DE102018114714B4

DE102018114714B4 - Verfahren und Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung während einer additiven Fertigung

Info

Publication number: DE102018114714B4
Application number: DE102018114714.7A
Authority: DE
Inventors: Scott Alan Gold
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: US11851763B2; CN109109314B; CN109109314A; US20180369912A1; US20240076779A1; DE102018114714A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Objektes (252), das aufweist:(a) Schmelzen wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht aus Baumaterial, um wenigstens einen geschmolzenen Bereich zu bilden;(b) Bereitstellen einer nachfolgenden Schicht aus Baumaterial auf einer Bauoberfläche;(c) Wiederholen der Schritte (a) und (b), bis das Objekt (252) gebildet ist; und(d) wenigstens einen Schritt der Abscheidung eines zweiten Materials (282) durch chemische Gasphasenabscheidung während der Bildung des Objektes (252), wobei in dem Schritt (d) Dampf freigesetzt und nahe der Bauoberfläche abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden des zweiten Materials (282) unter Verwendung einer CVD-Einheit (280) zur chemischen Gasphasenabscheidung durchgeführt wird, die unabhängig von einem Schmelzmechanismus (250, 262) bewegbar ist, der zur Bildung des wenigstens einen geschmolzenen Bereiches verwendet wird.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapor deposition) während additiver Fertigungs(AM)-Prozesse. Die meisten kommerziell erhältlichen AM-Maschinen können verwendet werden, um Komponente aus lediglich einem einzigen Material zu bauen. Die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um ein sekundäres Material zu integrieren, das eine zusätzliche oder verbesserte Funktionalität vieler AM-Komponenten ermöglichen und das Hinzufügen von chemischen Signaturen ermöglichen würde, während verschiedene Objekte, einschließlich Komponenten mit polymerisierten inneren Kernabschnitten und gut definierten äußeren Oberflächen, hergestellt werden, und in Prozessen, die diese Komponenten verwenden.
HINTERGRUND
Additive Fertigungsverfahren (AM-Verfahren) oder additive Druckverfahren umfassen allgemein, im Unterschied zu subtraktiven Fertigungsverfahren, den Aufbau eines oder mehrerer Materialien, um ein Objekt mit der Endkontur oder ein endkonturnahes (NNS, near net shape) Objekt herzustellen. Obwohl „additive Fertigung“ eine in der Industrie standardmäßige Bezeichnung (ASTM F2792) ist, umfasst die additive Fertigung (AM, additive manufacturing) verschiedene Fertigungs- und Prototypenherstellungstechniken, die unter vielfältigen Namen bekannt sind, zu denen Freiformherstellung, 3D-Druck, Rapid Prototyping (schnelle Prototypenherstellung)/Rapid Tooling (schnelle Werkzeugherstellung) etc. gehören. AM-Techniken sind in der Lage, komplexe Komponenten aus sehr vielfältigen Materialien zu fertigen. Im Allgemeinen kann ein freistehendes Objekt aus einem rechnergestützten Entwurfsmodel (CAD-Model) gefertigt werden. Eine bestimmte Art eines AM-Prozesses verwendet elektromagnetische Strahlung, wie etwa einen Laserstrahl, um ein pulverförmiges Metallmaterial zu schmelzen oder zu sintern, wodurch ein festes dreidimensionales Objekt geschaffen wird.
Ein Beispiel einer Vorrichtung zur AM unter Verwendung eines pulverförmigen Baumaterials ist in 1 gezeigt. Die Vorrichtung 140 baut Objekte oder Teile von Objekten, zum Beispiel das Objekt 152, Schicht für Schicht durch Sintern oder Schmelzen eines (nicht gezeigten) Pulvermaterials unter Verwendung eines Energiestrahls 170, der von einer Quelle 150 erzeugt wird, die zum Beispiel ein Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls oder ein Glühfaden sein kann, der Elektronen emittiert, wenn ihn ein Strom durchfließt. Das durch den Energiestrahl zu schmelzende Pulver wird durch ein Reservoir 156 geliefert und unter Verwendung eines in Richtung 164 laufenden Beschichterarms 146 gleichmäßig über einem Pulverbett 142 verteilt, um das Pulver auf einem Niveau 148 zu halten und überschüssiges Pulvermaterial, das sich über das Pulverniveau 148 erstreckt, zu einem Abfallbehälter 158 zu entfernen. Der Energiestrahl 170 sintert oder schmilzt eine Querschnittsschicht des Objektes, das gerade gebaut wird, unter der Steuerung durch eine Bestrahlungsemissionsrichtvorrichtung, wie zum Beispiel einen Laser-Galvoscanner 162. Der Galvoscanner 162 kann zum Beispiel mehrere bewegbare Spiegel oder Abtastlinsen umfassen.
Die Geschwindigkeit, mit der der Energiestrahl abgetastet wird, ist ein kritischer, steuerbarer Prozessparameter, der die Energiemenge beeinflusst, die zu einem bestimmten Punkt geliefert wird. Typische Energiestrahl-Abtastgeschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von 10 bis 1000 Millimetern pro Sekunde. Die Bauplattform 144 wird abgesenkt und eine weitere Pulverschicht wird über das Pulverbett und das gerade gebaute Objekt verteilt, gefolgt von einem nachfolgenden Schmelzen/Sintern des Pulvers durch den Laser 150. Die Pulverschicht ist typischerweise zum Beispiel 10 bis 100 Mikrometer dick. Der Prozess wird wiederholt, bis das Objekt 152 aus dem geschmolzenen/gesinterten Pulvermaterial vollständig aufgebaut ist. Der Energiestrahl 170 kann durch ein Computersystem gesteuert werden, das einen Prozessor und einen Speicher (nicht gezeigt) umfasst. Das Computersystem kann ein Scanmuster für jede Schicht bestimmen und den Energiestrahl 170 steuern, um das Pulvermaterial gemäß dem Scanmuster zu bestrahlen. Nachdem die Fertigung des Objektes 152 abgeschlossen ist, können verschiedene Nachbearbeitungsprozeduren auf das Objekt 152 angewendet werden. Die Nachbearbeitungsprozeduren umfassen ein Entfernen von überschüssigem Pulver zum Beispiel durch Ausblasen oder Absaugen. Andere Nachbearbeitungsprozeduren umfassen ein Wärmebehandlungsverfahren zum Spannungsabbau. Zusätzlich können thermische und chemische Nachbearbeitungsprozeduren verwendet werden, um das Objekt 152 fein zu bearbeiten.
Die meisten kommerziellen AM-Maschinen ermöglichen es, dass Komponenten aus nur einem einzigen Komponentenmaterial aufgebaut werden. Zum Beispiel ermöglichen das Pulverbett 142 und das Pulverreservoir 156 des in 1 dargestellten Systems, das nur ein einziges Pulver-Ausgangsmaterial zur Herstellung einer Komponente verwendet wird. Ein Einbringen eines oder mehrerer zusätzlicher Materialien in die Komponente kann in vielen Fällen wünschenswert sein. Zum Beispiel könnten Beschichtungen während des additiven Verfahrens zu einer Komponente für eine Verschleißfestigkeit oder chemische Beständigkeit hinzugefügt werden, wodurch die Notwendigkeit für einen Nachbearbeitungsvorgang beseitigt wird. Mit dem schnellen Reifungsprozess der AM-Technologie können genauere Drucker und Modellierungswerkzeuge bei sinkenden Kosten verfügbar werden. Dementsprechend können billige Nachbildungen (Replikate) von Gegenständen den Markt überschwemmen, und solche Replikate können, verglichen mit dem ursprünglichen Originalteil, von minderer Qualität sein. Weder der Verbraucher noch der Hersteller können jedoch gegebenenfalls in der Lage sein, über eine einfache Sichtprüfung des intakten Objektes Originale von Replikaten zu unterscheiden. Daher ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, während der AM-Prozesse Teile mit unterschiedlichen Signaturen - auf oder unter der Oberfläche - chemisch oder physikalisch zu markieren, um Verbrauchern und Herstellern gleichermaßen dabei zu helfen, echte Originalteile von billigen, minderwertigen Replikaten zu unterscheiden.
US 2016/ 0 271 874 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Objektes durch additive Fertigung, die die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG
Das Folgende stellt eine vereinfachte Kurzbeschreibung eines oder mehrerer Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, um ein grundlegendes Verständnis solche Aspekte zu bieten. Diese Kurzbeschreibung ist kein umfassender Überblick über alle in Betracht gezogenen Aspekte und soll weder hauptsächliche oder kritische Elemente aller Aspekte identifizieren, noch den Umfang einiger oder aller Aspekte abgrenzen. Ihr Zweck ist es, einige Konzepte eines oder mehrerer Aspekte in einer vereinfachten Form als Einleitung zu der detaillierteren Beschreibung, die nachstehend dargeboten wird, zu präsentieren.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes, das aufweist: (a) Schmelzen wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht aus Baumaterial, um wenigstens einen geschmolzenen Bereich zu bilden; (b) Bereitstellen einer nachfolgenden Schicht aus Baumaterial auf einer Bauoberfläche; (c)Wiederholen der Schritte (a) und (b), bis das Objekt gebildet ist; und (d) wenigstens einen Schritt des Abscheidens eines zweiten Materials durch chemische Gasphasenabscheidung während der Bildung des Objektes, wobei in dem Schritt (d) Dampf freigesetzt und nahe an der Bauoberfläche abgeschieden wird, umfasst. Erfindungsgemäß wird das Abscheiden des zweiten Materials unter Verwendung einer CVD-Einheit zur chemischen Gasphasenabscheidung durchgeführt wird, die unabhängig von einem ren Schmelzmechanismus bewegbar ist, der zur Bildung des wenigstens einen geschmolzenen Bereiches verwendet wird.
In einigen Aspekten kann das Schmelzen wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht aus Baumaterial ein Verfestigen des Baumaterials aufweisen. In einigen Aspekten kann das Verfestigen des Baumaterials ein Schmelzen eines Metallpulvers aufweisen. In einigen Aspekten kann das Verfestigen des Baumaterials ein Polymerisieren des Baumaterials aufweisen. In einigen Aspekten kann das Schmelzen wenigstens eines Abschnitts der gegebenen Schicht aus Baumaterial Binder Jetting (verkleben mit einem Binder) des Baumaterials aufweisen. In einigen Aspekten kann das Baumaterial ein Polymer, eine keramische Aufschlämmung, eine metallische Aufschlämmung oder ein Metallpulver sein. In einigen Aspekten kann das zweite Material für Röntgenstrahlung undurchlässiger sein, für Radioaktivität undurchlässiger sein, eine andere Absorptionsenergie als das Baumaterial in dem verfestigen Zustand, gemessen durch Computertomographie(CT)-Scannen, haben, kann andere mechanische Verschleißeigenschaften haben, eine größere Korrosionsbeständigkeit haben, ein anderes Infrarot(IR)-Emissionsvermögen haben, ein anderes IR-Absorptionsvermögen oder -Reflexionsvermögen haben, ein anderes Ultraviolett(UV)-Absorptionsvermögen oder -Reflexionsvermögen haben, ein anderes sekundäres Röntgenstrahl-Emissionsenergieprofil haben, ein anderes Neutronenstreuprofil haben, eine andere Oberflächenenergie haben, einen anderen Reibungskoeffizienten haben, eine andere Wärmeleitfähigkeit haben, andere akustische Ausbreitungseigenschaften haben, eine andere Verschleißfestigkeit haben, eine andere Tribologie haben, eine andere elektrische Leitfähigkeit haben oder andere Oberflächeneigenschaften haben als das Baumaterial in dem verfestigen Zustand. In einigen Aspekten kann das zweite Material eine andere Dichte als das Baumaterial in dem verfestigten Zustand haben. In einigen Aspekten kann das zweite Material andere mechanische Verschleißeigenschaften als das Baumaterial in dem geschmolzenen Zustand haben. In einigen Aspekten weist das zweite Material eine größere Korrosionsbeständigkeit als das Baumaterial auf. In einigen Aspekten weist das zweite Material gegenüber dem Baumaterial eine andere elektrische Leitfähigkeit auf. In einigen Aspekten kann das Verfestigen eine Laserquelle nutzen. In einigen Aspekten kann das Verfestigen eine Elektronenstrahlquelle nutzen. In einigen Aspekten kann das zweite Material durch plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden werden; wobei das Plasma durch wenigstens ein Mittel erzeugt und/oder verstärkt werden kann, das ausgewählt ist aus zwei oder mehreren Lichtbogenelektroden, einem spiralförmigen Resonator oder einem Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Plasmareaktor. In einigen Aspekten kann im Schritt (d) der Dampf so freigesetzt werden, dass der Dampf bei nicht mehr als 15 cm von dem wenigstens einen Abschnitt einer oder mehrerer der Schichten aus Baumaterial enthalten sein oder freigesetzt werden kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, die aufweist: wenigstens eine Schmelzquelle und einen Schmelzmechanismus zum Schmelzen eines Baumaterials zur schichtweisen Bildung des Objektes; und eine chemische Gasphasenabscheidungs(CVD, chemical vapor deposition)-Einheit zur Abscheidung eines zweiten Materials durch chemische Gasphasenabscheidung während der Bildung des Objektes, wobei die CVD-Einheit in wenigstens zwei Dimensionen bewegbar und eingerichtet ist, um Dampf freizusetzen und nahe an der Bauoberfläche abzuscheiden. Die CVD-Einheit ist unabhängig von dem Schmelzmechanismus bewegbar, der zum Schmelzen des Baumaterials zur schichtweisen Bildung des Objektes verwendet wird.
In einigen Aspekten kann die Schmelzquelle eine Elektronenstrahlquelle sein. In einigen Aspekten kann die Schmelzquelle eine Laserquelle sein. In einigen Aspekten kann die Schmelzquelle zum Binder Jetting (Verkleben eines Ausgangsmaterials mit einem Bindemittel) eingerichtet sein. In einigen Aspekten kann die CVD-Einheit aufweisen: wenigstens eine Plasmaquelle, die aus zwei oder mehreren Lichtbogenelektroden, einem spiralförmigen Resornator oder einem Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Plasmareaktor ausgewählt ist; wenigstens einen Gaseinlass; und wenigstens eine Gasdüse, die sich von dem wenigstens einen Gaseinlass weg erstreckt. In einigen Aspekten kann die CVD-Einheit ferner ein Gehäuse aufweisen, das die wenigstens eine Plasmaquelle, den wenigstens einen Gaseinlass und die wenigstens eine Gasdüse umschließt. In einigen Aspekten kann die Vorrichtung ferner einen Beschichtermechanismus aufweisen, der einen Beschichterarm aufweist. In einigen Aspekten kann der Beschichterarm eine Beschichterklinge aufweisen. In einigen Aspekten kann die CVD-Einheit an dem Beschichterarm angeordnet sein. In einigen Aspekten kann die CVD-Einheit an einer Positioniereinheit angeordnet sein. In einigen Aspekten kann das Baumaterial eine Polymer, eine keramische Aufschlämmung, eine metallische Aufschlämmung oder ein Metallpulver sein. In einigen Aspekten kann die Vorrichtung ferner einen Galvoscanner (Galvanometerscanner) aufweisen.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden bei einer Durchsicht der detaillierten Beschreibung, die folgt, besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur AM gemäß herkömmlichen Verfahren.
2A zeigt eine schematische Darstellung der CVD während der AM gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2B zeigt eine schematische Darstellung des Verteilens einer nachfolgenden Schicht aus Baumaterial nach der CVD gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2C zeigt eine schematische Darstellung der Bestrahlung wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht eines Baumaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2D zeigt ein Beispiel einer CVD-Einheit zur Verwendung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2E zeigt eine Nahansicht der chemischen Gasphasenabscheidung eines zweiten Materials an der Bauoberfläche gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3A zeigt eine schematische Darstellung der CVD während der AM gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3B zeigt eine schematische Darstellung der Verteilung einer nachfolgenden Schicht aus Baumaterial nach der CVD gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3C zeigt eine schematische Darstellung der Bestrahlung wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht eines Baumaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3D zeigt ein Beispiel einer CVD-Einheit, die an einer Positioniereinheit angebracht ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3E zeigt eine Nahansicht der chemischen Gasphasenabscheidung eines zweiten Materials an der Bauoberfläche gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die detaillierte Beschreibung, die nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargelegt ist, ist als eine Beschreibung verschiedener Konfigurationen gedacht und ist nicht dazu gedacht, nur die Konfigurationen zu repräsentieren, in denen die hierin beschriebenen Konzepte in die Praxis umgesetzt werden können. Die detaillierte Beschreibung enthält spezifische Details für den Zweck der Schaffung eines grundliegenden Verständnisses verschiedener Konzepte. Es wird jedoch für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass diese Konzepte ohne diese speziellen Details umgesetzt werden können. In einigen Fällen sind allgemein bekannte Komponenten in Blockdiagrammform veranschaulicht, um Unklarheiten zu derartigen Konzepten zu vermeiden.
Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) während additiver Fertigungs(AM)-Prozesse. Die CVD kann während der AM-Prozesse eingesetzt werden, um chemische Signaturen während der Herstellung hinzuzufügen, womit der Prozess der Unterscheidung von Originalprodukten von Replikaten, die von minderer Qualität sein können, erleichtert wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird die CVD verwendet, um ein Material auf einer Schicht eines Objektes abzuscheiden, das durch einen AM-Prozess Schicht für Schicht gerade gebaut wird. Die Abscheidung kann auf einer zuletzt verfestigten Schicht oder Komponentenschicht oder auf einem Pulver, vor der Verfestigung oder Verschmelzung dieses Pulvermaterials zu einer Komponentenschicht erfolgen. Die Komponentenschicht kann die erste Schicht, die letzte Schicht oder eine Zwischenschicht des gerade gebauten Objektes sein. Durch Verwendung der CVD nach dem Bau der ersten Schicht, jedoch vor dem Bau der letzten Schicht des Objektes während der AM kann jedoch ein chemischer Identifizierungsmarker außerhalb der Sicht potenzieller Nachahmer platziert werden, wodurch es für die potenziellen Nachahmer schwieriger wird, Replikate des Objektes zu erzeugen, und es leichter gemacht wird, Replikate oder Fälschungen zu identifizieren. Objekte, die auf diese Weise gebaut werden, mit durch CVD abgeschiedenen inneren chemischen Markern können in der Lage sein, durch Spektroskopie- oder Bildgebungsverfahren von dem Verbraucher, dem Hersteller oder einem Dritten identifiziert zu werden. Die CVD-abgeschiedenen Materialien gemäß der vorliegenden Offenbarung können auch Objekte bilden, die aus mehreren Materialien gebaut werden, wobei die durch CVD hinzugefügten Materialien Eigenschaften, wie etwa, jedoch nicht darauf beschränkt, eine größere mechanische Festigkeit, größere Korrosionsbeständigkeit und größere elektrische Leitfähigkeit, verleihen.
In dem hierin verwendeten Sinne ist ein Material für eine Strahlung „undurchlässig“, wenn das Material die ankommende Strahlung nicht überträgt.
In dem hierin verwendeten Sinne bezeichnet „Strahlung“ Energie in der Form von Wellen oder Teilchen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Wärme, Funkwellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen, Radioaktivität, akustische Strahlung und Gravitationsstrahlung.
In dem hierin verwendeten Sinne ist ein „Kontrastmittel“ eine Substanz, die verwendet wird, um den Kontrast von Strukturen oder Fluiden innerhalb eines Objektes in Bildgebungsanwendungen zu verstärken.
2A-2E zeigen schematische Darstellungen einer Vorrichtung zum Einsatz der CVD während der AM gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Vorrichtung 240 mit einer CVD-Einheit 280 (vgl. 2A) ausgestattet sein. In einer ersten Ausführungsform kann die CVD-Einheit 280 an einem Mechanismus zur Bereitstellung einer Pulverschicht, wie etwa einem Beschichtermechanismus, wie zum Beispiel einem Beschichterarm 246, angebracht sein. Nach der Bildung wenigstens eines verschmolzenen oder verfestigten Bereiches eines Baumaterials 253 während der Herstellung eines Objektes 252 scheidet die CVD-Einheit 280 durch CVD ein zweites Material 282 über wenigstens einem Abschnitt eines oder mehrerer der verschmolzenen oder verfestigten Bereiche der zuletzt verschmolzenen oder verfestigen Schicht des Objektes 252 (vgl. 2A) ab. Alternativ kann die CVD-Einheit 280 ein zweites Material 282 über wenigstens einem Abschnitt eines Pulvermaterials durch CVD abscheiden, bevor dieses durch einen Mechanismus zur selektiven Schmelzung oder Verfestigung wenigstens eines Abschnitts der Pulverschicht geschmolzen wird. Der Mechanismus kann ein Energiestrahl von einer Energiequelle sein, die eine Laserquelle oder eine Elektronenstrahlquelle sein kann, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Mechanismus zur selektiven Schmelzung ein Binder-Jetting-Mechanismus sein.
Die CVD-Einheit 280 scheidet ein zweites Material, das eine chemische Substanz in der Dampfphase ist, auf wenigstens einem Abschnitt eines oder mehrerer verschmolzener Bereiche einer zuletzt geschmolzenen oder verfestigten Schicht eines Baumaterials oder alternativ über wenigstens einem Abschnitt eines Pulvermaterials ab, bevor dieses durch einen Energiestrahl geschmolzen oder verfestigt wird. Die CVD-Einheit 280 kann verwendet werden, um jede beliebige chemische Substanz in der Dampfphase zur Verwendung in Verbindung mit der Vorrichtung 240 und dem Baumaterial abzuscheiden.
Chemische Stoffe, die sich zur Verwendung bei der CVD eignen, umfassen diejenigen mit gasförmigen Vorläufern, wie dies für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet bekannt ist. Geeignete zweite Materialien, die durch CVD abgeschieden werden können, sind in der Technik bekannt und umfassen diejenigen, ohne darauf beschränkt zu sein, die zum Beispiel in den Patentschriften US 3 565 676 A (Wolfram, Molybdän, Rhenium und Mischungen von diesen); US 3 656 995 A (Karbide, Nitride und Carbonitride von Bor, Silizium und den Übergangsmetallen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems der Elemente); US 3 594 216 A (Nickel, Kupfer, Kobalt, Chrom, Eisen, Mangan, Palladium, Platin und Mischungen von diesen oder Legierungen von Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel und Chrom); US 5 656 329 A (epitaxiales Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Wolfram, Titannitrit, gemischte Metalloxide in der Perowskit-Phase); US 6 743 473 B1 (Metall, Metallnitrid, Metallcarbonitrid und Metallsiliziumnitridfilme, die die Metalle Hafnium und die Metalle der Gruppe VB von Vanadium, Tantal und Niob enthalten); US 6 475 902 B1 (Niobnitrid); und US 6 548 899 B2 (Siliziumnitrid, Titannitrit, Tantalnitrid, Tantaloxinitrid, Wolframoxinitrid, Siliziumoxinitrid und Mischungen von diesen sowie Siliziumdioxid) offenbart sind.
Geeignete CVD-Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Atmosphärendruck-CVD (APCVD), Niederdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD), Aerosol-unterstützte CVD (AACVD), CVD mit direkter Flüssigkeitsinjektion (DLICVD), Heißwand-CVD, Kaltwand-CVD, plasmagestützte Mikrowellen-CVD (MPCVD), plasmaverstärkte-CVD (PECVD), entfernte plasmaverstärkte CVD (RPECVD), Atomschicht-CVD (ALCVD), chemische Gasphasenabscheidung mit Verbrennung (CCVD), Heißfaden-CVD (HFCVD), hybride physikalisch-chemische Gasphasenabscheidung (HPCVD), metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), schnelle thermische CVD (RTCVD), Dampfphasenepitaxie (VPE) und photoinitiierte CVD (PICVD). In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Vorrichtungen zur PECVD während der AM. CVD-Verfahren sind in der Technik allgemein bekannt und zum Beispiel in den Patentschriften US 3 565 676 A ; US 3 656 995 A ; US 3 594 216 A ; US 5 656 329 A ; US 6 743 473 B1 ; US 6 475 902 B1 ; und US 6 548 899 B2 beschrieben.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung CVD-Vorrichtungen betreffen, die Lichtbogenelektroden enthalten (s. 2D, 2E, 3D und 3E), kann die CVD gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung auch ohne Elektroden durchgeführt werden. Geeignete Ausgangsmaterialien für die CVD der zweiten Materialien gemäß der vorliegenden Offenbarung sind in der Technik bekannt und können enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: verdampfte metallorganische Beta-Ketoamin-Chelate, wie etwa Nickel - Acetylacetonimid, Kupfer -Acetylacetonimid, Bisacetylacetonethylendiimin - Nickel (II), Bisacetylacetonethylendiimin - Kupfer (II), Bisacetylacetonimid - Nickel (II), Kobalt (II) - Acetylacetonimid, Bisacetylacetonimid - Kobalt (II), Bis-4-imin-2-pentanonat - Kobalt (II), Nickel (II) - Trifluoracetylacetonimid, Bis-2-imin-1,1,1-trifluor-4-pentanonat - Nickel (II), Nickel - Acetylaceton-1,2-propylendiimid, und Mischungen von diesen, um beispielsweise Legierungen durch CVD zu bilden. Diese Ausgangsmaterialien sind entweder kommerziell verfügbar oder können durch bekannte Verfahren, zum Beispiel diejenigen, die in der Patentschrift US 3 594 216 A offenbart sind, synthetisiert werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen eine lokale, bereichsweise CVD für ortsspezifische Abscheidung eines zweiten Materials, was Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet. Zum Beispiel vermeidet eine lokale, bereichsweise CVD eine Kontaminierung des gesamten Baubereiches oder des Baumaterials mit CVD-Vorläufern und/oder Trägergasen. Infolgedessen wird jede Notwendigkeit, die Prozesskammer zwischen Schichten zu spülen und/oder auszupumpen, beseitigt. Zusätzlich können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung Fälschungsschutzmaßnahmen, integrierte Teilebeschichtung und die Erzeugung von Teilen mit gestufter Materialzusammensetzung ermöglichen.
In einigen Aspekten kann die CVD-Einheit verwendet werden, um ein zweites Material 282 mit gewünschten Eigenschaften, wie denjenigen zur Markierung, Identifizierung oder zu Fälschungsschutzzwecken und für zugehörige Detektionsverfahren abzuscheiden oder um dem hergestellten Objekt gewünschte Materialeigenschaften zu verleihen. In einigen Aspekten kann das zweite Material für Röntgenstrahlung undurchlässiger sein als das Baumaterial in dem verschmolzenen Zustand. In einigen Aspekten kann das zweite Material für Radioaktivität undurchlässiger sein als das Baumaterial in dem verschmolzenen Zustand. In einigen Aspekten kann das zweite Material ein radioaktiver Strahler sein, um eine Markierung der Teile zu ermöglichen. Vorzugsweise unterscheidet sich das zweite Material 282 für die CVD von dem additiven Baumaterial 253 hinsichtlich einer oder mehrerer physikalisch-chemischer Eigenschaften, von denen eine nicht erschöpfende Liste von Beispielen in der folgenden Erläuterung dargeboten ist. In einigen Aspekten kann das zweite Material eine andere Dichte als das Baumaterial in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand haben. In einigen Aspekten kann das zweite Material 282 eine andere Absorptionsenergie als das Baumaterial in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand, wie durch Computertomographie(CT)-Scannen gemessen wird, haben. In einigen Aspekten weist das zweite Material 282 andere mechanische Verschleißeigenschaften als das Baumaterial 253 in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand auf. In einigen Aspekten weist das zweite Material 282 eine größere Korrosionsbeständigkeit als das Baumaterial 253 in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand auf. Zusätzlich kann sich das zweite Material 282 für die CVD im Vergleich zu dem additiven Baumaterial 253 in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand hinsichtlich wenigstens eines von Infrarot (IR)-Emissionsvermögen, IR-Absorptionsvermögen oder - Reflexionsvermögen, Ultraviolett(UV)-Absorptionsvermögen oder -Reflexionsvermögen, sekundärem Röntgenstrahl-Emissionsenergieprofil, Neutronenstreuprofil, Oberflächenenergie, Reibungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, akustische Ausbreitungseigenschaften, Ermüdungswiderstand, Verschleißbeständigkeit, Tribologie, Oberflächeneigenschaften unterscheiden. In einigen Aspekten weist das zweite Material eine andere elektrische Leitfähigkeit als das Baumaterial auf.
In einigen Aspekten ist das zweite Material ein Kontrastmittel. Die Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels hängt von der speziellen Anwendung und dem Baumaterial ab. Geeignete Kontrastmittel umfassen diejenigen, die mit jeglichen Materialien, die innerhalb der Baumaterialien enthalten sind (Aluminium, Kobalt, Nickel), nicht reagieren, und diejenigen, die selbst nicht in den Einsatzbaumaterialien enthalten sind. Materialien, die unter gewissen Umständen als Kontrastmittel bekannt sind, umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine hohe Ordnungszahl aufweisende Metalle (zum Beispiel Wolfram oder Osmium). Zum Beispiel kann Wolfram oder Osmium geeignete Röntgenstrahl-CT-Kontrastmittel für Aluminium oder Kobalt oder Nickel basierte Superlegierungen sein. Als ein weiteres Beispiel kann, falls das Baumaterial Kobalt-Chrom ist, ein geeignetes Kontrastmittel irgendein anderes Metall oder Nichtmetall sein.
In einigen Aspekten wird das zweite Material in einer einzigen Schicht abgeschieden. In einigen Aspekten wird das zweite Material durch CVD über mehrere Schichten abgeschieden, um ein 3D-Kontrastbild zu erhalten.
Nachdem das zweite Material 282 abgeschieden worden ist, wird die Bauplatte 244 abgesenkt, und der Beschichterarm 246 verteilt eine nachfolgende Schicht des Baumaterials gleichmäßig über dem Pulverbett 242 und der zuletzt verschmolzenen oder verfestigten Schicht des Objektes 252 (vgl. 2B). In einigen Aspekten wird die nachfolgende Baumaterialschicht über dem abgeschiedenem zweiten Material 282 verteilt, und das abgeschiedene zweite Material 282 wird verschmolzen oder verfestigt oder wird verfestigen gelassen, bevor die nachfolgende Baumaterialschicht darüber verteilt wird. In einigen Aspekten wird keine nachfolgende Baumaterialschicht über dem abgeschiedenen zweiten Material 282 verteilt. In einigen Aspekten wird das zweite Material 282 über wenigstens einem Abschnitt des Pulvermaterials abgeschieden, bevor dieses verschmolzen oder verfestigt wird, wobei das abgeschiedene zweite Material 282 verschmolzen oder verfestigt oder verfestigen gelassen wird und das Pulvermaterial verschmolzen oder verfestigt wird. In einigen Aspekten kann eine nachfolgende Baumaterialschicht über der verschmolzenen oder verfestigten Schicht und das verschmolzene oder verfestigte abgeschieden zweite Material 282 verteilt werden.
Der Energiestrahl 270 sintert oder schmilzt eine Querschnittsschicht des Objektes 252, das gerade unter der Steuerung einer Bestrahlungsemissionsrichtvorrichtung, wie etwa eines Galvoscanners 262 (vgl. 2C) gebaut wird. Der Galvoscanner 262 kann zum Beispiel mehrere bewegbare Spiegel oder Abtastlinsen aufweisen. Die Geschwindigkeit, mit der der Laser gescannt wird, ist ein wichtiger steuerbarer Prozessparameter, der es beeinflusst, wie lange die Laserleistung auf einen bestimmten Punkt angewandt wird. Typische Laserscangeschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von 10 bis 1000 mm pro Sekunde. Die Bauplattform 244 wird abgesenkt, und eine weitere Pulverschicht wird über dem Pulverbett und dem gerade gebauten Objekt verteilt, gefolgt von einem nachfolgenden Schmelzen / Sintern des Pulvers durch den Laser 250. Die Pulverschicht ist gewöhnlich zum Beispiel 10 bis 100 Mikrometer dick. Der Prozess wird wiederholt, bis das Objekt 252 aus dem geschmolzenen/gesinterten Pulvermaterial vollständig aufgebaut worden ist. Der Laser 250 kann durch ein (nicht veranschaulichtes) Computersystem gesteuert werden, das einen Prozessor und einen Speicher enthält. Das Computersystem kann ein Scanmuster für jede Schicht bestimmen und den Laser 250 steuern, um das Pulvermaterial gemäß dem Scanmuster zu bestrahlen. Nachdem die Herstellung des Objektes 252 abgeschlossen ist, können verschiedene Nachbearbeitungsprozeduren auf das Objekt 252 angewandt werden. Die Nachbearbeitungsprozeduren umfassen ein Entfernen eines überschüssigen Pulvers zum Beispiel durch Ausblasen oder Absaugen. Weitere Nachbearbeitungsprozeduren umfassen einen Spannungsabbauprozess. Zusätzlich können thermische und chemische Nachbearbeitungsprozeduren verwendet werden, um das Objekt 252 fein zu bearbeiten.
Die Energiequelle kann eine Strahlung mit einer beliebigen Wellenlänge ausstrahlen, die sich zur Verwendung in additiven Druckverfahren eignet, wie dies für Fachleute auf dem Gebiet bekannt ist. In einigen Aspekten kann die Energiequelle ein Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls sein. In einigen Aspekten kann die Energiequelle eine Elektronenstrahlquelle, wie etwa ein Glühfaden, sein, der Elektronen emittiert, wenn ein Strom ihn durchfließt.
Wie in den 2A-2C veranschaulicht, kann die CVD-Einheit 280 vorteilhafterweise an dem Beschichtermechanismus (zum Beispiel dem Beschichterarm 146) angebracht sein, um eine Zwei- oder dreidimensionale Bewegung der CVD-Einheit 280 um die Bauumgebung zu ermöglichen.
2D zeigt ein Beispiel einer CVD-Einheit 280, die an einem Beschichterarm 246 angebracht ist. Die normale Bewegung des Beschichterarms 246 ermöglicht eine Positionierung in einer Dimension (der Richtung 264 in den 2A-2C oder der durch den Pfeil (Y) in 2D angezeigten Richtung). Die Verwendung des Beschichterarms als eine Schiene in Verbindung mit einem Mechanismus, um eine Bewegung entlang der Schiene zu ermöglichen, ermöglicht eine Bewegung in einer zweiten Dimension (der durch den Pfeil „X“ in 2D angezeigten Richtung). In einer Ausführungsform ist dieser Mechanismus, um eine Bewegung zu ermöglichen, ein Lineargetriebe und ein Motor. In einer weiteren Ausführungsform ist dieser Mechanismus ein Motor, der an dem Beschichterarm 246 in Verbindung mit einem Antriebsriemen, der an der CVD-Einheit 280 angebracht ist, montiert ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Bewegungsmechanismus ein elektrischer Schlitzmotor oder ein Magnetschwebeantrieb. Die Bewegung der Bauoberfläche ermöglicht eine Bewegung in eine dritte Dimension (die durch den Pfeil „Z“ in 2D angezeigte Richtung).
Ein zentraler Aspekt der Erfindung ist die Notwendigkeit, dass das CVD-Prozessgas irgendwie nahe an der Bauoberfläche enthalten ist und/oder freigesetzt wird. Der Grund dafür ist, dass, wenn das CVD-Prozessgas nicht hinreichend nahe an der Bauoberfläche enthalten ist oder freigesetzt wird, es schwierig oder sogar unmöglich sein würde, zu steuern, wo das zweite Material 282 abgeschieden wird. Es ist erforderlich, dass das CVD-Prozessgas nicht mehr als 2 cm weg von der Bauoberfläche freigesetzt wird, damit es hinreichend nahe ist, vorzugsweise 0,1 - 2 cm. Demgemäß kann der Beschichterarm 246 (2D) in manchen Ausführungsformen betreibbar sein, um die CVD-Einheit 280 in die Richtung 264 (2A-2C) oder die durch den Pfeil „Y“ in 2D angezeigte Richtung zu bewegen und zu positionieren. Zusätzlich ermöglicht eine Bewegung der CVD-Einheit 280 entlang der Länge des Beschichterarms 246 selbst (2D) (wie durch den Pfeil „X“ in 2D angezeigt) eine Bewegung und Positionierung in einer zweiten Richtung. Es ist wichtig, dass die Nähe der CVD-Einheit 280 an dem Beschichterarm 246 oder der Positioniereinheit 283 zu dem Pulverbett 243 sicherstellt, dass die CVD-Einheit 280 an dem Pulverbett 242 und der Bauoberfläche hinreichend nahe angeordnet ist. Eine Bewegung entlang der Länge des Beschichterarms 246 oder der Positioniereinheit 283 kann unter Verwendung eines Antriebsmotors und eines Linearantriebsmechanismus, eines Antriebsmotors und eines Antriebsriemens, eines elektrischen Schlitz-Motorantriebs oder eines Magnetschwebeantriebs ermöglicht werden.
2D zeigt eine Nahansicht der CVD-Einheit 280 gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. In einigen Aspekten kann der Beschichterarm 246 eine Beschichterklinge 510 aufweisen. In einigen Aspekten weist die CVD-Einheit 280 einen CVD-Prozessgaseinlass 520, ein Ventil/einen Aktuator 530, eine Gasdüse 560, einen oder mehrere Gaseinlassrohre 521, ein Gasauslassrohr 522 und Lichtbogenelektroden 540 auf. In einigen Aspekten verbinden das eine oder die mehreren Einlassrohre 521 die Gasdüse 560 mit einer Reaktionskammer, in der zum Beispiel ein CVD-Ausgangsmaterial bis zur Verdampfung erhitzt wird, wodurch ein CVD-Prozessgas erzeugt wird. In einigen Aspekten kann ein Trägergas verwendet werden, um das CVD-Prozessgas durch das eine oder die mehreren Gaseinlassrohre 521 zu der Gasdüse 560 zu führen. Geeignete Trägergase umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Wasserstoff, Helium, Stickstoff und Argon.
Das CVD-Prozessgas strömt durch das eine oder die mehreren Gaseinlassrohre 521, den Gaseinlass 520, das Ventil/den Aktuator 530 und die Gasdüse 560 durch die Lichtbogenelektroden 540 hindurch, aus der CVD-Einheit 280 heraus und auf wenigstens einen Abschnitt eines oder mehrerer verschmolzener oder verfestigter Bereiche der zuletzt verfestigten oder verschmolzenen Schicht aus Baumaterial in der Fertigung des Objektes 252 oder auf wenigstens einen Abschnitt eines oder mehrerer nicht verschmolzener oder nicht verfestigter Pulverbereiche in einer Pulverschicht aus Baumaterial in der Fertigung des Objektes 252. In einigen Aspekten können Lichtbogenelektroden 540 verwendet werden, um ein elektromagnetisches Feld zu generieren, um eine Zersetzung des eingespeisten CVD-Gases zu unterstützen, wobei effektiv ein plasmaverstärkter oder PECVD-Prozess erzielt wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein plasmaverstärkter CVD-Prozess unter Verwendung eines miniaturisierten spiralförmigen Resonators oder eines Elektronen-Zyklotron-Resonanz(EZR)-Plasmareaktors erzeugt oder verstärkt werden (z.B. durch Erhöhung der Plasmadichte). Beispiele für CVD-Systeme oder -Prozesse, die den spiralförmigen Resonator und den EZR-Plasmareaktor enthalten, sind in den US-Patentschriften Nr. 5,241,245; 5,304,282; und 5,183,685 beschrieben, die jeweils durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind.
2D zeigt das Gehäuse 550, das nicht nur als ein Rahmen dient, um den CVD-Prozessgaseinlass 520, das Ventil/den Aktuator 530, die Gasdüse 560 und die Lichtbogenelektroden 540 zu halten, sondern auch um das CVD-Prozessgas einzuschließen. Die Gasdüse 560, die sich unter dem Aktuator 530 und stromabwärts (das heißt von dem Gaseinlass 520 weg und in Richtung der Bauoberfläche) erstreckt, stellt sicher, dass das CVD-Prozessgas benachbart zu der Bauoberfläche freigesetzt wird.
2E zeigt den Abstand 595 zwischen dem Gehäuse 550 und der Bauoberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das CVD-Prozessgas 580, das aus der Gasdüse 560 austritt, zersetzt sich und lagert sich auf der Bauoberfläche ab, um das zweite Material 282 zu bilden; in einigen Aspekten kann die Zersetzung durch ein elektromagnetisches Feld unterstützt werden, das durch die Lichtbogenelektroden 540 generiert wird. Der kleine Zwischenraum 595, der zwischen der Unterseite des Gehäuses 550 und der Bauoberfläche vorhanden ist, ermöglicht einen Abstand für eine Bewegung der CVD-Einheit 280 sowie für das Inertgas 590, das durch die Bauumgebung strömt, um nicht umgesetztes CVD-Prozessgas 580 wegzufegen. In einigen Aspekten ist der Abstand 595 minimiert, um eine Leckage des nicht umgesetzten CVD-Prozessgases aus dem Gehäuse 550 heraus, in die Baukammer der Vorrichtung 240 hinein zu minimieren. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, dass der Beschichterarm 246 betreibbar ist, um die CVD-Einheit 280 weiter in eine dritte Richtung (zum Beispiel wie durch den Pfeil „Z“ in 2D angezeigt) zu bewegen und zu positionieren. Zusätzlich kann nicht umgesetztes CVD-Prozessgas über einen Pfad 570 und aus dem Gasauslassrohr 522 entweichen. In einigen Aspekten kann ein Entfernen nicht umgesetzten CVD-Prozessgases über das Gasauslassrohr 522 durch eine Vakuumpumpe und/oder eine Kühlfalle, um Dämpfe zu kondensieren, unterstützt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung 240 ohne Zwischenraum bzw. Abstand zwischen dem Gehäuse 550 und der Bauoberfläche betrieben werden, um so eine Vakuumumgebung für ein Vakuum-CVD-Verfahren zu schaffen oder um eine Leckage eines nicht umgesetzten CVD-Prozessgases aus dem Gehäuse 550 heraus, in die Baukammer der additiven Fertigungsvorrichtung 240 hinein zu minimieren.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Vorrichtung 240 mit einer CVD-Einheit 280 (vgl. 3A) ausgestattet sein. In einer zweiten Ausführungsform kann die CVD-Einheit 280 an einer Positioniereinheit, wie etwa der Positioniereinheit 283, angebracht sein. Nach der Bildung wenigstens eines verschmolzenen oder verfestigten Bereiches aus einem Baumaterial 253 während der Fertigung eines Objektes 252 scheidet die CVD-Einheit 280 durch CVD ein zweites Material 282 über wenigstens einem Abschnitt eines oder mehrerer der verschmolzenen oder verfestigten Bereiche der zuletzt verschmolzenen oder verfestigten Schicht des Objektes 252 (siehe 3A) ab. Alternativ kann die CVD-Einheit 280 durch CVD ein zweites Material 282 über wenigstens einem Abschnitt eines Pulvermaterials abscheiden, bevor dieses durch einen Mechanismus zur selektiven Verschmelzung oder Verfestigung wenigstens eines Abschnitts der Pulverschicht geschmolzen oder verfestigt wird. Der Mechanismus kann ein Energiestrahl von einer Energiequelle sein, die eine Laserquelle oder eine Elektronenstrahlquelle sein kann, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Mechanismus zur selektiven Schmelzung ein Binder-Jetting-Mechanismus sein. Die Vorrichtung 240, wie sie in 3A veranschaulicht ist, kann identische Merkmale mit derjenigen, die in 2A veranschaulicht ist, haben.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann die CVD-Einheit 280 an einer Positioniereinheit 283, wie etwa einem motorisierten Roboterarm, zum Beispiel dem Roboterarm 283 nach 3D, der von dem Beschichtermechanismus gesondert ist, angebracht sein, und die Positioniereinheit 283 ist vorzugsweise computergesteuert. In einer alternativen Ausführungsform kann die Positioniereinheit 283 eine Gantry, zum Beispiel eine X-Y-Z-Gantry, sein, wobei mehrere Schienen oder Querträger, Antriebsriemen, Antriebsspindeln und/oder eine kartesische Gantry verwendet werden kann, um die CVD-Einheit nahe an dem Pulverbett 242 zu positionieren. In noch weiteren alternativen Ausführungsformen kann die Positioniereinheit 283 ein Delta-Roboter, ein Kabelroboter, ein Riemenantrieb oder dergleichen sein.
Die CVD-Einheit 280 scheidet ein zweites Material, das eine chemische Substanz in der Dampfphase ist, auf wenigstens einen Abschnitt eines oder mehrerer verschmolzener oder verfestigter Bereiche einer zuletzt geschmolzenen oder verfestigten Schicht eines Baumaterials oder alternativ über wenigstens einem Abschnitt aus Pulvermaterial ab, bevor dieses durch einen Energiestrahl verschmolzen oder verfestigt wird. Die CVD-Einheit 280 kann verwendet werden, um jeden beliebigen chemischen Stoff in der Dampfphase abzuscheiden, der sich zur Verwendung in Verbindung mit der Vorrichtung 240 und dem Baumaterial eignet.
Chemische Stoffe, die sich zur Verwendung bei der CVD eignen, umfassen diejenigen mit gasförmigen Vorläufern, wie dies für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet bekannt ist. Geeignete zweite Materialien, die durch CVD abgeschieden werden können, sind in der Technik bekannt und umfassen diejenigen, ohne darauf beschränkt zu sein, die zum Beispiel in den Patentschriften US 3 565 676 A (Wolfram, Molybdän, Rhenium und Mischungen von diesen); US 3 656 995 A (Karbide, Nitride und Carbonitride von Bor, Silizium und den Übergangsmetallen der Gruppen IVB, VB und VIB des Periodensystems der Elemente); US 3 594 216 A (Nickel, Kupfer, Kobalt, Chrom, Eisen, Mangan, Palladium, Platin und Mischungen von diesen oder Legierungen von Eisen, Kobalt, Kupfer, Nickel und Chrom); US 5 656 329 A (epitaxiales Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Wolfram, Titannitrit, gemischte Metalloxide in der Perowskit-Phase); US 6 743 473 B1 (Metall, Metallnitrid, Metallcarbonitrid und Metallsiliziumnitridfilme, die die Metalle Hafnium und die Metalle der Gruppe VB von Vanadium, Tantal und Niob enthalten); US 6 475 902 B1 (Niobnitrid); und US 6 548 899 B2 (Siliziumnitrid, Titannitrit, Tantalnitrid, Tantaloxinitrid, Wolframoxinitrid, Siliziumoxinitrid und Mischungen von diesen sowie Siliziumdioxid) offenbart sind.
Geeignete CVD-Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Atmosphärendruck-CVD (APCVD), Niederdruck-CVD (LPCVD), Ultrahochvakuum-CVD (UHVCVD), Aerosol-unterstützte CVD (AACVD), CVD mit direkter Flüssigkeitsinjektion (DLICVD), Heißwand-CVD, Kaltwand-CVD, plasmagestützte Mikrowellen-CVD (MPCVD), plasmaverstärkte-CVD (PECVD), entfernte plasmaverstärkte CVD (RPECVD), Atomschicht-CVD (ALCVD), chemische Gasphasenabscheidung mit Verbrennung (CCVD), Heißfaden-CVD (HFCVD), hybride physikalisch-chemische Gasphasenabscheidung (HPCVD), metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), schnelle thermische CVD (RTCVD), Dampfphasenepitaxie (VPE) und photoinitiierte CVD (PICVD). In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Vorrichtungen zur PECVD während der AM. CVD-Verfahren sind in der Technik allgemein bekannt und zum Beispiel in den Patentschriften US 3 565 676 A ; US 3 656 995 A ; US 3 594 216 A ; US 5 656 329 A ; US 6 743 473 B1 ; US 6 475 902 B1 ; und US 6 548 899 B2 beschrieben.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung CVD-Vorrichtungen betreffen, die Lichtbogenelektroden enthalten (s. 2D, 2E, 3D und 3E), kann die CVD gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung auch ohne Elektroden durchgeführt werden. Geeignete Ausgangsmaterialien für die CVD der zweiten Materialien gemäß der vorliegenden Offenbarung sind in der Technik bekannt und können enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: verdampfte metallorganische Beta-Ketoamin-Chelate, wie etwa Nickel - Acetylacetonimid, Kupfer -Acetylacetonimid, Bisacetylacetonethylendiimin - Nickel (II), Bisacetylacetonethylendiimin - Kupfer (II), Bisacetylacetonimid - Nickel (II), Kobalt (II) - Acetylacetonimid, Bisacetylacetonimid - Kobalt (II), Bis-4-imin-2-pentanonat - Kobalt (II), Nickel (II) - Trifluoracetylacetonimid, Bis-2-imin-1,1,1-trifluor-4-pentanonat - Nickel (II), Nickel - Acetylaceton-1,2-propylendiimid, und Mischungen von diesen, um beispielsweise Legierungen durch CVD zu bilden. Diese Ausgangsmaterialien sind entweder kommerziell verfügbar oder können durch bekannte Verfahren, zum Beispiel diejenigen, die in der Patentschrift US 3 594 216 A offenbart sind, synthetisiert werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen eine lokale, bereichsweise CVD für ortsspezifische Abscheidung eines zweiten Materials, was Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet. Zum Beispiel vermeidet eine lokale, bereichsweise CVD eine Kontaminierung des gesamten Baubereiches oder des Baumaterials mit CVD-Vorläufern und/oder Trägergasen. Infolgedessen wird jede Notwendigkeit, die Prozesskammer zwischen Schichten zu spülen und/oder auszupumpen, beseitigt. Zusätzlich können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung die Fälschungsschutzmaßnahmen, eine integrierte Teilebeschichtung und die Erzeugung von Teilen mit gestufter Materialzusammensetzung ermöglichen.
In einigen Aspekten kann die CVD-Einheit verwendet werden, um ein zweites Material 282 mit gewünschten Eigenschaften, wie denjenigen zur Markierung, Identifizierung oder zu Fälschungsschutzzwecken und für zugehörige Detektionsverfahren abzuscheiden oder um dem hergestellten Objekt gewünschte Materialeigenschaften zu verleihen. In einigen Aspekten kann das zweite Material für Röntgenstrahlung undurchlässiger sein als das Baumaterial in dem verschmolzenen Zustand. In einigen Aspekten kann das zweite Material für Radioaktivität undurchlässiger sein als das Baumaterial in dem verschmolzenen Zustand. In einigen Aspekten kann das zweite Material ein radioaktiver Strahler sein, um eine Markierung der Teile zu ermöglichen. Vorzugsweise unterscheidet sich das zweite Material 282 für die CVD von dem additiven Baumaterial 253 hinsichtlich einer oder mehrerer physikalisch-chemischer Eigenschaften, von denen eine nicht erschöpfende Liste von Beispielen in der folgenden Erläuterung dargeboten ist. In einigen Aspekten kann das zweite Material eine andere Dichte als das Baumaterial in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand haben. In einigen Aspekten kann das zweite Material 282 eine andere Absorptionsenergie als das Baumaterial in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand, wie durch Computertomographie(CT)-Scannen gemessen wird, haben. In einigen Aspekten weist das zweite Material 282 andere mechanische Verschleißeigenschaften als das Baumaterial 253 in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand auf. In einigen Aspekten weist das zweite Material 282 eine größere Korrosionsbeständigkeit als das Baumaterial 253 in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand auf. Zusätzlich kann sich das zweite Material 282 für die CVD im Vergleich zu dem additiven Baumaterial 253 in dem verschmolzenen oder verfestigten Zustand hinsichtlich wenigstens eines von Infrarot (IR)-Emissionsvermögen, IR-Absorptionsvermögen oder - Reflexionsvermögen, Ultraviolett(UV)-Absorptionsvermögen oder -Reflexionsvermögen, sekundärem Röntgenstrahl-Emissionsenergieprofil, Neutronenstreuprofil, Oberflächenenergie, Reibungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, akustische Ausbreitungseigenschaften, Ermüdungswiderstand, Verschleißbeständigkeit, Tribologie, Oberflächeneigenschaften unterscheiden. In einigen Aspekten weist das zweite Material eine andere elektrische Leitfähigkeit als das Baumaterial auf.
In einigen Aspekten ist das zweite Material ein Kontrastmittel. Die Auswahl eines geeigneten Kontrastmittels hängt von der speziellen Anwendung und dem Baumaterial ab. Geeignete Kontrastmittel umfassen diejenigen, die mit jeglichen Materialien, die innerhalb der Baumaterialien enthalten sind (Aluminium, Kobalt, Nickel), nicht reagieren, und diejenigen, die selbst nicht in den Einsatzbaumaterialien enthalten sind. Materialien, die unter gewissen Umständen als Kontrastmittel bekannt sind, umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine hohe Ordnungszahl aufweisende Metalle (zum Beispiel Wolfram oder Osmium). Zum Beispiel kann Wolfram oder Osmium geeignete Röntgenstrahl-CT-Kontrastmittel für Aluminium oder Kobalt oder Nickel basierte Superlegierungen sein. Als ein weiteres Beispiel kann, falls das Baumaterial Kobalt-Chrom ist, ein geeignetes Kontrastmittel irgendein anderes Metall oder Nichtmetall sein.
In einigen Aspekten wird das zweite Material in einer einzigen Schicht abgeschieden. In einigen Aspekten wird das zweite Material durch CVD über mehrere Schichten abgeschieden, um ein 3D-Kontrastbild zu erhalten.
Die CVD-Einheit 280 kann in einigen Ausführungsformen an einer Positioniereinheit 283 (s. 3A) angebracht sein. Die Positioniereinheit 283 gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist in 3D veranschaulicht. Die in 3D veranschaulichte Pulverbettvorrichtung 240 kann identische Merkmale mit derjenigen, die in 2A veranschaulicht ist, haben. Alle Aspekte, die in Bezug auf die CVD-Einheit 280 beschrieben sind, die an dem Beschichterarm 246 angebracht ist (2A-2D), gelten in gleichem Maße für die CVD-Einheit 280, die an der Positioniereinheit 283 angebracht ist ( 3A-3D) .
Nachdem das zweite Material 282 abgeschieden worden ist, wird die Bauplatte 244 abgesenkt, und der Beschichterarm 246 verteilt eine nachfolgende Schicht des Baumaterials gleichmäßig über dem Pulverbett 242 und der zuletzt verschmolzenen oder verfestigten Schicht des Objektes 252 (vgl. 3B). In einigen Aspekten wird die nachfolgende Baumaterialschicht über dem abgeschiedenem zweiten Material 282 verteilt, und das abgeschiedene zweite Material 282 wird verschmolzen oder verfestigt oder wird verfestigen gelassen, bevor die nachfolgende Baumaterialschicht darüber verteilt wird. In einigen Aspekten wird keine nachfolgende Baumaterialschicht über dem abgeschiedenen zweiten Material 282 verteilt. In einigen Aspekten wird das zweite Material 282 über wenigstens einem Abschnitt des Pulvermaterials abgeschieden, bevor dieses verschmolzen oder verfestigt wird, wobei das abgeschiedene zweite Material 282 verschmolzen oder verfestigt oder verfestigen gelassen wird und das Pulvermaterial verschmolzen oder verfestigt wird. In einigen Aspekten kann eine nachfolgende Baumaterialschicht über der verschmolzenen oder verfestigten Schicht und das verschmolzene oder verfestigte abgeschieden zweite Material 282 verteilt werden.
Der Energiestrahl 270 sintert oder schmilzt eine Querschnittsschicht des Objektes 252, das gerade unter der Steuerung einer Bestrahlungsemissionsrichtvorrichtung, wie etwa eines Galvoscanners 262 (vgl. 3C) gebaut wird. Der Galvoscanner 262 kann zum Beispiel mehrere bewegbare Spiegel oder Abtastlinsen aufweisen. Die Geschwindigkeit, mit der der Laser gescannt wird, ist ein wichtiger steuerbarer Prozessparameter, der es beeinflusst, wie lange die Laserleistung auf einen bestimmten Punkt angewandt wird. Typische Laserscangeschwindigkeiten liegen in der Größenordnung von 10 bis 1000 mm pro Sekunde. Die Bauplattform 244 wird abgesenkt, und eine weitere Pulverschicht wird über dem Pulverbett und dem gerade gebauten Objekt verteilt, gefolgt von einem nachfolgenden Schmelzen / Sintern des Pulvers durch den Laser 250. Die Pulverschicht ist gewöhnlich zum Beispiel 10 bis 100 Mikrometer dick. Der Prozess wird wiederholt, bis das Objekt 252 aus dem geschmolzenen/gesinterten Pulvermaterial vollständig aufgebaut worden ist. Der Laser 250 kann durch ein (nicht veranschaulichtes) Computersystem gesteuert werden, das einen Prozessor und einen Speicher enthält. Das Computersystem kann ein Scanmuster für jede Schicht bestimmen und den Laser 250 steuern, um das Pulvermaterial gemäß dem Scanmuster zu bestrahlen. Nachdem die Herstellung des Objektes 252 abgeschlossen ist, können verschiedene Nachbearbeitungsprozeduren auf das Objekt 252 angewandt werden. Die Nachbearbeitungsprozeduren umfassen ein Entfernen eines überschüssigen Pulvers zum Beispiel durch Ausblasen oder Absaugen. Weitere Nachbearbeitungsprozeduren umfassen einen Spannungsabbauprozess. Zusätzlich können thermische und chemische Nachbearbeitungsprozeduren verwendet werden, um das Objekt 252 fein zu bearbeiten.
Die Energiequelle kann eine Strahlung mit einer beliebigen Wellenlänge ausstrahlen, die sich zur Verwendung in additiven Druckverfahren eignet, wie dies für Fachleute auf dem Gebiet bekannt ist. In einigen Aspekten kann die Energiequelle ein Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls sein. In einigen Aspekten kann die Energiequelle eine Elektronenstrahlquelle, wie etwa ein Glühfaden, sein, der Elektronen emittiert, wenn ein Strom ihn durchfließt.
Wie in den 3A-3C veranschaulicht, kann die CVD-Einheit 280 vorteilhafterweise an einer Positioniereinheit 283 angebracht sein, um eine zwei- oder dreidimensionale Bewegung der CVD-Einheit 280 um die Bauumgebung zu ermöglichen.
Die CVD-Einheit 280 kann an einer Positioniereinheit 283, wie etwa einem motorisierten Roboterarm, zum Beispiel dem Roboterarm 283 nach 3D, der von dem Beschichterarm 246 gesondert ist, angebracht sein, und die Positioniereinheit 283 ist vorzugsweise computergesteuert. In einer alternativen Ausführungsform kann die Positioniereinheit 283 eine Gantry, zum Beispiel eine X-Y-Z-Gantry, sein, wobei mehrere Schienen oder Querträger, Antriebsriemen, Antriebsspindeln und/oder eine kartesische Gantry verwendet werden kann, um die CVD-Einheit nahe an dem Pulverbett 242 zu positionieren. In noch weiteren alternativen Ausführungsformen kann die Positioniereinheit 283 ein Delta-Roboter, ein Kabelroboter, ein Riemenantrieb oder dergleichen sein. Eine Bewegung der CVD-Einheit 280 mit der Positioniereinheit 283 entlang der Schiene 670 ermöglicht eine Bewegung und Positionierung der Positioniereinheit 283 in einer Richtung (wie zum Beispiel durch den Pfeil „X“ in 3D angezeigt). In einer Ausführungsform ist der Mechanismus, um diese Bewegung zu ermöglichen, ein Lineargetriebe und ein Motor. In einer weiteren Ausführungsform ist dieser Mechanismus ein Motor, der an der Positioniereinheit 283 und/oder der Schiene 670 in Verbindung mit einem Antriebsriemen montiert ist, der an der CVD-Einheit 280 und/oder der Positioniereinheit 283 angebracht ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Bewegungsmechanismus ein elektrischer Schlitzmotor oder ein Magnetschwebeantrieb. Die Bewegung der Bauoberfläche ermöglicht eine Bewegung in einer dritten Dimension (der durch den Pfeil „Z“ in 3D angezeigten Richtung). Eine Bewegung der Schiene 670 entlang der Seitenwände 675 ermöglicht eine Bewegung und Positionierung der CVD-Einheit 280 in einer zweiten Richtung (wie zum Beispiel durch den Pfeil „Y“ in 3D angezeigt). Ein oder mehrere ähnliche Mechanismen können vorhanden sein, um eine Bewegung der Schiene 670 entlang der Seitenwände 675 zu ermöglichen. Außerdem ist das Gehäuse 650 positioniert, um einen kleinen Zwischenraum bzw. Abstand zwischen der unteren Kante des Gehäuses und der Bauoberfläche zu schaffen, um so ein Spiel für eine Bewegung sowie für das Inertgas zu ermöglichen, das durch die Bauumgebung strömt, um ein nicht umgesetztes CVD-Prozessgas wegzufegen. Demgemäß kann es vorteilhaft sein, dass die Positioniereinheit 283 betreibbar ist, um die CVD-Einheit 280 in eine dritte Richtung (wie zum Beispiel durch den Pfeil „Z“ in 3D angezeigt) zu bewegen und zu positionieren.
Ein zentraler Aspekt der Erfindung ist die Notwendigkeit, dass das CVD-Prozessgas irgendwie nahe an der Bauoberfläche enthalten ist und/oder freigesetzt wird. Der Grund dafür ist, dass, wenn das CVD-Prozessgas nicht hinreichend nahe an der Bauoberfläche begrenzt ist oder freigesetzt wird, es schwierig oder sogar unmöglich sein würde, zu steuern, wo das zweite Material 282 abgeschieden wird. Es ist erforderlich, dass das CVD-Prozessgas nicht mehr als 2 cm weg von der Bauoberfläche freigesetzt wird, um hinreichend nahe zu sein, vorzugsweise 0,1 - 2 cm. Demgemäß kann die Positioniereinheit 283 (3D) in bestimmten Ausführungsformen betreibbar sein, um die CVD-Einheit 280 in die Richtung zu bewegen, die durch den Pfeil „Y“ in 3D angezeigt ist. Zusätzlich ermöglicht eine Bewegung der CVD-Einheit 280 entlang der Schiene 670 ( 3D) (wie zum Beispiel durch den Pfeil „X“ in 3D angezeigt) eine Bewegung und Positionierung in eine zweite Richtung. Es ist wichtig, dass die Nähe der CVD-Einheit 280 an der Positioniereinheit 283 zu dem Pulverbett 242 sicherstellt, dass die CVD-Einheit 280 hinreichend nahe an dem Pulverbett 242 und der Bauoberfläche angeordnet ist. Eine Bewegung entlang der Länge der Positioniereinheit 263 (oder der Schiene 670) kann unter Verwendung eines Antriebsmotors und eines Lineargetriebemechanismus, eines Antriebsmotors und eines Antriebsriemens, eines elektrischen Schlitz-Motorantriebs oder eines Magnetschwebeantriebs ermöglicht sein.
3D zeigt eine Nahansicht der CVD-Einheit 280 gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. In einigen Aspekten weist die CVD-Einheit 280 einen CVD-Prozessgaseinlass 620, ein Ventil/einen Aktuator 630, eine Gasdüse 660, ein oder mehrere Gaseinlassrohre 621, ein Gasauslassrohr 622 und Lichtbogenelektroden 640. In einigen Aspekten verbindet das eine oder verbinden die mehreren Einlassrohre 621 die Gasdüse 660 mit einer Reaktionskammer, in der zum Beispiel ein CVD-Ausgangsmaterial bis zur Verdampfung erhitzt wird, wodurch ein CVD-Prozessgas erzeugt wird. In einigen Aspekten kann ein Trägergas verwendet werden, um das CVD-Prozessgas durch das eine oder die mehreren Gaseinlassrohre 621 bis zu der Gasdüse 660 zu führen. Geeignete Trägergase umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Wasserstoff, Helium, Stickstoff und Argon.
Das CVD-Prozessgas strömt durch das eine oder die mehreren Gaseinlassrohre 621, den Gaseinlass 620, das Ventil/den Aktuator 630 und die Gasdüse 660 durch die Lichtbogenelektroden 640 hindurch, aus der CVD-Einheit 280 heraus und auf wenigstens einen Abschnitt eines oder mehrerer verschmolzener oder verfestigter Bereiche der zuletzt verfestigten oder verschmolzenen Schicht aus Baumaterial in der Fertigung des Objektes 252 oder auf wenigstens einen Abschnitt eines oder mehrerer nicht vermolzener oder nicht verfestigter Pulverbereiche in einer Pulverschicht aus Baumaterial in der Fertigung des Objektes 252. In einigen Aspekten können Lichtbogenelektroden 640 verwendet werden, um ein elektromagnetisches Feld zu generieren, um eine Zersetzung des eingespeisten CVD-Gases zu unterstützen, wobei effektiv ein plasmaverstärkter oder PECVD-Prozess erzielt wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein plasmaverstärkter CVD-Prozess unter Verwendung eines miniaturisierten spiralförmigen Resonators oder eines Elektronen-Zyklotron-Resonanz(EZR)-Plasmareaktors erzeugt oder verstärkt werden (z.B. durch Erhöhung der Plasmadichte). Beispiele für CVD-Systeme oder -Prozesse, die den spiralförmigen Resonator und den EZR-Plasmareaktor enthalten, sind in den US-Patentschriften Nr. 5,241,245; 5,304,282; und 5,183,685 beschrieben, die jeweils durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind.
3D zeigt das Gehäuse 650, das nicht nur als ein Rahmen dient, um den CVD-Prozessgaseinlass 620, das Ventil/den Aktuator 630, die Gasdüse 660 und die Lichtbogenelektroden 640 zu halten, sondern um auch das CVD-Prozessgas einzuschließen. Die Gasdüse 660, die sich unter dem Aktuator 630 und stromabwärts (das heißt von dem Gaseinlass 620 weg und in Richtung der Bauoberfläche) erstreckt, stellt sicher, dass das CVD-Prozessgas benachbart zu der Bauoberfläche freigesetzt wird.
3E zeigt den Abstand 695 zwischen dem Gehäuse 650 und der Bauoberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das CVD-Prozessgas 680, das aus der Gasdüse 660 austritt, zersetzt sich und scheidet sich auf der Bauoberfläche ab, um das zweite Material 282 zu bilden; in einigen Aspekten kann eine Zersetzung durch ein elektromagnetisches Feld unterstützt werden, das durch die Lichtbogenelektroden 640 erzeugt wird. Der kleine Abstand bzw. Zwischenraum 695, der zwischen der Unterseite des Gehäuses 650 und der Bauoberfläche vorhanden ist, ermöglicht ein Spiel für eine Bewegung der CVD-Einheit 280 sowie für das Inertgas 690, das durch die Bauumgebung strömt, um ein nicht umgesetztes CVD-Prozessgas 680 wegzufegen. In einigen Aspekten ist der Zwischenraum bzw. Abstand 695 minimiert, um eine Leckage eines nicht umgesetzten CVD-Prozessgases aus dem Gehäuse 650 heraus, in die Baukammer der Vorrichtung 240 hinein zu minimieren. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, dass die Positioniereinheit 283 betreibbar ist, um die CVD-Einheit 280 weiter in eine dritte Richtung (wie zum Beispiel durch den Pfeil „Z“ in 3D angezeigt) zu bewegen und zu positionieren. Zusätzlich kann nicht umgesetztes CVD-Prozessgas über einen Pfad 670 und aus dem Gasauslassrohr 622 entweichen. In einigen Aspekten kann das Abführen des nicht umgesetzten CVD-Prozessgases über das Gasauslassrohr 622 durch eine Vakuumpumpe und/oder eine Kühlfalle, um Dämpfe zu kondensieren, unterstützt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung 240 ohne Zwischenraum bzw. Abstand zwischen dem Gehäuse 650 und der Bauoberfläche betrieben werden, um so eine Vakuumumgebung für ein Vakuum-CVD-Verfahren zu schaffen oder um eine Leckage des nicht umgesetzten CVD-Prozessgases aus dem Gehäuse 650 heraus, in die Baukammer der additiven Fertigungsvorrichtung 240 hinein zu minimieren.
In einigen Ausführungsformen ist der Mechanismus zum Schmelzen des Baumaterials ein Binder-Jetting-Mechanismus, in dem ein Bindemittelmaterial auf ausgewählte Bereiche oder ein Pulvermaterial aufgebracht wird, um eine Schicht eines gebundenen Pulvermaterials in den ausgewählten Bereichen zu erzeugen. In derartigen Ausführungsformen kann der Mechanismus zum Verschmelzen des Baumaterials ein Sprühen des Baumaterials mit einem Bindermaterial umfassen. In derartigen Ausführungsformen enthält die Vorrichtung zur additiven Fertigung einen Mechanismus zum Verschmelzen des Baumaterials durch Binder Jetting, wie etwa, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Bindermaterial-Sprühdüse, entweder zusätzlich zu einer Energiequelle oder anstelle dieser. Das Binder Jetting gemäß der vorliegenden Offenbarung kann unter Verwendung beliebiger geeigneter Verfahren, Materialien und/oder Vorrichtungen, wie sie in der Technik bekannt sind, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, derjenigen, die in der Offenlegungsschrift US 2002/ 0 106 412 A1 und der Patentschrift US 5 387 380 A offenbart sind, durchgeführt werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme können mit einem beliebigen Baumaterial verwendet werden, das sich zur Verwendung beim additiven Drucken eignet, wie dies für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet bekannt ist. In einigen Aspekten ist das Baumaterial ein Metallpulver. In einigen Aspekten ist das Baumaterial Kobalt-Chrom. In einigen Aspekten ist das Baumaterial ein Polymer, eine keramische Aufschlämmung, eine metallische Aufschlämmung oder ein Metallpulver. In einigen Aspekten ist das Polymer pulverförmiges Polymer.
Die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung können in Verbindung mit in der Technik bekannten additiven Druckverfahren verwendet werden, zu denen einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, direktes Metall-LaserSchmelzen (DMLM), Schmelzabscheidung (FDM, fused deposition modeling), Stereolithografie (SLA), selektives Laserschmelzen (SLM), Binder Jetting und pulverbasierte Prozesse gehören. In einigen Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Objektes unter Verwendung von DMLM gerichtet. In einigen Aspekten können die Verfahren und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit DMLM-Verfahren verwendet werden, die den Bau wenigstens einer Schicht einer Kammerwand, Bereitstellung einer Pulverschicht innerhalb der wenigstens einen Schicht einer Kammerwand durch Führung eines Beschichterarms über die Pulverschicht, Bestrahlung der Pulverschicht, um einen geschmolzenen Bereich zu bilden, und anschließendes Wiederholen, bis das Objekt innerhalb der Kammerwand gebildet ist, aufweisen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der bevorzugten Ausführungsformen, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten. Aspekte der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen sowie anderer bekannter Äquivalente für jeden derartigen Aspekt können durch einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet miteinander vermischt und aneinander angepasst werden, um weitere Ausführungsformen und Techniken gemäß Prinzipien dieser Anmeldung zu schaffen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) während additiver Fertigungs(AM)-Prozesse. Derartige Verfahren und Vorrichtungen können verwendet werden, um chemische Signaturen in hergestellte Objekte einzubetten, und derartige eingebettete chemische Signaturen können bei Fälschungsschutzmaßnahmen und in der Fertigung von Objekten mit mehreren Materialien Verwendung finden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Objektes (252), das aufweist: (a) Schmelzen wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht aus Baumaterial, um wenigstens einen geschmolzenen Bereich zu bilden; (b) Bereitstellen einer nachfolgenden Schicht aus Baumaterial auf einer Bauoberfläche; (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b), bis das Objekt (252) gebildet ist; und (d) wenigstens einen Schritt der Abscheidung eines zweiten Materials (282) durch chemische Gasphasenabscheidung während der Bildung des Objektes (252), wobei in dem Schritt (d) Dampf freigesetzt und nahe der Bauoberfläche abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden des zweiten Materials (282) unter Verwendung einer CVD-Einheit (280) zur chemischen Gasphasenabscheidung durchgeführt wird, die unabhängig von einem Schmelzmechanismus (250, 262) bewegbar ist, der zur Bildung des wenigstens einen geschmolzenen Bereiches verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmelzen wenigstens eines Abschnitts einer gegebenen Schicht aus Baumaterial ein Verfestigen des Baumaterials oder Verkleben des Baumaterials mit einem Binder (Binder Jetting) aufweist; und/oder wobei das Verfestigen des Baumaterials ein Schmelzen eines Metallpulvers oder Polymerisieren des Baumaterials aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Baumaterial ein Polymer, eine keramische Aufschlämmung, eine metallische Aufschlämmung oder ein Metallpulver ist; und/oder wobei das zweite Material (282) undurchlässiger für Röntgenstrahlung ist, undurchlässiger für Radioaktivität ist, eine andere Absorptionsenergie in dem verschmolzenen Zustand, gemessen durch Computertomographie(CT)-Scannen, aufweist, andere mechanische Verschleißeigenschaften aufweist, eine größere Korrosionsbeständigkeit aufweist, ein anderes Infrarot(IR)-Emissionsvermögen aufweist, ein anderes IR-Absorptionsvermögen oder -Reflexionsvermögen aufweist, ein anderes Ultraviolett(UV)-Absorptionsvermögen oder -Reflexionsvermögen aufweist, ein anderes sekundäres Röntgenstrahl-Emissionsenergieprofil aufweist, ein anderes Neutronenstreuprofil aufweist, eine andere Oberflächenenergie aufweist, einen anderen Reibungskoeffizienten aufweist, eine andere Wärmeleitfähigkeit aufweist, andere akustische Ausbreitungseigenschaften, eine andere Ermüdungsbeständigkeit aufweist, eine andere Verschleißbeständigkeit aufweist, eine andere Tribologie aufweist, eine andere elektrische Leitfähigkeit aufweist, andere Oberflächeneigenschaften aufweist als das Baumaterial in dem verschmolzenen Zustand oder eine andere Dichte als das Baumaterial in dem verschmolzenen Zustand aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1-3, wobei das zweite Material (282) durch plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird, und wobei das Plasma durch wenigstens ein Mittel erzeugt und/oder verstärkt wird, das aus zwei oder mehreren Lichtbogenelektroden (540), einem spiralförmigen Resonator oder einem Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Plasmareaktor ausgewählt ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1-3, wobei im Schritt der Dampf bei nicht mehr als 15 cm von dem wenigstens einen Abschnitt einer oder mehrerer der Schichten aus Baumaterial entfernt enthalten ist oder freigesetzt wird.
Vorrichtung (240) zur Bildung eines Objektes (252) durch additive Fertigung, die aufweist: wenigstens eine Schmelzquelle (250) und einen Schmelzmechanismus (262) zum Schmelzen eines Baumaterials zur schichtweisen Bildung des Objektes (252) und eine chemische Gasphasenabscheidungs(CVD)-Einheit (280) zur Abscheidung eines zweiten Materials (282) durch chemische Gasphasenabscheidung während der Bildung des Objektes (252), wobei die CVD-Einheit (280) in wenigstens zwei Dimensionen bewegbar und eingerichtet ist, um Dampf freizusetzen und nahe an der Bauoberfläche abzuscheiden; dadurch gekennzeichnet, dass die CVD-Einheit (280) unabhängig von dem Schmelzmechanismus (262) bewegbar ist, der zum Schmelzen des Baumaterials zur schichtweisen Bildung des Objektes (252) verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schmelzquelle (250) eine Elektronenstrahlquelle oder eine Laserquelle ist, und wobei die Schmelzquelle (250) zum Binder Jetting eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die CVD-Einheit (280) aufweist: wenigstens eine Plasmaquelle, die aus zwei oder mehreren Lichtbogenelektroden (540), einem spiralförmigen Resonator oder einem Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Plasmareaktor ausgewählt ist; wenigstens einen Gaseinlass (520); und wenigstens eine Gasdüse (560), die sich von dem wenigstens einen Gaseinlass (520) weg erstreckt; wobei die CVD-Einheit (280) vorzugsweise ferner ein Gehäuse (550) aufweist, das die wenigstens eine Plasmaquelle, den wenigstens einen Gaseinlass (520) und die wenigstens eine Gasdüse (560) einschließt.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 6-8, die ferner einen Beschichtermechanismus aufweist, der einen Beschichterarm (246) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die CVD-Einheit (280) an dem Beschichterarm (246) oder an einer Positioniereinheit (283) positioniert ist.