JP2020514957A - 荷電粒子ビームを使用した積層造形に関する改善 - Google Patents

Abstract

荷電粒子ビームを使用した積層造形に関する改善。荷電粒子ビーム（１０３）を使用して金属粉末床（１２３）内の金属粉末（１２２）を融合させて生成物を層ごとに形成する積層造形における電荷緩和の方法が提供される。この方法は、荷電粒子ビームを形成し、荷電粒子ビームを金属粉末の粉末床に入射するように誘導し、粉末を所望の層形状へと融合させるために粉末床にわたって走査すべく、荷電粒子ビーム光学システムを使用する段階を含む。この方法は、荷電粒子ビームを誘導している間に、荷電粒子ビームの近傍に荷電粒子とは反対の電荷の中和粒子を生成し、中和粒子が粉末床の粉末の荷電粒子へと引き付けられるように、中和粒子源（１６０）を使用する段階を含む。積層造形装置（１００）もまた提供される。

Description

本発明は、電子ビームまたは荷電粒子積層造形における、金属粉末での電荷制御に関する。

積層造形とは、３次元物品を形成すべく、材料が複数の層として基板に選択的に堆積される製造プロセスである。このプロセスに使用される最も有名な技術のうちの１つは、粉末（通常は金属またはプラスチック）の薄層が、レーザまたは電子ビームのようなエネルギー源によって選択的に溶融される、粉末床溶融結合である。粉末層の溶融された領域は、物品の断面部分を形成し、他方、この層中の溶融されない粉末は廃棄され、通常、プロセスの最後にリサイクルされる。この層が選択的に溶融された後で、完成した物品が層ごとに構築されるように、粉末の新たな層が堆積され、次に、また選択的に溶融される。

本発明は、電子ビームによって加熱された金属粉末を使用した積層造形に主に関するものの、正に帯電したイオンのようなその他の荷電種が、金属粉末床を加熱するために使用されてよい。電子光学アセンブリが電子ビームを提供する。電子光学アセンブリは、電子源、並びに、電子ビームを形成し、調整し、誘導するための電場および／または磁場を含む。一般に、電子ビームは、粉末床にわたってパターンが走査または追跡され得るように、粉末床にわたって電子ビームを走査するように制御される電磁偏向器を使用して誘導される。同様な装置が、荷電粒子ビームを生成し、調整し、誘導するために使用されてよい。

電子ビームが粉末床にわたって走査されるに連れて、粉末中へとエネルギーが堆積され、その温度を上げる。最上層内の粉末粒子が一緒に融合するように、そして、最上層内の粉末粒子が前の層ともまた融合し、それにより固形生成物を形成するように、金属粉末の完全な溶融を確実にすべく、電子ビームに対する露出が慎重に制御される。

金属粉末は、通常、金属合金であり、様々な材料が積層造形に使用されてきた。アルミニウム合金およびチタン合金の両方が、それらの望ましい材料特性に起因して使用されているものの、これらの両方の材料は、酸化しやすく、絶縁性または半絶縁性の粉末になりやすいという欠点に両方とも悩まされている。この絶縁性または半絶縁性の状態にある場合、負に帯電した電子ビームの照射は、金属粉末粒子自身を帯電させ、その電荷またはそれらの一部を維持させる。正に帯電した粒子によって照射された場合にも、金属粉末粒子が負電荷よりもむしろ正味で正電荷を得るものの、同様な効果が生じる。

電荷の蓄積が増大するに連れて、空間電荷効果に起因して金属粉末粒子が互いに反発し、粉末床上に、または粉末床と共に、帯電した金属粒子のクラウドまたは領域を形成し得る。さらに、電子ビーム処理に必要な真空条件下では、帯電した金属粒子は、クーロン反発に起因して自由に移動する。真空チャンバ内では、通常、圧力は１０^−３から１０^−６ｍｂａｒに維持されてよい。従って、可動性の帯電した金属粒子は、真空チャンバの周りを移動するが、これは、電子光学アセンブリへと移動することを含み、そこで電子光学アセンブリに悪影響を及ぼしかねない。さらに、荷電粒子は、通常は−６０ｋＶのような高電圧に保持されているであろう電子または荷電粒子源まで電子光学アセンブリの上部に移動し得る。電子光学アセンブリのこの領域へと金属性の粒子を導入することは、高電圧アーク放電を生じさせ、電子または荷電粒子放出器または高電圧電源自身を損傷させる可能性があるだろう。これらの金属粒子のカラムをきれいにするために、かなりの停止時間が必要である。実際に機械が依然として機能しているとしても、製造プロセスを継続することは低品質のパーツにつながりかねない。

第１の態様から、本発明は、荷電粒子ビームを使用して金属粉末床内の金属粉末を融合させて生成物を層ごとに形成する積層造形における電荷緩和の方法に存在する。この方法は、荷電粒子ビームを形成し、金属粉末の粉末床に入射するように荷電粒子ビームを誘導し、粉末を所望の層形状へと融合させるために粉末床にわたって走査すべく荷電粒子ビーム光学システムを使用する段階を含む。

この方法は、荷電粒子ビームを誘導する間に、荷電粒子ビームおよび／または粉末床の近傍に荷電粒子とは反対の電荷を持つ中和粒子を生成するための中和粒子源を使用する段階をさらに含む。例えば、荷電粒子ビームは正に帯電したイオンビームであってよく、中和粒子は電子であってよい。しかしながら、本発明のこの概要の以下の段落においては、荷電粒子ビームは電子ビームであることが仮定されており、中和粒子は正イオンであることが仮定されている。当業者は、以下の記載が、荷電粒子ビームが正に帯電したイオンビームであり、中和粒子が電子であるような代替的な装置に対して適応され得ること、および、本発明が本質的に同様に機能し、同じ利点を提供するであろうことを理解するだろう。

正イオンは、電子ビームおよび負に帯電した粉末の負の空間電荷へと引き付けられるだろう。電子ビームは、中和粒子源として作用するイオン源によって生成される可動性の正イオンを引き付け、捕捉する空間電荷を生成するものとみなされ得る。これらの「捕捉された」正イオンは、次に、電子ビームに沿って、相対的に負の電位に向かって移動するだろう。上述したように、粉末床に衝突する電子ビームは、粉末床中に、そして、潜在的には粉末床の近傍に、負に帯電した粉末粒子の領域を生成する。従って、正イオンは、電子ビームの管を通じて、および／または、ターゲットへと直接移動することによって、負に帯電した粉末粒子へと引き付けられるだろう。そこで、この負電荷の一部または全てを中和するのに役立つ。これは、次に、電子ビームに起因する負電荷の悪影響を軽減するのに役立ち、粉末粒子を、クーロン相互作用によってそれらが可動性になる電場しきい値以下に保つ。イオン源が正イオンを生成するレートは、負に帯電した粉末粒子の生成のレートとのバランスを保つことを支援すべく調整されてよい。

任意で、イオン源は、不活性ガス、例えば、ヘリウムまたはアルゴンのような不活性ガスの正イオンを生成するために使用される。これは、中和された不活性ガスが真空システムによってポンプで取り除かれ得るので、生じる金属生成物の金属格子の格子間汚染を起こさせないという利点を有する。

電荷制御は、本明細書ではプラズマフラッド源としてもまた呼ばれる、プラズマ源を使用するもののようなガス放電イオン源を使用して、または、イオンを生成するための放電を使用して達成されてよい。低エネルギーイオンが放電チャンバ中で生成される。ガス、通常はアルゴンまたはヘリウムが、低エネルギーイオンを供給することのできる閉鎖空間に封じ込められたプラズマをもたらす放電を持続させるために使用される。プラズマから発する正イオンは、正イオンのエネルギーを増加させるためにわずかに正の電位にバイアスされてよいソースからドリフトする。そして、それらの正イオンが捕捉される電子ビームの負の空間電荷へと引き付けられる、および／または、帯電した粉末粒子へと直接引き付けられる。正イオンは、負の電位に向かって移動しやすい。イオン源にて生成されたイオンは、このように、粉末の酸化物層と相互作用する電子ビームによって生成された負の電位に向かって引き寄せられる。それにより、このプロセスは、処理されている粉末に対して要求に応じて低エネルギーイオンを提供する。イオンエネルギーは、プラズマ源のバイアス電位によって制御され、粉末の融合プロセスを妨げないようにしつつ、帯電した粉末床に対するイオンのフラックスを最大化するように選択されてよい。

イオン源は、正イオンを生成するために動作されるガス放電イオン源であってよい。閉じ込め磁石が、アルゴンまたはヘリウムのようなソースガスから生成されたプラズマを閉じ込めるために使用されてよい。わずかに正の電位、または負の電位さえも、プラズマ電位によって設定されたエネルギーを有するプラズマ境界から逃れてきた後のイオンエネルギーを制御し、真空チャンバの本体へと移動させるために印加されてよい。正イオンは、次に、電子ビームの負の空間電荷電位に向かって移動し、電子ビームを遮断してよい。この構成において、正イオンはまた、ソースを出て、その負電荷が正イオンを引き付けるであろう粉末床へと直接移動する。イオン源は、ＤＣ磁場を利用し、プラズマ源のフィラメントを流れるＤＣ電流を有するＤＣプラズマ源であってよい。磁気閉じ込めおよびプラズマ生成のためのＤＣソースの使用は、電子ビームを偏向させ、電子ビームが走査されているときの書込みエラーを引き起こし得るという、時間的に変化する磁場および電場が電子ビームに及ぼすであろう効果を最小化する。

粉末床中および粉末床上の粉末粒子によって生じる負の電位に加え、電子光学システム、特に、電子源に印加される加速電圧に起因して、さらなる負の電位が生じ得る。これは、電子ビーム中の電子を、電子源から離れ、粉末床に向かうように加速すべく、電子光学システムがかなりの負の電位に保持されるからである。介入無しに、電子ビーム内に捕捉された正イオンは、また、電子源に向かって移動し、電子源の電子放出器に対して衝突損傷を引き起こし、性能を劣化させかねない。これを防止すべく、この方法は、イオン源の上流において正電位を設定するための電極を使用する段階を含んでよく、それにより、電極を越えて電子光学システムへと正イオンが移動することを防止する。

この方法は、制御信号を使用して電子ビームを誘導する段階を含んでよい。この制御信号は、例えば、粉末床における所望の層形状をトレースおよび充填するために、電子ビームを、予め定められた一連の位置を通って走査されるようにさせてよい。制御信号は、イオン源によって生じる電子ビームの乱れを補償するための補正を受けたものであってよい。例えば、プラズマ閉じ込めを達成するために、イオン源に関連する磁場が電子ビームを偏向させてよい。また、イオン源中の導線を通り抜ける電流、例えば、ＤＣプラズマ源のフィラメント電流が、電子ビームを偏向させる磁場を生成してよい。

電子ビームのその意図された経路からの偏向は、プラズマ封じ込め磁石によって生成された磁場および電場、並びに、イオン源の高い励磁電流に由来し得る。これらの効果が生じる場合、それらは、概して、電子ビームの位置変化およびビーム品質（例えば、電子ビームの形状および／またはフォーカス）の変化の両方を含むだろう。多くの装置において、これらの効果は、電子ビームと生成された磁場および電場との相対位置に対する依存性を有するだろう。つまり、それらは、粉末床にわたる電子ビームの偏向された位置に対する依存性を有するだろう。

これらの効果は、イオン源の動作条件に対する依存性もまた有するであろうし、較正および補正の方式によって軽減されてよい。例えば、制御信号に適用される補正は、粉末床における与えられた所望の電子ビーム位置に対して必要な補正を提供するルックアップテーブルから得られてよい。較正は、粉末床における電子ビーム位置に対して観察される値と予想される値との間の差を、様々な電子ビーム偏向およびイオン源動作条件にわたって測定することによって達成され得る。較正の間、イオン源が動作している間に、電子ビームは、粉末床における一連の予想される電子ビーム位置を通って走査されてよい。走査の間、予想される電子ビーム位置のそれぞれに対する、粉末床における電子ビームの対応する実際の位置が測定される。予想される電子ビーム位置と実際の電子ビーム位置の各ペアの間の差が、イオン源によって生じる偏向およびディストーションを効果的に相殺する補正を計算するために使用されてよい。そのようにして見出されたこれらの補正は、ルックアップテーブルに格納されてよい。これらの補正は、生成物が形成されているときに適用されてよい。例えば、補正は、電子ビーム光学システムにおける偏向、フォーカス、および非点補正値に適用されてよく、横方向のビーム偏向、プラズマ源フィラメント電流、およびターゲット偏向値のような動作条件に基づくものであってよい。上述のように、これを実現するための簡便な手法は、偏向値によってインデックスが付されてよいルックアップテーブル（ＬＵＴ）による。その他の方法もまた利用可能である。

第２の態様から、本発明は、電子光学アセンブリを含む積層造形装置に存在する。電子光学アセンブリは、電子源、電子源によって提供される電子からビームを形成するように動作可能な電子ビーム形成装置、および、電子ビーム形成装置によって形成された電子ビームを誘導するように動作可能な電子ビーム誘導装置を含む。この積層造形装置は、粉末を吐出（dispense）するように動作可能な少なくとも１つのホッパ、および、少なくとも１つのホッパによって電子ビームを受け取るための粉末床を画定する体積で吐出された粉末を受け取るように配置されたテーブルをさらに含む。電子ビーム誘導装置は、粉末床にわたって電子ビームを走査するように動作可能である。この積層造形装置は、粉末床に入射される前に電子ビームが通り抜ける真空チャンバ、並びに、正イオンが電子ビームおよび／または負に帯電した粉末粒子へ引き付けられるように、電子ビームおよび／または粉末床の近傍においてチャンバ中に正イオンを提供するように動作可能なイオン源をさらに含む。

積層造形装置のその他の任意の特徴が、添付の請求項に記載される。

本発明がより容易に理解され得るように、ここで、単なる例として、添付の図面に対する参照が成されるだろう。
これによって本発明が使用され得る積層造形装置を示す。 本発明の実施形態に係る、電子ビームを提供し、電子ビームを走査するように動作可能な電子光学アセンブリの概略図であり、側面図に対応する。 本発明の実施形態に係る、電子ビームを提供し、電子ビームを走査するように動作可能な電子光学アセンブリの概略図であり、図２ａの線Ｂ−Ｂを通る図に対応する。 イオン放電またはプラズマ源の概略図である。 イオン源によって生成された正イオンがどのように電子ビームおよび金属粉末１２２と相互作用し得るかの概略図である。 プラズマ源によって生じるイオンビームの偏向を補償すべく付加製造装置を較正する方法を示す。 プラズマ源によって生じる電子ビームの偏向を補償することを含む、付加製造装置を動作させる方法を示す。

図１は、本発明の実施形態が実装され得る積層造形装置１００を示す。図１に示される装置１００は、電子ビームを使用して、金属粉末から生成物を積層造形するために構成される。

この目的を達成するために、以下により詳細に記載されるように、装置１００は、電子ビーム１０３を形成、調整、および誘導する電子光学アセンブリ１０１を含む。装置１００は、金属粉末１２２を含む粉末ホッパ１２１、および、移動可能なテーブル１３０をさらに含む。ホッパ１２１は、テーブル１３０に粉末の薄層を造成すべく粉末を吐出する。任意の数のホッパ１２１が使用されてよい。図１には２つ示されているが、単なる例である。テーブル１３０全体にわたって均等に粉末１２２を分散させるために、スクレーパまたはブレード（図示せず）のようなメカニズムが使用されてよい。電子光学アセンブリ１０１は、電子ビーム１０３が粉末床１２３全体にわたって走査され、粉末１２２を融合し、固形生成物１５０を形成するように、電子ビーム１０３を誘導する。装置１００は、電子光学アセンブリ１０１と粉末床１２３との間に配置されたプラズマ源１６０もまた含む。

生成物１５０の各層が形成された後、テーブル１３０が矢印１３１で示される方向に下げられる。粉末床１２３の最上面が電子ビーム１０３に対して常に同じ高さで形成されるように、テーブル１３０は下げられる。粉末１２２をテーブル１３０と融合させかねないテーブル１３０への熱伝導を最小化するために、粉末床１２３の最初の層は、後に続く層よりも厚く堆積されてよい。従って、形成されるに連れて、融合していない粉末１２４の完全な層が生成物１５０の下に残る。

電子ビームを使用した付加製造は真空条件下で実行される。従って、装置１００は、周りを囲む真空チャンバ１４０を含む。真空チャンバ１４０内の真空は、一般に利用可能な任意のポンプシステム、例えば、粗引きポンプによって支持されたターボ分子ポンプのようなポンプシステム１４４によって生成され、維持される。ポンプシステム１４４は、コントローラ１１０によって制御されてよい。図１に示されるように、ポンプシステム１４４は、電子光学アセンブリ１０１を収容する真空チャンバ１４０の一部分を排気するために使用されてよい。真空チャンバ１４０中の圧力は、１×１０^−３ｍｂａｒから１×１０^−６ｍｂａｒの範囲であってよい。

図２ａおよび図２ｂは、電子光学アセンブリ１０１をより詳細に示す。電子光学アセンブリ１０１は、電子を生成および放出するための電子源１０２、放出された電子から電子ビーム１０３を形成および調整するためのレンズ２２０、並びに、電子ビーム１０３を誘導するための１または複数の電磁偏向器２４０を含む。中央アパーチャ２５１が設けられた円柱電極２５０が、偏向器２４０の直下に配置される。この円柱電極２５０の目的は、以下に説明されるだろう。

電子源１０２、レンズ２２０、偏向器２４０、および円柱電極２５０の動作は、適切にプログラムされたコンピュータのような、コントローラ１１０によって制御される。電子源１０２、レンズ２２０、および偏向器２４０は任意の従来の装置が使用されてよいので、ここでは詳細には記載されないだろう。本質的に、電子源１０２およびレンズ２２０は、粉末床１２３にわたって電子ビーム１０３を走査すべく、電子光学アセンブリ１０１の中心軸２０２に沿って移動し、次に偏向器２４０によって偏向される、集束された電子ビーム１０３を供給する。円柱電極２５０に設けられるアパーチャ２５１は、中心軸２０２と位置合わせされ、電子ビーム１０３がこのアパーチャを通り抜け、電子ビーム１０３の偏向が完全に作動した状態でもアパーチャ２５１の縁部を切らないようにサイズ決めされる。

図１は、真空チャンバ１４０内に配置されたプラズマ源１６０を示す。本実施形態において、プラズマ源１６０はコントローラ１１０によって制御される。プラズマ源１６０は、例えば、フランジに取り付けられたフィードスルーを介して、真空チャンバ１４０に取り付けられる。フィードスルーは、プラズマ源１６０への電気的接続、例えば、電源のためおよびコントローラ１１０のための接続を提供してよい。

図３は、プラズマ源１６０をより詳細に示す。プラズマ源１６０は、プラズマが生成され、閉じ込められるアークチャンバ３１０を含む。ソースガス、通常はアルゴンまたはヘリウムが、ガス供給ライン３１２を介してアークチャンバ３１０へ供給される。ガス供給は、バルブ３１４を使用してオンとオフが切り替えられてよい。ソースガス分子をイオン化してプラズマを生成すべく、熱フィラメント３２０とアークチャンバ３１０の壁との間に流れるアーク放電が使用される。放電を生成すべく、フィラメント３２０は、アークチャンバ３１０に対して中程度の負の電位に保持される。熱フィラメント３２０とアークチャンバ３１０との間に電気アーク放電が生成されるように、フィラメント３２０に電流を提供するためにフィラメント電源３２２が使用され、ガス分子の電子衝突イオン化に必要とされるよりも大きな電位差をフィラメント３２０とアークチャンバ３１０との間に提供するために、アーク電源３２４が使用される。アークチャンバ３１０を接地電位に保持するよりもむしろ、粉末処理チャンバへと正イオンを流れ出させるべく、ソースバイアス供給３２６によってアークチャンバ３１０にわずかに正のバイアスがかけられる。

フィラメント３２０とアークチャンバ３１０との間で生成されるアーク放電は、アークチャンバ３１０内のガス分子をイオン化し、それにより、一組の磁石３３０およびフィラメント３２０により生成された磁場によってほとんど閉じ込められたプラズマを生成する。イオンの一定の流れが、アークチャンバ３１０に設けられたアパーチャ３１１を通り、次に、アパーチャ３１１を僅かに越えて延在するであろうプラズマ境界から逃れ得る。イオンは、アークチャンバ３１０に印加されるバイアス電位がない場合、プラズマ電位によって設定されるエネルギーを有するだろう。これらのイオンは、次に、真空チャンバ１４０における相対的に負の電位、例えば、電子ビーム１０３およびあらゆる帯電した粉末粒子１２２の負の電位へ引き付けられるだろう。

プラズマ源１６０は、電子光学アセンブリ１０１と粉末床１２３との間に配置される。プラズマ源１６０により生成された正イオンのフラックスが、図１に模式的に示され、参照番号１６２によって示される。正イオン１６２は、プラズマ源１６０から離れるように移動し、負に帯電した電子ビーム１０３および負に帯電した粉末粒子１２２へ引き付けられる。正イオンの分散された領域が粉末床１２３の近くに生成され、イオンの移動性は、システムが自己制御することを支援する。イオンは、負に帯電した粉末粒子１２２が粉末から放出されたときに、上昇する負の電位の領域へ移動する。ヘリウムがソースガスとして選択される場合、より小さなその原子質量に起因するより高いそのイオン移動性が、粉末１２２における電荷蓄積を中和するその能力の一助となり得る。

図４は、電子ビーム１０３および粉末１２２との正イオン１６２の相互作用を、より詳細に示す。上述したように、例えば、粉末粒子１２２が酸化されており、それにより絶縁性またはわずかに半伝導性であるような粉末粒子１２２との、負に帯電した電子ビーム１０３の相互作用は、粒子１２２を帯電させることができる。負に帯電した粉末粒子１２２は、図４における４１０で模式的に示されるように、粉末床１２３上に、負の空間電荷クラウドを形成する。図４はまた、負に帯電した電子ビーム１０３と、正イオン１６２が、第一に、電子ビーム１０３の負の空間電荷電位によってどのように閉じ込められ得るかとを模式的に示す。これらの正イオン１６２は、帯電した粉末粒子によって粉末床１２３中に生成されたより大きな負の電位によってもまた引き付けられ、それにより、矢印４２０で示される方向に移動する。負に帯電した粉末粒子１２２の空間電荷クラウド４１０および粉末床１２３中の粉末粒子１２２に到達する正イオン１６２は、粉末粒子における電荷を完全に、または部分的に補償する。このように、帯電した粉末粒子の電荷補償は、帯電した粉末粒子の悪影響を軽減する。特に、これは、帯電した粉末粒子が互いに反発し、真空チャンバ１４０の周りおよび電子光学アセンブリ１０１へと「広がる」効果を軽減する。この効果は、電子光学アセンブリ１０１における局所的な帯電および高電圧破壊、並びに、層融合プロセスに対する崩壊を引き起こす。

電子源１０２は、ビーム１０３中の電子を加速すべく、電子ビーム１０３に対して負の電位に保持される。しかしながら、この負の電位は、帯電した粉末粒子クラウド４１０の負の電位が行うのと同様に、正イオン１６２を引き付ける。何の修正措置も取らない場合、正イオン１６２は、電子光学アセンブリ１０１へと移動し、潜在的に電子源１０２へと加速され、追加的な加熱および電子放出器への損傷を引き起こしかねない。これを防止すべく、円柱電極２５０が設けられる。コントローラ１１０は、円柱電極２５０の電位を十分に正であるように設定して、あらゆる正イオン１６２が流れ上がることに対するバリアを形成する。その結果、円柱電極２５０は、いずれの正イオン１６２も電子光学アセンブリ１０１へと移動できないように、正イオン１６２をはね返す。これは、矢印４３０によって図４に模式的に示される。

プラズマ源１６０は、プラズマ閉じ込め磁石３３０およびフィラメント３２２中の電流により、静電磁場を生成する。これらの場の和は、電子ビーム１０３に作用し、電子ビーム１０３の偏向を引き起こすだろう。しかしながら、この偏向に対する補償が、例えば以下に記載されるように、積層造形装置１００を較正することによって達成されてよい。

この較正は、後方散乱電子流における、既知で以前に測定された相対位置の振幅変化によって検出され得る「マーカ」の二次元配列を使用して、達成される。この配列における各マーカの観察された位置が測定され、それ以前の測定から予想される位置と比較される。これらの差から、補正値が計算され、適用される。

そのような較正方法５００が、図５に示される。方法５００は、図１のコントローラ１１０が設定ファイルを取得するステップ５１０で始まる。この設定ファイルは、電子ビーム１０３を粉末床１２３における所望の位置に位置付けるべく、電子光学アセンブリ１０１に対して必要とされる設定を提供する。これらの設定は、プラズマ源１６０が無いこと、または、プラズマ源１６０が動作していないことを仮定している。例えば、これらの設定は、プラズマ源１６０がオンに切り替えられること無しに装置１００を動作させ、各電子ビーム１０３の位置を取得するために使用される設定を記録することにより得られてよい。この設定ファイルは、粉末床１２３における電子ビーム１０３のアドレスによってインデックスが付され、そのアドレスに電子ビーム１０３を位置付けるために見出される設定を提供するルックアップテーブルであってよい。

ステップ５１２において、コントローラ１１０は、電子ビーム１０３が始まるように電子光学アセンブリ１０１を指示する。ビームの開始時に、粉末床１２３を避けるように電子ビーム１０３は誘導される。

ステップ５２０において、コントローラ１１０は、設定ファイルからアドレスを取り出し、対応する設定を電子光学アセンブリ１０１に適用し、それにより、電子ビーム１０３の位置を設定する。次に、粉末床１２３における電子ビーム１０３の実際の位置が測定される。これは、従来の任意の技法、例えば、較正されたマーカプレートにおける電子ビーム１０３の画像をキャプチャし、ビーム位置を決定するための画像解析技法を使用して行われてよい。ステップ５２４において、測定された実際の位置が、そのアドレスの位置と一致するかどうか、すなわち、電子ビーム１０３が粉末床１２３における所望のアドレスにうまく設定されたかどうか、または、電子ビーム１０３が所望の位置から離れるように偏向されたかどうかを決定すべく、コントローラ１１０によって試験が実行される。実際の位置が所望のアドレス位置に一致する場合、この方法はステップ５４０へ直接進んでよく、この場合、このアドレスに使用される設定に対して調整が成される必要が無いことを示すゼロ調整因子が調整ファイルに格納される。しかしながら、実際の位置が所望のアドレス位置とは一致しないことが見出される場合、方法５００はステップ５２６へと進む。ステップ５２６において、コントローラ１１０は、電子ビーム１０３が粉末床１２３における所望のアドレス位置へ戻されるのを確かめるべき設定に対する調整を計算する。これは、例えば、あるスケーリング係数によって所望の位置と実際の位置との間の差を乗算する線形補正係数を適用することにより行われてよい。このスケーリング係数は、経験的に決定されてよい。いずれにせよ、試験が実行され、この方法はループしてこの補正ステップへ戻り、それにより、補正係数が繰り返して改善されることが可能となり得るので、この補正は正確である必要はない。どのようにして調整が試験されるかがここで記載されるだろう。

この調整によって電子ビーム１０３が所望のアドレス位置に設定されることに確実に成功したかどうかを試験すべく、ステップ５３０では、コントローラ１１０がそれらの設定に調整を適用し、次に、調整された設定を電子光学アセンブリ１０１に適用し、それにより、電子ビーム１０３の位置を設定することを確かめる。次に、ステップ５３２において、粉末床１２３における電子ビーム１０３の実際の位置が、例えば、較正されたマーカプレートを使用してもう一度測定され、ステップ５３４において、測定された実際の位置が、そのアドレスの位置に一致するかどうかを決定するための試験が、コントローラ１１０によって繰り返される。実際の位置が所望のアドレス位置と一致しない場合、方法５００は、ループ５３５を介してステップ５２６に戻り、残余誤差が許容値を下回るまで、調整が何度も再計算され、再適用され、再試験される。このように、必要な調整が繰り返して見出されてよい。実際の位置が粉末床１２３における所望のアドレス位置に一致することをひとたびコントローラ１１０が決定すると、方法５００は、調整ファイルにこの調整が格納されるステップ５４０へ進んでよい。

この調整ファイルは、粉末床１２３におけるアドレスを、同じアドレスについて設定ファイルに格納されている設定に適用されるべき調整因子と関連付ける、ルックアップテーブルである。これらの調整因子は、所望の電子ビーム１０３の位置によってインデックスが付された２Ｄ配列でメモリに格納される。これらの調整因子から、調整因子を表す関係を記載する多項式の係数を決定するために、２Ｄカーブフィッティングが適用されてよい。例えば、Ｘ'＝ａ_０＋ａ_１．Ｘ＋ａ_２Ｘ^２＋ａ_３．Ｘ．Ｙ＋ａ_４．Ｙ＋ａ_５．Ｙ^２＋・・・という形式の多項式が使用されてよい。ここで、ａ_０、ａ_１などは多項式の係数であり、多項式の次数は、示されているような二次に限定されてよいし、または、限定されなくてもよい。限定されるものではないが、三次スプラインおよびラグランジェ多項式を含む、使用され得る多くのタイプのフィッティングが存在する。この多項式は、よりきめの細かいルックアップテーブルを生成するために使用され得る。または、代替的に、これらの係数は、所望の電子ビーム１０３の位置を生成するために、電子光学アセンブリ１０１に設定される所望の偏向値に直接適用されてよい。従って、調整因子がルックアップテーブルに格納されてよい。または、これらの係数が格納されてよい。理解されるように、電子光学アセンブリ１０１の設定に対して適用されるべき調整因子を格納するよりもむしろ、電子光学アセンブリ１０１に対して直接適用される補正された設定が格納されてよい。

プラズマ源１６０が動作中である場合、調整ファイルは、プラズマ源１６０によって生じる電子ビーム偏向を補償すべく、電子光学アセンブリ１０１に使用される設定に対して調整を適用するために使用されてよい。

図５の方法５００に戻ると、ステップ５４０においてひとたび調整が格納されると、方法５００は、全てのアドレスが較正されたかどうかをコントローラ１１０が確認するステップ５５０に進む。全てのアドレスが較正されていた場合、この方法は、電子ビーム１０３とプラズマ源１６０がオフに切り替えられるステップ５６０へと進む。さらなるアドレスが較正を必要とする場合、方法５００は、次のアドレスに対する設定がコントローラ１１０によって取得され、電子光学アセンブリ１０１に適用されるステップ５２０へと、ループ５５５に沿って戻り続ける。次に、この方法は、そのアドレスに対する較正を完了すべく、上記のように、ステップ５２２、５２４、５２６、５３０、５３２、５３４、５４０、および５５０を経て続く。

図５の測定プロセスは、（上記したタイプの多項式であり得る）調整因子を含む一組のルックアップテーブルを構築すべく、動作していない場合を含め、プラズマ源１６０の様々な動作条件について繰り返されてよい。

図６は、プラズマ源１６０によって生じる電子ビーム１０３の偏向を、例えば、図５の方法５００に従って見出される調整を使用することにより補償することを含む、付加製造装置を動作させる方法６００を示す。

ステップ６１０において、コントローラ１１０は、適切な設定ファイルおよび粉末床１２３における各アドレスに必要な調整を提供するルックアップテーブルを含む適切な調整ファイルを取得する。取得された調整ファイルは、プラズマ源１６０の選択された動作設定に対して格納されたものと対応する。電子光学アセンブリ１０１に直接適用される調整ファイルに補正された設定が格納されている場合、ファイルされている調整のみ取得される必要がある。

コントローラ１１０は、生成物１５０がステップ６１２で形成されるための命令ファイルもまた取得する。この命令ファイルは、生成物１５０を形成するためにコントローラ１１０が従うべき命令、例えば、生成物１５０の各層を形成するために電子ビーム１０３を送るためのアドレスのシークエンスを含む。ステップ６１０とステップ６１２の順序は、逆であってよい。または、両方のステップが同時に実行されてよい。

ステップ６１４において、コントローラ１１０は、電子ビーム１０３およびプラズマ源１６０を始動させる。電子光学アセンブリ１０１およびプラズマ源１６０がひとたび定常動作に安定すると、コントローラ１１０は、以下のように、生成物を形成し始めてよい。

ステップ６２０において、コントローラ１１０は、命令ファイルから次のアドレスを取得する。このステップを通る１回目に対し、このアドレスは、生成物１５０の第１層に対する第１アドレスとなるであろう。次に、ステップ６２２において、コントローラ１１０は、そのアドレスに対する設定を設定ファイルから取得し、そのアドレスに対する調整因子もまた調整ファイルから取得する。これは、電子光学アセンブリ１０１の設定に適用されるべき調整因子を渡すだろう。所望のアドレスがルックアップテーブルのインデックスに入力を持たない場合、もっとも近いアドレスが使用され得るか、または、近くのアドレスに対する値が補間によってさらに改良され得るかのいずれかである。

次に、ステップ６２４において、調整が格納されている場合に、調整因子が電子光学アセンブリ１０１に対する設定に適用され得るか、または、補正された値が調整ファイルに格納されている場合に、このステップが省略され得るかのいずれかである。代替的に、調整ファイルに係数が格納されている場合には、ステップ６２４において所望の電子ビーム１０３の位置を提供すべく、電子光学アセンブリ１０１の設定を計算するために多項式の係数が使用されてよい。電子光学アセンブリの設定に対してこれらの係数を適用すべく、そして全体を一緒に合計すべく、この計算は、（より早くに、または、ここで記載されるように、その値が使用されようとしているときのいずれかに）ソフトウェアで適用されてよく、または、多項式の項を生成するための乗算器および加算器のネットワークを使用したハードウェアで適用されてよい。このハードウェア実装は、アナログ回路、専用のデジタル回路、またはプログラマブルロジックを使用してよい。

次に、コントローラ１１０は、ステップ６２６において、調整された設定を電子光学アセンブリ１０１に対して適用することができる。これは、電子ビームを、命令ファイルによって特定されるアドレスへと移動させるだろう。

コントローラ１１０は、次に、ステップ６２８において、全てのアドレスが処理されたかどうかを決定する。全てのアドレスが処理された場合、方法６００は、コントローラ１１０が電子ビーム１０３およびプラズマ源１６０をオフにするステップ６４０に進む。しかしながら、全てのアドレスが処理されていない場合、方法６００は、次のアドレスが命令ファイルから取得されるステップ６２０へと、ループ６２９に沿って戻る。この方法は、次に、電子ビーム１０３が次のアドレスへと走査されるのを確かめるべく、ステップ６２２、６２４、６２６および６２８を経て進んでよい。次のアドレスが、形成されるべき次の層に属するものとしてフラグ設定されている場合、ステップ６２０とステップ６２６との間において、テーブル１３０が下げられ、生成物１５０の次の層のための粉末床１２３を形成するために、新たな粉末１２２を広げるさらなるステップが実行されてよい。

このように、電子ビーム１０３は、積層造形によって生成物１５０が形成されるように、生成物１５０の各層に対し、命令ファイルに特定される全てのアドレスを通って走査されてよい。プラズマ源１６０を使用すること、および、調整を適用することにより、電子ビーム１０３の位置は、形成される生成物１５０の品質が優れたものであるように、正確に制御され得る。

当業者は、添付の請求項によって画定される本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に対して変更が成され得ることを理解するであろう。

例えば、アークチャンバ３１０を使用するプラズマ源１６０を上記した。プラズマを生成するために、他のタイプの電子衝突が使用されてよい。また、十分なイオンのフラックスを供給することが可能なＲＦ（ラジオ周波数）またはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）イオン源またはプラズマ源もまた使用されてよく、そのような実施形態において、その構成は、チャンバ１４０に対してボルトで留められた、イオンフラックスを空間電荷クラウド４１０へと誘導するためのイオンドリフト管が装備された装置である。

装置１００は、電子ビーム１０３を生成し、金属粉末１２２を融合するために、粉末床１２３にわたって電子ビーム１０３を走査するように構成される。上述したように、正に帯電したイオンのビームが、電子ビーム１０３の代わりに使用されてよい。この場合、粉末床１２３中および粉末床１２３上で蓄積された負電荷を中和するために使用される正イオンは、電子で置き換えられてよい。従って、プラズマ源１６０のような、適切なバイアス極性を有する適切な電子源が使用されてよい。また、電子光学アセンブリ１０１の電子源１０２を置き換えるべく、適切な正イオン源が使用されてよい。そのような実施形態において、電子光学アセンブリは、荷電粒子光学アセンブリまたはシステムと呼ばれる。ビームが負に帯電するよりもむしろ正に帯電するということ、および、荷電粒子はより大な質量を有するということが考慮されるものの、荷電粒子光学アセンブリ１０１は、正イオンビームを形成および調整するためのレンズ２２０、および、正イオンビームを誘導するための１または複数の電磁偏向器２４０を依然として含んでよい。ここでは中和電子をはね返すべく負の電位にバイアスされるだろうが、円柱電極２５０もまた維持されてよい。

上記の実施形態においては、プラズマ源１６０が真空チャンバ内に配置されるものとして記載されているが、本発明の実施形態においては、プラズマ源１６０が、粉末床１２３を含むメイン真空チャンバ内のサブチャンバに配置されることが可能である。プラズマ源１６０は、プラズマアパーチャを介してメイン真空チャンバへ接続される。イオンは、プラズマアパーチャを通ってメインチャンバへと出ることが可能である。

本発明の代替的な実施形態において、プラズマ源１６０は、真空チャンバの外部に配置され、ドリフト管を介してそれに接続される。そのような構成は、例えば、プラズマ源がＥＣＲまたはＲＦ励起されたプラズマ源であるような場合に適切だろう。

メイン真空チャンバとプラズマ源１６０（それ自身が、メインチャンバ圧力と同様に真空圧力である）との間のこのドリフト空間は、いくつかの実施形態において、プラズマ源の本体から、およびメイン真空チャンバからもまた電気的に絶縁された導電性の管である。これは、メイン真空チャンバへのイオンの通過に最適な電位でドリフト管がバイアスされることを可能にするだろう。

いくつかの実施形態において、ドリフト管は、複数の（例えば、２個または３個の）静電的に独立してバイアスされた要素、または代替的に、単一の静電的にバイアスされた要素を含む集束するドリフト管であるように適応され得る。これは、粉末床１２３へのより効率的なイオンの搬送を可能にし得る。

メイン真空容器の外部にプラズマ源１６０を有する場合、少なくとも２つのさらなる改善が得られる。まず、フラッドガンフィラメントを加熱するために必要なｄ．ｃ．電流が重要であり、それをｄｃ磁場と関連付ける。電子ビームを妨げるほど十分に磁場が大きい場合、電子ビームの較正手順を強制することができる。メイン真空チャンバの外部にプラズマ源１６０を置くことにより、それは、電子ビームからさらに離れるように除かれることができ、従って、ビームに及ぼす影響がより小さい。

プラズマ源１６０が加熱されたタングステンフィラメントを有する場合、それは徐々に燃え尽き、やがて、その寿命の最後には壊れるだろう。さらに、フィラメントの表面からタングステン原子が継続的に蒸発して行く。メイン真空チャンバの外部にプラズマ源１６０を置くことにより、動作の間および壊れているときの両方において、フィラメントからの汚染物質が粉末床１２３と混ざることが防止されるだろう。逆に、真空チャンバ内にプラズマ源を有することは、粉末床１２３への放電電流を増大させて、より高い電荷中和収率をおそらく与える。

プラズマ源１６０がメイン真空チャンバの内部にあろうと、または外部にあろうと、その関連した供給（不活性ガス、冷却水回路、電気的接続）は、電気的に接地電位にあるとみなされる真空チャンバの本体から絶縁される。

いくつかの実施形態において、メイン真空チャンバ内は、電気的に絶縁された金属シートであってよく、これは熱シールドとして作用し、粉末床１２３の放出された熱を反射して粉末床１２３へ戻す。粉末床１２３へのイオン電流を増大させるべく、正のバイアス電位がこれらの熱シールドに印加され得る。

同様に、コーンのような集束手段、または、独立した電位にそれぞれバイアスされた一連の集束静電要素（例えば、二重または三重円筒静電レンズシステム）が、（プラズマ源１６０がメインチャンバに対して外部の場合は）ドリフト管の出口に、または、プラズマフラッド源がメインチャンバ内にある場合には、フラッドガンの出口アパーチャに配置され得る。集束コンポーネントは、イオンが粉末床１２３に向かって流れ出ることを促進する。バイアス電位の大きさは、それ自身のバイアス供給によってプラズマ源１６０の本体に供給されるバイアス電位の大きさに依存するだろう。

Claims (25)

1. 荷電粒子ビームを使用して金属粉末床内の金属粉末を融合させて生成物を層ごとに形成する積層造形における電荷緩和の方法であって、
   荷電粒子ビームを形成し、前記荷電粒子ビームを金属粉末の粉末床に入射するように誘導し、粉末を所望の層形状へと融合させるために前記粉末床にわたって走査するように、荷電粒子ビーム光学システムを使用する段階と、
   前記荷電粒子ビームを誘導している間に、前記荷電粒子ビームの近傍に荷電粒子とは反対の電荷の中和粒子を生成し、前記中和粒子が前記粉末床の粉末の前記荷電粒子へと引き付けられるように、中和粒子源を使用する段階と、
   前記中和粒子源によって生じる前記荷電粒子ビームの乱れを補償するための補正が適用された制御信号を使用して、前記荷電粒子ビームを誘導する段階と
   を備える、方法。
2. 前記荷電粒子ビームは電子ビームであり、前記中和粒子は正に帯電したイオンである、請求項１に記載の方法。
3. 前記中和粒子源はイオン源であり、前記方法は、不活性ガスの正イオンを生成すべく前記イオン源を使用する段階を備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記不活性ガスはヘリウムである、請求項３に記載の方法。
5. 前記正に帯電したイオンを生成すべく、前記中和粒子源としてプラズマ源を使用する段階を備える、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記荷電粒子ビームは正に帯電したイオンビームであり、前記中和粒子は電子である、請求項１に記載の方法。
7. 前記中和粒子源は電子源であり、前記方法は、電子を生成すべく前記電子源を使用する段階を備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記中和粒子源の上流において前記中和粒子と同じ極性の電位を設定するための電極を使用する段階を備え、それにより、中和粒子が前記電極を越えて前記荷電粒子ビーム光学システムまで移動することを防止する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記補正は、前記粉末床における与えられた所望の荷電粒子ビーム位置に対する必要な補正を提供するルックアップテーブルから得られる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記中和粒子源が動作している間に、前記粉末床における一連の予想される荷電粒子ビーム位置を通るように前記荷電粒子ビームを走査する最初の段階と、
    前記予想される荷電粒子ビーム位置のそれぞれに対し、前記粉末床における前記荷電粒子ビームの対応する実際の位置を測定する段階と、
    予想される荷電粒子ビーム位置と実際の荷電粒子ビーム位置との対応する各ペアの間の差を補償するための補正を計算する段階と、
    ルックアップテーブルに前記補正を格納する段階と
    をさらに備える、請求項９に記載の方法。
11. 荷電粒子源、前記荷電粒子源により提供される荷電粒子からビームを形成するように動作可能な荷電粒子ビーム形成装置、および、前記荷電粒子ビーム形成装置により形成された荷電粒子ビームを誘導するように動作可能な荷電粒子ビーム誘導装置を有する荷電粒子光学アセンブリと、
    粉末を吐出するように動作可能な少なくとも１つのホッパと、
    前記少なくとも１つのホッパにより前記荷電粒子ビームを受け取るための粉末床を画定する体積で吐出された前記粉末を受け取るように配置されたテーブルであって、前記荷電粒子ビーム誘導装置は、前記粉末床にわたって前記荷電粒子ビームを走査するように動作可能である、テーブルと、
    前記粉末床に入射される前に前記荷電粒子ビームが通り抜けるチャンバと、
    前記荷電粒子ビームの近傍に前記チャンバ中の前記荷電粒子とは反対の電荷の中和粒子を提供するように動作可能な中和粒子源であって、前記中和粒子が、前記荷電粒子ビームおよび前記荷電粒子ビームによって生じた帯電した粉末粒子に引き付けられる、中和粒子源と、
    前記荷電粒子光学アセンブリの動作を制御するように動作可能なコントローラであって、前記荷電粒子ビーム誘導装置に制御信号を提供し、前記制御信号によって、前記荷電粒子ビーム誘導装置に前記粉末床にわたって前記荷電粒子ビームを走査させて、所望の層形状へと粉末を融合するように動作可能なコントローラと
    を備え、
    前記コントローラは、前記中和粒子源によって生じる前記荷電粒子ビームの乱れを補償するために、前記制御信号に対して補正を適用するように動作可能である、積層造形装置。
12. 前記荷電粒子ビームは電子ビームであり、前記中和粒子は正に帯電したイオンである、請求項１１に記載の積層造形装置。
13. 前記チャンバ内の熱シールドおよび電極プレートが、電気的に絶縁され、前記中和粒子を集束および拘束すべく印加されたバイアス電位を有する、請求項１２に記載の積層造形装置。
14. 前記中和粒子源は、前記チャンバの外部に配置され、ドリフト管によって前記チャンバに連結される、請求項１３に記載の積層造形装置。
15. 前記ドリフト管は集束手段を有する、請求項１４に記載の積層造形装置。
16. 前記中和粒子源はプラズマ源である、請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
17. 前記正に帯電したイオンはヘリウムのイオンである、請求項１２から請求項１６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
18. 前記中和粒子源は、前記正に帯電したイオンを封じ込めるためのＤＣ磁場を生成するように動作可能なＤＣプラズマ源である、請求項１２から請求項１７のいずれか１項に記載の積層造形装置。
19. 前記中和粒子源はＥＣＲまたはＲＦイオン源である、請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
20. 前記荷電粒子ビームは正に帯電したイオンビームであり、前記中和粒子は電子である、請求項１１に記載の積層造形装置。
21. 前記荷電粒子光学アセンブリと前記中和粒子源との間の、前記荷電粒子ビームが移動する経路に配置され、前記荷電粒子光学アセンブリへの移動に対して中和粒子をはね返すよう配置された電極をさらに備える、請求項１１から請求項２０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
22. 前記電極は、前記中和粒子と同じ電荷でバイアスされるように構成される、請求項２１に記載の積層造形装置。
23. 前記電極は、貫通したアパーチャが設けられた金属プレートであって、前記荷電粒子ビーム誘導装置が前記荷電粒子ビームを誘導して前記アパーチャを通り抜けさせるよう動作可能なように配置された金属プレートを有する、請求項２２に記載の積層造形装置。
24. 前記コントローラは、前記粉末床における与えられた所望の荷電粒子ビーム位置に対する必要な補正を提供するルックアップテーブルから前記補正を取得する、請求項１１から請求項２３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
25. 前記ルックアップテーブルに格納された前記補正は、前記中和粒子源が動作している間に、前記粉末床における一連の予想される荷電粒子ビーム位置を通るように前記荷電粒子ビームを走査すること、前記予想される荷電粒子ビーム位置のそれぞれに対し、前記粉末床における前記荷電粒子ビームの対応する実際の位置を測定すること、および、予想される荷電粒子ビーム位置と実際の荷電粒子ビーム位置との対応する各ペア間の差を補償するための補正を計算することによって得られたものである、請求項２４に記載の積層造形装置。

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