109c)可以成形在区域308c中。可替选地，控制器可以控制偏转器引导相应的能量束以同时熔融不同的区域，从而形成跨越区域308a-c的单个零件。另外，控制器可以控制偏转器引导相应的能量束，以同时熔融原材料层的公共区域。例如，控制器可以控制偏转器的至少一个子集甚至所有的偏转器引导相应的能量束，以仅熔融区域308a、308b、308c的子集(例如，熔融所有仅熔融区域308b)。
图4A和4B示出了使用图3的示例PBF系统来打印零件的示例布局的俯视图。具体而言，图4A示出了布局400的一部分，其中粉末层的正方形区域402通过来自单独的能量束源的电子束锥404a、404b内的电子束扫描同时熔融，而图4b示出了布局450的一部分，其中粉末层的六边形区域452通过来自单独的能量束源的电子束锥454a、454b内的电子束扫描同时熔融。每个正方形区域402和六边形区域452可以分别与图3的区域308a、308b、308c相对应。尽管图4A和4B示出了多边形区域(例如，正方形和六边形)的具体示例，但是其他多边形布局也可用于打印。
偏转器阵列可以被控制为引导电子束锥内的能量束，以将区域熔融成多边形形状，每个多边形形状完全包含在每个能量束锥体的横截面内。例如，如图4A和4B所示，电子束锥404a、404b和454a、454b中的电子束扫描可以同时将正方形区域402或六边形区域452分别熔融成它们相应的形状。控制器可以控制电子束，使得其各自的锥形横截面406a、406b和456a、456b完全包含每个内接或打印的多边形形状。例如，偏转器可以引导电子束，使得只有每个正方形区域402或六边形区域452的顶点与分别横截面的周界相交，如图4A和4B所示。以这种方式，(例如，因为所有多边形区域可被电子束完全包围)工作范围和成形范围可以被最大化，同时(例如，由于电子束锥之间的重叠部分408、458有限)干扰可以被最小化。
作为结果，本公开利用增加的成形范围或工作范围能力，提高了增材制造过程的生产率。由于多个能量束源可以被独立地和同时地控制为熔融粉末床的单独区域以在单个成形件上成形单独的零件，所以可以减少打印时间。类似地，由于多个能量束源可以被独立地和同时地控制为熔融粉末床的公共区域以成形单个零件(而不是必须接合的分开的零件)，所以可以省略接合过程，并且可以进一步减少周期时间。另外，由于多个能量束源是规模可调的，所以工作范围可以有效地增加(基于所有能量束的组合运动)，并且成形范围可以适应较大零件的打印。
提供前面的描述是为了使得本领域技术人员能够实践本文所描述的各个方面。对于本领域技术人员而言，对整篇公开所呈现的这些示例性实施例的各种修改将是显而易见的。因此，权利要求不旨在局限于整篇公开所呈现的示例性实施例，而是要符合与语言权利要求一致的完整范围。本领域普通技术人员已知的或以后将获知的对整篇公开所描述的示例性实施例的元件的所有结构性和功能性等同物旨在由权利要求涵盖。此外，无论这种公开内容是否在权利要求中明确陈述，本文所公开的任何内容都不旨在致力于公众。任何权利要求元素不应该被解释为按照35U.S.C.§112(f)的条款或适用司法管辖权内的类似法律，除非使用短语“用于…的装置(means for)”明确陈述了该元素，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于…的步骤(step for)”陈述了该元素。

Claims (21)

1.一种用于粉末床熔融的装置，包括：
支撑原材料层的结构；以及
多个电子束源，其各自产生能量束以熔融所述原材料层的一个或多个区域。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电子束源包括一个或多个阵列。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电子束源是规模可调的以适应不同尺寸的结构。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电子束源被二维(2D)地布置在所述结构对面的公共距离处。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电子束源分布遍及所述结构，以同时熔融所述原材料层的多个区域。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括多个偏转器，所述多个偏转器引导相应的电子束。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个偏转器的子集被配置为引导来自所述多个电子束源的子集的电子束，以熔融所述原材料层的一个或多个公共区域。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个偏转器被配置为引导所述电子束以熔融原材料层的多个区域，以用于形成分开的零件或单个零件。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电子束被配置为在一个或多个熔融区域处重叠以防止出现间隙。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个偏转器包括磁场，并且所述多个偏转器被配置为限制所述磁场的相互作用。
11.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个偏转器被配置为在一个或多个电子束锥内引导所述电子束以将一个或多个区域熔融成多边形形状，每个多边形形状完全包含在每个电子束锥的横截面内。
12.一种用于粉末床熔融的装置，包括：
支撑原材料层的结构；
多个电子束源，其各自产生电子束；以及
多个偏转器，其独立地引导所述电子束以同时熔融所述原材料层的多个区域。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个电子束源包括一个或多个阵列。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个电子束源是规模可调的以适应不同尺寸的结构。
15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个电子束源被二维(2D)地布置在所述结构对面的公共距离处。
16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个偏转器的子集被配置为引导来自所述多个电子束源的子集的电子束，以熔融所述原材料层的一个或多个公共区域。
17.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个偏转器被配置为引导所述电子束以熔融原材料层的多个区域，以用于形成分开的零件或单个零件。
18.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电子束被配置为在一个或多个熔融区域处重叠以防止出现间隙。
19.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个偏转器包括磁场，并且所述多个偏转器被配置为限制所述磁场的相互作用。
20.根据权利要求12所述的装置，其中，所述多个偏转器被配置为在一个或多个电子束锥内引导所述电子束以将一个或多个区域熔融成多边形形状，每个多边形形状完全包含在每个电子束锥的横截面内。
21.一种用于粉末床熔融的装置，包括：
支撑原材料层的结构；
电子束源的阵列，其各自产生电子束；以及
偏转器的阵列，其引导所述电子束以熔融所述原材料层的一个或多个区域；
其中，所述电子束源的阵列是规模可调的以适应不同尺寸的结构。
CN202080097722.7A 2019-12-31 2020-12-28 利用电子束阵列的增材制造 Pending CN115190839A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962955778P 2019-12-31 2019-12-31
US62/955,778 2019-12-31
PCT/US2020/067196 WO2021138275A1 (en) 2019-12-31 2020-12-28 Additive manufacturing with an electron beam array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115190839A true CN115190839A (zh) 2022-10-14

Family

ID=76687561

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080097722.7A Pending CN115190839A (zh) 2019-12-31 2020-12-28 利用电子束阵列的增材制造

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4084945A4 (zh)
CN (1) CN115190839A (zh)
WO (1) WO2021138275A1 (zh)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100465117B1 (ko) * 2000-04-04 2005-01-05 주식회사 아도반테스토 다축전자렌즈를 이용한 멀티빔 노광장치, 복수의 전자빔을집속하는 다축전자렌즈, 반도체소자 제조방법
DE102010011059A1 (de) 2010-03-11 2011-09-15 Global Beam Technologies Ag Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils
US9468973B2 (en) * 2013-06-28 2016-10-18 Arcam Ab Method and apparatus for additive manufacturing
US9263228B2 (en) * 2014-03-10 2016-02-16 International Business Machines Corporation Integrated photoemission sources and scalable photoemission structures
CN104759623B (zh) 2015-03-10 2017-06-23 清华大学 利用电子束‑激光复合扫描的增材制造装置
GB201617693D0 (en) * 2016-10-19 2016-11-30 Reliance Rg Limited Charged particle beam steering arrangement
US20180311760A1 (en) * 2017-04-28 2018-11-01 Divergent Technologies, Inc. Powder-bed fusion beam scanning
EP3743260A4 (en) * 2017-12-28 2022-03-23 Nikon Corporation ROTATING POWDER BED ADDITIVE MANUFACTURING SYSTEM

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021138275A1 (en) 2021-07-08
EP4084945A4 (en) 2023-10-18
EP4084945A1 (en) 2022-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3269473B1 (en) Additive manufacturing device utilizing eb-laser composite scan
US11260583B2 (en) Laser printing system
CN105939835B (zh) 增材制造装置和用于运行增材制造装置的方法
US5260579A (en) Charged particle beam exposure system and charged particle beam exposure method
EP3615252A1 (en) Powder-bed fusion beam scanning
JP7088960B2 (ja) 付加製造における散乱低減
KR20190136091A (ko) 적층 제조를 위한 다수의 재료들 및 인쇄 파라미터들
JP4401614B2 (ja) 多軸電子レンズを用いたマルチビーム露光装置、複数の電子ビームを集束する多軸電子レンズ、半導体素子製造方法
WO2017163403A1 (ja) ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム
CN110225802A (zh) 带电粒子束操纵装置
US20200147690A1 (en) 3-d printer with manifolds for gas exchange
JP6363293B1 (ja) ３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および３次元造形装置の制御プログラム
CN108437472B (zh) 一种增材制造装置及增材制造方法
CN115190839A (zh) 利用电子束阵列的增材制造
JP7217188B2 (ja) 三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法
JP7457613B2 (ja) 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法
JP2012099568A (ja) 描画装置、および、物品の製造方法
CN111278589A (zh) 金属部件的制造方法
CN115135485B (zh) 粉末床的预热
CN109843475A (zh) 高压合金铸造方法和设备
US20230014614A1 (en) Three-Dimensional Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Apparatus and Three-Dimensional Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Method
CN117655356A (zh) 应用于3d打印的空间电场控制装置
JP2022187782A (ja) 電子銃及び三次元造形装置
JPH04233140A (ja) 画像表示装置

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