阅读说明：本技术 电子束分析 (Electron beam analysis ) 是由 崔宇星 于 2018-05-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种监视电子束熔融机的阴极的性能的方法，其中，诸如近红外(NIR)相机等检测构件结合机器的电子束使用以检测机器随着时间的性能改变。(The present invention relates to a method of monitoring the performance of the cathode of an electron beam melting machine in which a detection means, such as a Near Infrared (NIR) camera, is used in conjunction with the electron beam of the machine to detect changes in the performance of the machine over time.)

电子束分析

技术领域

本发明涉及电子束熔融(EBM)的增材制造工艺流程。EBM是允许金属部件形成或“印刷”为最终形状的一系列的增材制造(AM)工艺流程的范围中的一个。AM技术显著减少或完全去除对从材料块或“胚”加工部件的需要。

背景技术

EBM工艺流程涉及使用电子束以将粉末金属床的离散部分或区域加热并熔融。三维坐标被馈送到EBM机中，该EBM机使用数据以控制加热过程以便将粉末金属床的特定部分熔融或烧结。这允许部件在一系列层中构建，每一层熔融到先前层并与先前层同质。EBM允许部件以优良结构完整性按复杂几何结构形成。

EBM工艺在电子束必须按预定方式行进以构建所需的行和层的功能中是耗时的。一旦层完成，粉末金属床便降低，新的粉末层被铺设，并且机器开始产生下一层。取决于部件的大小和复杂性，制造工艺流程可能相当长，例如，大约数天。

电子束是从EBM机内的电子束源发射的，电子束源包括例如阴极。阴极可以是“热钨丝”型或较现代的“单晶”型，例如，提供较长的寿命、低功函数高聚焦射束的六硼化镧LaB6。

然而，随着时间，众所周知的是阴极会退化，并且电子束输出和射束焦点通常变得较不确定并且较不可预测。在常规EBM机中，随着时间，阴极开始退化并且射束的控制变得较困难。

已发现阴极的退化导致制造不一致性，例如，正制造的部件的未熔合/孔隙率和/或分层。这可能例如因失去对电子束输送的方向和能量的控制所致。这些效应在制造或“构建”工艺流程期间由不足的能量密度导致。最终，需要替换阴极以便维持具有所需结构特性的同质部件。这种阴极退化导致构建区域按不均匀方式受到影响，其中构建区域是电子束被引导到的并且正“构建”的部件在上面形成的表面。例如，当阴极退化开始出现时，构建区域的周边相比于构建区域的中央可能较显著地受到影响。

缺陷阴极可导致缺陷部件，并且确定部件是否有缺陷可按许多方式进行。

为了识别成品部件中的任何不规则性(这将指示需要改变阴极)，使用许多做法。一种做法是形成许多牺牲测试棒，该牺牲测试棒能够接着例如在拉伸测试机中进行测试。其它非破坏性测试技术包含能够识别已由EBM工艺流程制造的材料中的缺陷或不规则性的计算机断层(CT)扫描或X射线分析。

然而，这些技术中的每一个仅能够在部件已由EBM机制造之后使用。如上文所论述，取决于部件的复杂性，工艺流程可花费许多小时。因此，仅可能在工艺流程完成之后确定EBM工艺流程是否存在问题(例如，缺陷阴极)。这可能显著延迟制造，因为如果检测到缺陷，那么部件必须被舍弃并且EBM工艺流程再次开始。

在本发明中，已确定在制造工艺流程期间识别EBM制造的部件中的缺陷或不规则性的新颖方式，因此允许立即识别EBM机的任何故障。

发明内容

本发明的方面阐述在随附权利要求书中。

从本文所述的本发明的第一方面来看，提供一种监视电子束熔融机的性能的方法，电子束熔融机包括腔室、电子束源、电子束源引导装置，所述腔室还包括参考表面，所述电子束能够针对所述参考表面来引导一束电子，所述熔融机还包括被布置成用于对响应于一束电子的参考表面的多个部分的激发进行检测的检测器，该方法包括以下步骤：

激活电子束源以将一束电子在多个预定测量点处投射到参考表面上；

在所述预定测量点中的每一个处检测参考表面的至少一部分的激发；以及

比较所述预定测量点中的每一个处的所检测的激发与预定测量点中的每一个处的电子束源的预定激发数据，以检测电子束源的性能改变。

常规电子束熔融机使用例如钨阴极的包括在电子束源中的阴极以产生一股高能电子。在使用中，电子具备足够能量以使粉末金属熔融来形成期望部件的部分。随着阴极老化，性能和输出能量级别可恶化并且变得不稳定。若阴极的能量级别和控制处于可接受的边界内，那么熔融工艺流程不受影响，并且部件可仍得以形成。常规电子束熔融机还包括与阴极合作以产生电子束的阳极。阳极不按与阴极相同的方式退化，并且阳极的任何退化相对于阴极的退化不明显。因此，虽然可监视阳极的退化，但阴极的退化被认为表示电子束熔融机的总体性能。

如果阴极的输出能量级别和输出特性过多恶化，那么所得熔融工艺流程可在一定程度上受到负面影响，以致于内部异常在正形成的三维部件内产生。如上文所论述，按照惯例，这些异常可仅在部件已被完成之后使用例如X射线成像以看到部件内部来识别。

本发明已识别电子束自身可结合特定相机装置和数据处理器使用以识别阴极性能的任何恶化的替代方式。有利地，且重要的是，本发明允许这种评估是在部件被构建之前进行的，即，在使用任何熔融机时间制造部件之前确定阴极以及因此电子束熔融机是否能够在可接受的性能极限内运行。

具体来说，根据本发明的电子束熔融(EBM)机设置有能够用于检测产生电子束的阴极的能量级别和控制的检测器。有利地，可使用被布置在使用中可看到EBM的构建板的近红外相机。

参考表面可有利地是已容纳在EBM机内的构建板。这是其上正“构建”的部件被创建的大致平坦的表面。构建板有利地在机器内提供可用于本发明的评估的参考表面。在EBM中的“构建”或形成工艺流程期间，电子束创建被引导到跨越构建板散布的金属粉末的高能电子。

然而，本发明者已确定结合构建板的阴极(在已涂覆金属粉末之前)可充当便利测试装置以检测随着时间的阴极的性能改变。

根据本发明的电子束被激活以将电子引导到构建板表面上。构建板吸收电子能量，从而导致暴露到电子束的构建板的多个部分的激发。此激发(呈热的形式)可被检测，从而提供电子束在构建板表面的每一预定区域分布多少能量的指示。通过在预定测量点检测构建板的激发并比较结果与预定测量点中的每一个处的阴极的预定激发数据，能够确定阴极正释放的能量如何随着时间改变。

通过比较任何新数据与预定阈值，能够确定在阴极用于构建之前，阴极是否能够均匀地分布足够能量以导致金属粉末适当熔融。预定阈值可根据应用来选择，例如，该部分在使用中有多关键以及将采取什么后处理。

因此，本发明提供在新构建中花费时间和材料之前确认EBM中的阴极的可操作性的方式。

构建板可有利地是大致平坦的，以提供部件可在其上构建的平坦表面。阴极可被定位以便与构建板的中心相对，以便能够使全部构建板暴露到电子的流。

为了准确地检测阴极性能的改变，由电子束导致的激发必须在相同点(即，预定测量点)被重复测量。电子束被引导到的预定测量点可以是以跨越构建板上的均匀间隔的点的矩阵。例如，矩阵可呈点的线性矩阵的形式。这有利地允许跨越构建板的至少部分而确定激发能量。预定测量点可跨越构建板的整个表面，在此状况下，可跨越构建板的整个表面而确定激发能量。因此，可针对可出现构建(熔融)的所有点而评估阴极的功能。这进一步允许该装置检测电子束能量出现缺陷的任何异常现象(死点)。

电子束方向可受到控制，以使得电子束按预定序列而被引导到多个预定测量点中的每一个，直到所有测量点已暴露到电子束为止。此序列针对每一阴极评估而重复，以使得同类数据被比较以准确地监视阴极的性能改变。

例如，矩阵可包括多行，每一行包括多个测量点，并且其中，一行中的每一点在下一邻近行暴露之前暴露，直到所有测量点已暴露为止。实际上，阴极射束光栅跨越构建板的表面而扫描。

激发构建板所需的能量低于在构建期间导致金属粉末的熔融所需的能量，并且因此阴极可在阴极的测试期间受到控制以发射较低能量电子。替选地，可使用正常熔融能量级别，但对构建板上的测量点的暴露减少以导致构建板的激发(为了测量)，而不是熔融。例如，每一测量点可暴露持续不到1毫秒，例如，0.25毫秒。

阴极可受到控制以将预定激发能量输送到每一测量点。例如，此预定激发能量可以是30毫焦。取决于所使用的粉末材料，可存在预定激发能量的适当范围。例如针对由钢制成的底板，激发能量级别可处于0.1毫焦到100毫焦的范围中。

检测由从阴极发射的电子束导致的激发的步骤可通过能够检测电子束对构建板的影响(指示阴极性能)的任何适当检测器进行。有利地，近红外(NIR)相机可用作检测器。替选地，可使用红外相机或甚至正常范围相机。

这种NIR相机可被定位成邻近于阴极并朝向构建板。相机在每一测量点的激发时可以是活动的，以针对每一测量点而捕捉构建板的图像。可针对每一测量点而拍摄多个图像，以用于为构建板的最终总体图像而选择图像中的一个，该最终总体图像组合每一测量点的图像。来自红外波长的图像将包含指示构建板有多少已在测量点中的每一个处加热的数据。在其它实施例中，可每一次在激发测量点时去激活和重新激活相机以捕捉图像，或一旦阴极已将在已激发测量点中的每一个去激活之后，便激活相机以拍摄构建板的图像。

电子束已导致的激发越大，测量点处的热越大，并且每一测量点处的图像的红外强度越大。因此，在NIR相机创建的红外信号与阴极的激发能量之间存在关联性。正是此关联性可被处理以如下文进一步描述地确定阴极性能的改变。

NIR相机可以是被布置成在350nm到1050nm波长的范围中操作的“现货”产品。来自相机的输出是能够由常规图像设备处理的标准图像输出。

例如，数据可由数据存储和处理装置从相机接收。数据存储装置(例如，硬盘驱动器)可存储机器的阴极的预定或历史激发/亮度数据。这允许从相机接收的当前数据与以下数据进行比较：(a)作为指示起作用的阴极的可接受的激发数据的数据的预定数据和/或(b)说明每一测量点处由电子束导致的激发中的任何改变的给定阴极的历史数据。数据可用任何适当计算装置来比较。

该装置可有利地被校准，以使得来自相机的NIR数据可被转换为电子束能量数据，其中电子束能量数据可接着与将熔融的给定金属粉末的可接受能量输出进行比较。

因此，EBM机的操作员能够在构建之前确定阴极是否将跨越构建板而分布适当能量级别。可进一步确定阴极是否并未跨越构建板而提供均匀能量水平，因此允许操作员仅在确定阴极充分良好地起作用的情况下构建。

NIR数据的数据处理可在本地在机器内或接近机器而进行。阴极测量循环可例如作为机器初始化的部分来执行，并且在每一构建之前或在构建期间例行执行，例如，其中新粉末层被配置成充当底板。例如，可在每预定时间量之后或预定事件之后，在构建期间按默认方式进行测量。这些预定事件可例如是烟或电弧脱扣的出现。机器可有利地包含被配置成显示指示阴极的性能的信号或图像的图形用户界面。也可同时显示历史数据。

替选地，可远程执行处理，例如，在EBM机制造商处执行处理，其中可根据关于阴极的性能做出的确定来提供维护。

有利地，可历经一段时间而监视阴极性能的改变以确定下降的性能的趋势。因此，可预测阴极无法适当工作的点，并采用替换阴极的预防性维护以优化机器性能。

从另一方面来看，提供一种电子束熔融机，该电子束熔融机被布置成在使用中根据如本文所述的方法来操作。

从又一方面来看，提供一种电子束熔融机，包括真空腔室、电子束源、电子束源引导装置，腔室还包括电子束能够引导一束电子到的构建板，该熔融机还包括被布置成测量响应于一束电子的在构建板上的离散点处的亮度的相机。

如上所述，检测器或相机可以是能够从构建板(在不与构建板接触的情况下)收集指示构建板已如何由电子束激发的数据的任何适当装置。

例如，相机可被使用并位于紧密接近阴极和构建板的真空腔室内。替选地，相机可位于具有窗口等的真空腔室外，从而允许相机“看到”真空腔室内的构建板。

附图说明

现将仅通过举例方式且参照附图来描述本发明的方面，其中：

图1示出电子束熔融工艺流程的示意图；

图2示出正形成的电子束熔融产品的多层；

图3示出可结合本发明使用的一般阴极；

图4A和图4B分别示出新阴极和退化阴极；

图5是根据本发明的实施例的经修改电子束熔融机的示意图；

图6图示呈矩阵布置的测量点；

图7示出从NIR相机接收的亮度数据的图形表示；

图8示出图7所示的数据的平面图；以及

图9示出从阴极退化的NIR相机接收的亮度数据的图形表示。

虽然本发明可容许各种修改和替代形式，但通过举例方式在附图中示出并且在本文中详细描述具体实施例。然而，应理解，所附的附图和

具体实施方式

不旨在将本发明限于所公开的特定形式，而是本发明将涵盖落入所要求的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。

应认识到，本文所述的本发明的方面的特征能够按任何适当组合方便地且可互换地使用。

具体实施方式

增材制造的领域的技术人员将良好理解电子束熔融(EBM)机的操作。

图1示出图示基本原理的电子束熔融机的示意图。机器1具有位于真空腔室(未示出)内的电子产生阴极2。应注意，虽然根据本领域中的已知术语而在此处称为“真空腔室”，但该腔室可实际上并不完全真空。例如，“真空腔室”可实际上包含低量的氦气或氩气。这种“真空腔室”可还被称为“低压腔室”。阴极被布置成与作为大致平坦的表面的构建板或表面3相对，该构建板或表面3通常由三维部件构建在上面(下文更详细地的描述)的钢表面形成。

立即邻近于阴极的出口的是在被激励时产生磁场的多个磁透镜。在所示出的实施例中，设置了3个透镜，但是可使用任何数量。在所示出的实施例中，前两个透镜4A和图4B是“塑形”透镜，并且被激励以使电子束成为能够接着被引导或“瞄准”的单个射束。最终透镜5是引导透镜，并且由控制器(未示出)选择性激励以控制电子束6的方向。

借助于多个磁透镜4A、4B和5来选择性控制电子束6允许射束被引导到构建板的不同部分7A、7B。

在正常操作中，连续金属粉末层8首先铺设在构建板上，并且接着铺设在连续粉末层上。阴极受控制以输送预定量的能量来产生具有使金属粉末熔融的功率的一束电子。附图标记9图示粉末的熔融部分。

电子束6借助于磁透镜来控制以通过重复熔融金属粉末的轨迹来“印刷”(其表示通过电子束熔融增材工艺流程来构建)期望部件。

图2图示连续层(8A到8F)如何铺设在彼此的顶部上以形成将构建的3维形状的复杂几何结构。虽然相对于图2中的构建板3显现得相对厚，但每一连续层实际上是50到90微米厚。

图3示出用于发射电子束的一般阴极。例如，阴极可以是LaB6单晶阴极。

阴极随着时间缓慢恶化，并且在电子束的方向(也就是说所发射的电子的方向)的控制方面以及在阴极能够发射的能量方面变得较不可靠。

方向与能量控制两者在准确地制造部件中是必要的并且对于期望的结构完整性是必要的。

例如，失去对射束的形状的控制可阻碍实现部件的准确几何结构。此处，射束的形状表示射束的强度轮廓。失去对电子束的能量分布的控制能够由于金属粉末的未熔合(LOF)而在所构建的部件中导致瑕疵。LOF将被视为粉末未适当地熔融的情形，这表示正构建的层不与先前层同质。

LOF可在正构建的部件内和/或部分的表面上导致瑕疵、空穴或畸变。这些瑕疵可能是有危害的，尤其在部件按高机械标准制造并需要完全结构完整性的航空工业中。

图4A和图4B图示LaB6阴极的退化。

图4A示出新阴极2，其中电子束6发射是均匀的。这允许准确控制。

相反，图4B示出退化阴极2的示例表示。退化可因出现故障的阴极或已随着时间简单地退化的阴极所致。如图4B所示，电子的分布不规则且不均匀。这被称为电子发射度。

当电子发射度高时，图1所示的磁透镜不能够准确控制射束。这不仅意味无法通过射束制造准确几何结构，而且意味无法准确控制在电子束与金属粉末相会的点处输送的能量。

当阴极退化变得过大时，阴极必须被替换。然而，如上所述，先前已可以例如使用破坏性技术或非破坏性技术(NDT)(诸如CT扫描的X射线分析)而一旦已构建部件便确定阴极是否失效。如果确定部件例如在构建期间遭受LOF，那么必须舍弃并重新构建部件。这浪费宝贵的制造时间和资源。

本发明提供此问题的解决方案，如现将描述。

根据本发明，阴极2结合构建板3和检测相机而使用以在EBM机内创建集成阴极评估系统。

参照图5，EBM机适用于包含近红外相机。

EBM机包括真空腔室10，其中构建板3位于真空腔室10中并可垂直移动以接收每一连续层(如以上所阐述，EBM工艺流程被增材制造技术的技术人员良好理解)。

机器1的上部包括将真空腔室与阴极和相机壳体12连接的孔隙11。壳体12包括阴极2和透镜装置4A、4B和5。在使用中，电子束6从阴极被引导到底板3。常规EBM控制装置13按常规方式使用透镜来控制阴极和射束方向。

EBM机还具备NIR相机14，该NIR相机14以穿过孔隙11的构建板3的视野而布置。

相机包含控制器15以从NIR相机接收数据。NIR相机是如本领域的技术人员所知的常规相机。相机的镜头指向构建板，并且相机被配置成如下所述从构建板接收近红外波长。相机控制器被布置成通过控制线16将控制反馈到EBM机控制器中或外部地通过端口18。

应认识到，诸如加热器、真空泵和粉末供应组件等额外部件未示出在图5中，但应由本领域的技术人员理解。

现将详细描述阴极评估或测试方法。

在构建之前或在开始部件之前，使EBM机经历阴极评估过程。这可在每一构建之前或在许多构建之后执行。例如，随着阴极变旧，频率可增大。

首先，将清洁的未涂布的构建板用作阴极测试图案被投射到的表面或“画面”。具体来说，阴极被激活，并且控制装置用于在构建板上创建预定图案。这在图6中由附图标记19示出。

阴极2被激活以将电子束引导到形成图案19的部分的多个离散测量点17中的每一个。在所示出的实施例中，线性矩阵被投射。如果图案是与先前用于连续性目的相同的图案(如下文将论述)，那么可使用任何图案。

每一测量点由电子束依序激发或照射，即，电子束被配置成按光栅线路的形式跨越构建板而行进，从而在移动到下一行并再次激发该行中的每一点之前激发行(A_x到K_x)中的每一测量点。这会重复，直到射束已激发所有行A_y到K_y为止。电子束按光栅线路的形式行进并不是必要的，并且电子束可沿着例如弯曲、圆形或螺旋形的路径行进。

每一点以120瓦的功率级别激发持续0.25毫秒。可存在任何数量的测量点，但在一个实施例中，存在5400个测量点。这可以是在1.3秒内激发。

通过电子束来激发测量点导致点的温度增大。结果是构建板上的“热点”或加热点的矩阵。所施加的能量越多，所激发的越多，并且测量点越热。

在每一测量点的激发期间，NIR相机14被激活并针对测量点的每一激发而在近红外波段内拍摄图像。测量点中的每一个的数据和/或图像的集合提供参考表面的总体数据和/或图像，该参考表面在本实施例中是构建板。这种相机可“看到”或检测从构建板上的测量点中的每一个辐射的热。

由NIR相机产生的图片在该图片中含有测量点中的每一个的数据。此数据与构建板在每一测量点处有多热相关联，其中构建板在每一测量点处有多热自身与多少能量已在预定测量点上分布相关联。

这转而提供阴极的激发轮廓，即，阴极对于在每一测量点处在阴极被激活的0.25毫秒内已提供多少能量。

通过比较此数据与起作用的阴极的预定数据和/或特定阴极的历史数据，能够确定是否已存在阴极的任何退化。

此比较可例如通过观察电流和先前图像来手动进行。如果测量点变模糊，那么这将指示跨越底板的能量分布的恶化。

然而，简单图像处理可应用于确定由NIR相机14捕获的图像中的每一测量点的亮度的数值。这可接着使用数据处理器来比较，该数据处理器转而能够计算退化的趋势或速率。确定退化的速率将允许处理器能够预测出由给定阴极分布的能量级别何时到达其中将不再能在构建期间来满意地实现熔融的时点。这允许在到达此时点之前改变阴极。

此通知可例如借助于在EBM机的界面或警报器或指示器上的倒计时来进行。

附加地或替选地，EBM机可将此信息传达到中心维护组织，该中心维护组织可在阴极停止制造之前安排阴极的替换。

本领域的技术人员将认识到，决定阴极是否必须改变的因素之一是阴极何时能够不再导致金属粉末的有效且可接受的熔融。熔融温度将变化，并且因此EBM机可设置有允许熔融温度输入到机器中的用户界面，该熔融温度可转而用于确定阴极是否能够成功以所需能量级别完成构建。

图7示出从相机接收的数据的图形表示，该图形表示的基本轴线对应于图6所示的轴线，即，矩阵上的测量点位置。垂直轴线示出每一点处测量的亮度。如所示出的是，大体上拱顶的形状示出较大亮度(即，较聚焦的能量)被输送到构建板的中间部分。这是预期的，因为这将更接近电子束阴极。边远测量点较远离，并且因此，能量将按半径平方因数减小，因此在构建板的周边处具有减小的亮度。

图8是指示具有较亮测量点的较亮像素的数据的对应垂直图。

图9示出从相机接收的数据的图形表示，该图形表示的基本轴线对应于图6所示的轴线并且因此也对应于图7所示的轴线。相比图7中可见的大致拱顶的形状，图9中可见变形拱顶形状。此变形拱顶形状是基于在使用退化阴极时获得的数据而产生的。

上文所述的实施例允许在构建之间(即，在已开始构建之前)的阴极的测试。这涉及将构建板用作电子束以矩阵轮廓引导到的表面。

在另一实施例中，电子束熔融机可还包括真空腔室内的参考表面，该参考表面可例如可选择性移动。例如，表面可移动到邻近于阴极的位置中，这将允许在构建期间投射矩阵轮廓。实际上，参考表面按相同于上文实施例中所述的构建板的方式作用。然而，包含能够在构建期间使用的参考表面会有利地允许在部件构建期间任何时刻评估阴极。