阅读说明：本技术 形成三维物品的方法和设备 (Method and apparatus for forming three-dimensional articles ) 是由 乌尔里克·利琼布拉德 于 2017-03-31 设计创作，主要内容包括：一种通过粉末床的各部分的连续熔合来形成三维物品的设备,上述部分对应于三维物品的连续横截面,该设备包括：粉末分配器,其被构造为用于将粉末层均匀地分配在设置在真空腔室内的工作台的顶部上；以及电子束源,其产生电子束,该电子束被构造成用于在与三维物品的所述横截面相对应的选定位置上熔合粉末层,其中：粉末分配器是细长杆,其设置成在粉末床的预定距离处可移动,并且其中心轴线平行于工作台的顶表面,其中,在粉末分配器上面向电子束源设置至少一个传感器,当传感器与电子束相互作用时,检测器用于检测从传感器发出的信号。(An apparatus for forming a three-dimensional article by successive fusion of parts of a powder bed, said parts corresponding to successive cross sections of the three-dimensional article, the apparatus comprising: a powder distributor configured to uniformly distribute a powder layer on top of a work table disposed within the vacuum chamber; and an electron beam source generating an electron beam configured for fusing the powder layer at selected locations corresponding to the cross-section of the three-dimensional article, wherein: the powder dispenser is an elongated rod arranged to be movable at a predetermined distance of the powder bed and having its central axis parallel to the top surface of the work table, wherein at least one sensor is arranged on the powder dispenser facing the electron beam source, the detector being adapted to detect a signal emanating from the sensor when the sensor interacts with the electron beam.)

形成三维物品的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种通过逐层熔合粉末来形成至少一个三维物品的设备。

背景技术

自由成形制造或增材制造是一种通过将施加到工作台上的粉末层的选定部分进行连续融合来形成三维物品的方法。

这种设备可以包括：要在其上形成三维物品的工作台；粉末分配器，其布置成在工作台上放置薄粉末层以形成粉末床；用于将能量传递到粉末从而使粉末发生熔合的能量束；用于控制能量束发出的能量覆盖在粉末床上以通过粉末床的部分的熔合形成三维物品的横截面的元件；以及控制计算机，其中存储有关三维物品连续横截面的信息。通过连续形成的粉末层的横截面的连续熔合形成三维物品，这些粉末层由粉末分配器连续放置。

为了在特定位置熔化粉末材料以获得所需的材料特性，需要验证电子束束斑的尺寸和形状。需要知道能量束在不同位置的不同功率水平对应于期望的束斑尺寸和束斑形状。

目前，可以通过使用材料的发光(glowing)对电子束进行光学校准。这种校准方法具有几个缺点。首先，这很耗时，因为金属开始发光需要一些时间。其次，它需要相对较高的束功率才能使金属开始发光。第三，已经发光的金属可能已经局部损坏或至少在材料特性上发生了变化。最后，用于校准的光学设备可能会在校准过程中或后续过程步骤中获得金属化涂层。

在US 9406483专利中，公开了对上述问题的解决方案。在所述专利中，在X射线检测器和待熔化的粉末材料之间布置有图案化的孔径分辨器和图案化的孔径调制器。该方法的缺点在于，所述粉末表面，所述调制器和所述分解器之间的距离需要非常精确，这意味着所述系统可能是昂贵的和/或可能具有限定的温度间隔，在该温度间隔中该系统具有所需的精度。

鉴于以上和其他考虑，因此在本领域中需要一种与现有技术相比用于校准/验证束斑尺寸和形状的简单的末端效应方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过逐层熔合粉末来形成三维物品的方法和设备，其解决了本领域中的上述需求。

在本发明的第一方面，上述目的通过本文要求保护的设备的特征来实现。

根据各种实施例，本发明提供一种用于通过粉末床的各部分的连续熔合来形成至少一个三维物品的设备，上述部分对应于三维物品的连续横截面，该设备包括：粉末分配器，其被构造为将粉末层均匀地分配在设置在真空腔室内部的工作台上；以及发射电子束的电子束源，该电子束被构造为在与三维物品的横截面相对应的选定位置上熔合粉末层，其中：粉末分配器是细长杆，其设置成在粉末床上方的预定距离处可移动并且其中心轴线平行于工作台的顶表面，其中，在粉末分配器上面向电子束源设置至少一个传感器，其中至少一个传感器是至少一个包括至少一个开口的金属板；至少一个检测器，当传感器与电子束相互作用时，其用于检测从传感器发出的X射线和/或二次电子。在本发明的另一方面，提供了一种通过粉末床的各部分的连续熔合来形成至少一个三维物品的方法，上述部分对应于三维物品的连续横截面。

本发明的优点在于，电子束的校准和/或验证可以在三维物品的制造期间执行，这是现有技术无法实现的。

在本发明的各种示例实施例中，在传感器的开口中提供中空图案。

该示例实施例的优点在于，可以更详细地校准/验证电子束。

在本发明的各种示例实施例中，中空图案由与板相比具有更高原子序数的材料制成。

该示例实施例的优点在于，与板与电子束相互作用时相比，具有更高原子序数的材料更耐长时间的电子束撞击，并且在与电子束相互作用时还给出特性不同的信号。

在本发明的各种示例实施例中，传感器可以直接附接到粉末分配器的顶表面，或者附接在距粉末分配器的顶表面预定距离处。

该示例实施例的优点是粉末层的顶表面与传感器之间的距离独立于本发明的功能。只要已知粉末层的顶表面与传感器之间的距离，就可以对其进行补偿以实现在粉末层的顶表面处的电子束的期望特性。

在本发明的各种示例实施例中，板由与粉末分配器不同的材料制成。

该实施例的优点在于，更容易和更快地区分从粉末分配器本身和传感器产生的信号。

在本发明的各种示例实施例中，传感器被布置成沿粉末分配器的中心轴线可移动。

该示例实施例的优点在于，可以布置单个传感器以覆盖粉末床的整个区域，以便能够通过将粉末分配器和传感器移动到预定位置来校准/验证在粉末床的任何位置处的电子束。

在本发明的另一方面，提供了一种通过粉末床的各部分的连续熔合来形成至少一个三维物品的方法，上述部分对应于三维物品的连续横截面，方法包括以下步骤：用粉末分配器在工作台上均匀地分配粉末层；在对应于三维物品的横截面的选定位置处施加电子束以熔合粉末层；用至少一个检测器检测由电子束与附接到粉末分配器上的传感器的相互作用产生的X射线和/或二次电子，其中传感器是金属板，其包括至少一个面向电子束源的开口。

本发明的优点在于，电子束的校准和/或验证可以在三维物品的制造期间执行，这是现有技术无法实现的。

在本发明的各种示例实施例中，在粉末分配器移动的同时，检测由电子束与至少一个传感器的相互作用产生的x射线和/或二次电子。

该实施例的优点在于，与现有技术相比，最终产品的控制得到了改进，因为可以在制造过程中控制电子束的质量，即，将检测到的电子束的大小，形状和位置与参考数据进行比较，并且在有任何差异的情况下，可以进行调整。

附图说明

下面将参照附图以非限制性方式进一步描述本发明的各种实施例。在所有附图中，相同的参考标号用于指示相应的相似部分：

图1a描绘了构建腔室以及在构建腔室的任一侧的第一和第二粉末容器以及设有两个传感器的粉末分配器的俯视图的示例实施例；

图1b是图1a中粉末分配器的侧视图；

图1c示出了图1a中的增材制造设置的侧视图；

图2a-2c描绘了传感器的三个不同的示例实施例；

图3是增材制造设备的示意图；

图4示意性地示出了根据本发明的方法的流程图；

图5描绘了增材制造粉末分配系统的示例实施例的示意性侧视图。

具体实施方式

为了促进对本发明的各种实施例的理解，下面定义了许多术语。本文所定义的术语具有与本发明有关的领域的普通技术人员通常理解的含义。诸如“一”，“一个”和“该”的术语不旨在仅指代单数实体，而是包括其通用类别，其特定示例可用于说明。本文中的术语用于描述本发明的特定实施例，但是除了权利要求中概述的以外，它们的用法不限制本发明。

本文所使用的术语“三维结构”等通常是指旨在用于特定目的的预期或实际制造的三维结构(例如，一种或多种结构材料)。这样的结构等可以例如借助于三维CAD系统来设计。

如在各种实施例中在本文中使用的，术语“电子束”是指任何带电粒子束。带电粒子束的源可以包括电子枪，线性加速器等。

图3描绘了根据本发明的自由成形制造或增材制造设备300的示例实施例。设备300包括电子枪302；检测器304；两个粉末料斗306、307；起始板316；构建箱312；粉末分配器310；构建平台314；和真空腔室320。

真空腔室320能够通过真空系统维持真空环境，该真空系统可以包括涡轮分子泵，涡旋泵，离子泵和一个或多个本领域技术人员众所周知的阀，并且因此在此上下文中无需进一步说明。真空系统由控制单元控制。

电子枪302正在生成电子束，该电子束用于将设置在起始板316上的粉末材料318熔化或熔合在一起。控制单元可以用于控制和管理从电子束枪302发射的电子束。至少一个聚焦线圈(未示出)，至少一个偏转线圈(未示出)，可选的像散线圈(未示出)和电子束电源(未示出)可以电连接到该控制单元(未示出)。在本发明的示例实施例中，电子枪302生成可聚焦的电子束，其具有约60kV的加速电压并且束功率在0-10kW的范围内。当利用能量束逐层熔合粉末来构建三维物品时，真空腔室中的压力可以在1x10^-3-1x10^-6mBar的范围内。

粉末料斗306、307包括将被提供在构建箱312中的起始板316上的粉末材料。粉末材料例如可以是纯金属或金属合金，例如钛，钛合金，铝，铝合金，不锈钢，钴铬钨合金等。

粉末分配器310被布置为在起始板316上铺设薄的粉末材料层。在工作周期中，在每次添加粉末材料层之后，构建平台314将相对于电子枪302连续降低。为了使这种移动成为可能，在本发明的一个实施例中，构建平台314沿竖直方向，即沿箭头P指示的方向可移动地布置。这意味着构建平台314在初始位置开始，在该初始位置必要厚度的第一粉末材料层已经铺设在起始板316上。此后，与铺设新的粉末材料层相关联地降低构建平台，以形成三维物品的新横截面。降低构建平台314的装置可以例如通过配备有齿轮，调节螺钉等的伺服发动机。

三维物品的模型可以通过CAD(计算机辅助设计)工具生成。

在根据本发明的用于通过粉末床的各部分(这些部分对应于三维物品的连续横截面)的连续熔合来形成三维物品的方法的示例实施例中，包括第一步骤402：使用粉末分配器310在工作台314的顶部均匀地分配粉末层。

可以根据几种方法将粉末均匀地分配在工作台314上。分配粉末的一种方法是收集由粉末分配器310从料斗306、307掉落的材料。粉末分配器310在构建箱312上移动从而将粉末分配在工作台314上，或者在使用起始板316的情况中在起始板316上移动。粉末分配器310的下部与起始板316或先前的粉末层的上部之间的距离确定了分配在起始板316上的粉末的厚度。通过调整工作台314的高度，可以容易地调整粉末层的厚度。

在第二步骤404中，施加电子束以将粉末层熔合在对应于三维物品的横截面的选定位置中。电子束可以被引导到起始板316上，从而使得第一粉末层在选定位置熔合，以形成三维物品的第一横截面。电子束根据控制单元(未示出)给出的指令被引导到起始板316上。在控制单元中可以存储针对三维物品的每一层如何控制电子束枪的指令。

在完成第一层，即熔合粉末材料以制造三维物品的第一层之后，在起始板316上提供第二粉末层。第二粉末层优选根据与前一层相同的方式分配。但是，在同一台增材制造机器中可能会有其他方法将粉末分配到工作台上。例如，可以通过第一粉末分配器提供第一层，可以通过另一粉末分配器提供第二层。粉末分配器的设计会根据控制单元的指示自动更改。以单个耙(rake)系统的形式的粉末分配器，即，其中一个耙捕获从左粉末料斗306和右粉末料斗307两者下落的粉末，这种耙可以改变设计。

在将第二粉末层分配在起始板316上之后，将电子束引导到起始板316上，从而使第二粉末层在选定位置熔合以形成三维物品330的第二横截面。第二层中的熔合部分可以结合至第一层的熔合部分。通过不仅熔化最上层中的粉末而且还熔化至少直接在最上层下面的层的厚度的一部分，可以将第一层和第二层中的熔合部分熔化在一起。

可能有必要考虑当电子撞击粉末床318时在粉末中产生的电荷分配。电荷分配密度取决于以下参数：束电流，电子速度(由加速电压给定)，束扫描速度，粉末材料和粉末的电导率，即主要是粉末颗粒之间的电导率。后者又是几个参数的函数，例如温度，烧结程度和粉末粒度/粒度分配。

因此，对于给定的粉末，即具有某种粒度分配和某种加速电压的某种材料的粉末，可以通过改变电子束电流(从而改变电子束功率)和电子束扫描速度来影响电荷分配。

通过以受控方式改变这些参数，可以通过增加粉末的温度来逐渐增加粉末的电导率。具有高温的粉末获得明显更高的电导率，这导致电荷分配的密度降低，因为电荷可以迅速扩散到较大的区域。如果允许在预热过程中对粉末进行轻微烧结，则可以提高这种效果。当电导率变得足够高时，可以用预定值的束电流和束扫描速度将粉末熔合在一起，即熔化或完全烧结。

在第三步骤406中，可以检测到由电子束与附接到粉末分配器的传感器150a，150b，250的相互作用生成的信号。在熔合之前/之后，在熔合期间和/或在粉末分配期间，至少一个第一信号可由设置在真空腔室320内部或外部的检测器304捕获。检测器304可以是二次电子检测器或X射线检测器。

传感器150a，150b，250可以与检测器304结合，用于在增材制造设备300中校准/验证电子束的形状和尺寸。传感器150a，150b，250可以布置在粉末分配器110的顶部。图1a描绘了具有两个传感器120a，120b的粉末分配器110的第一示例实施例的俯视图。粉末分配器在此示例为位于构建腔室112上。在左侧和右侧布置有第一粉末容器106和第二粉末容器107。在图1c中描绘了该实施例的侧视图，其中还示出了在构建腔室112中的工作台(制造活塞)114以及在第一和第二粉末容器中的粉末输送活塞124、134。通过将粉末输送活塞124或134升高预定高度，可以分别从第一或第二粉末容器106、107收集预定量的要分配在工作台114上的粉末。粉末分配器110然后可以从粉末容器中的任一个收集可被获得的粉末，并在构建腔室内分配在工作台114上。在图1c中示出了三维物品130，其被构建在起始板116上。

传感器150a，150b固定在粉末分配器110上。或者，可以将一个或多个传感器150a，150b，250布置成在粉末分配器上可移动。传感器的运动可以沿着粉末分配器110的中心轴线和/或垂直于粉末分配器110。

电子束可以扫过传感器150a，150b，250，并且当电子束扫过传感器时，X射线检测器和/或二次电子检测器可以用于收集从传感器生成的x射线信号和/或二次电子。

传感器可以直接连接到粉末分配器的顶表面，也可以如图1b所示，与粉末分配器110保持一定距离。在图1b中，传感器150a经由间隔元件125附接到粉末分配器110，间隔元件125可以是多个条的形式。

图2a-2c示出了传感器150a，150b，250的三个不同的示例实施例。传感器可以是金属板220的形式，其包括例如明确限定的孔222。通过分析电子束扫过传感器150a，150b，250时的X射线信号和/或二次电子，可以确定电子束的形状和/或大小。在孔222内部，可以布置中空图案224。中空图案224可以由原子序数高于板220的金属材料制成。例如，板220可以由铝或不锈钢制成，并且预定中空图案224可以由铜或钨制成。电子束的束斑尺寸通常小于预定图案224的中空部分。当电子束扫过给定的孔222时，可以将孔222的边缘和预定图案的边缘确定为不同的信号。由于孔222和预定的中空图案224的尺寸是事先已知的，因此精度很高，因此可以根据给定的扫描图案确定电子束的形状，位置和扫描速度。校准参数可以存储在查找表中，以便在制造三维对象时使用。

可以使用的束表征方法是“刀口式束轮廓分析法”。当电子束撞击边缘材料(预定图案的边缘)时，将生成X射线光子和/或二次电子，并由检测器304检测。当束扫过预定图案的边缘时，来自检测器304的信号可以由示波器记录。然后可以将检测到的信号的形状转换为束直径，束形状和束位置。各个孔的位置可以从SEM图像确定。然后，束可以从左到右扫过预定的孔20。当第一条线曝光时，新的扫描将在竖直方向上以预定的偏移量开始。预定偏移量可以是0.2mm。重复该过程直到覆盖整个预定图案224。从第一条扫描线到最后一条扫描线，示波器连续记录来自X射线检测器和/或二次电子检测器的信号。

束大小和位置校准曝光程序取决于热分配和散热。由于一次暴露一个校准部位会在预定图案224中生成过多的热量，因此材料很可能会退化。然而，如果在单个回路中暴露出多个校准部位(孔)，则必须消散在预定图案224中生成的热量。如果采集到足够的样本，则从检测到的示波器信号中可以确定电子束的大小，形状和位置。扫描信号基本上是相应的高斯束轮廓的导数。刀口法(knife edge method)通过拟合erf(r，a)来优化扫描数据的误差函数，其中r为1/e²半径，“a”为侧面位置(flank position)。

因为被动式检测器设置在与电子束将要熔化的粉末材料的顶表面不同的水平上，所以可能需要针对该高度差补偿校准/验证，即，当电子束撞击传感器时，应该补偿来自传感器的检测信号，以补偿电子束的“失焦”，因为传感器与在增材制造过程中要熔化的粉末层的顶表面相比处于不同的z高度。需要优化在粉末层的顶表面上的电子束，而不是在传感器的高度上的电子束。

如果在粉末分配器和/或传感器移动的同时执行电子束的校准/验证，则需要使粉末分配器/传感器和电子束的移动同步。可替代地，在粉末分配器静止不动的预定固定位置处执行校准/验证。

如果确定在传感器150a，150b，250的给定位置处检测到的电子束尺寸和/或形状超出，则聚焦透镜和/或像散透镜的调节可以校正束尺寸/形状畸变。X射线检测和/或二次电子检测可以在调整过程中在该位置连续进行，直到获得所需的大小/形状。通过沿不同方向使电子束横扫该图案，可以针对传感器150a，150b，250可以位于的每个位置以高精度确定电子束束斑的尺寸/形状。

附接到粉末分配器的传感器的使用为在三维物品的制造期间的任何时间校准和/或验证电子束开辟了道路。校准和/或验证不仅可以在增材制造机器中更新或更换关键部件(例如电子丝的更换)时进行，而且可以在三维部件的制造过程中的任何时候(例如在预定数量的层之后，或者甚至在将要融合的每个单层之间)进行。

图2b描绘了根据本发明的传感器150a，150b，250的第二示例实施例的示意性俯视图。在该示例实施例中，传感器在板220中包括呈十字形的两个狭缝222、223。第一狭缝222可以具有第一宽度和第一长度，第二狭缝223可以具有第二宽度和第二长度。在这种类型的传感器中，当电子束扫过狭缝时，狭缝的大小和形状可用于生成信号。当通过使用例如上述“刀口式束轮廓分析法”将电子束扫过狭缝的边缘时，可以执行校准/验证。板220可以由铝，铜或不锈钢制成。

图2c描绘了根据本发明的传感器150a，150b，250的第三示例实施例的示意性俯视图。在该示例实施例中，传感器包括彼此附接的下板510和上板520，参见图5，其是图2c沿线A-A截取的剖视图。在替代实施例中，第一板和第二板可以彼此间隔开地附接，使得上板510和下板520分别基本上彼此平行。上板520包括预定数量的孔20和/或狭缝。下板510可以是实心板。下板可以由具有与上板520的材料不同的原子序数的材料制成。在示例实施例中，下板510由具有比上板520更高原子序数的材料制成。下板例如可以由铜或钨制成，而上板例如可以由铝或不锈钢制成。

在板彼此间隔开的情况下，上板和下板可以通过多个距离彼此附接，可以通过螺钉或铆钉或类似的紧固元件紧固到上板和下板。下板510可以是基本平坦的。上板520包括预定数量的孔20和/或狭缝。

可以在孔和/或狭缝222内布置预定的中空图案。

在第一示例实施例中，狭缝222可以由一个且相同的上板520制成。狭缝222可以通过蚀刻来制造。

在第二示例实施例中，上板520可以包括第一板和第二板，其中第一板包括预定数量的孔和/或狭缝，并且其中第二板包括预定中空图案。孔和/或狭缝222可以被水切割或钻出。第二板可以是具有预定图案的网，也可以是仅在与第一板的孔和/或狭缝222对准的选定位置处具有预定图案的实心板。预定图案是可以通过蚀刻制成的第二板。第二板面向下板510。与第一板相比，第二板可以更薄。在各种示例实施例中，第二板的厚度是0.05-0.20mm。在各种示例实施例中，第一板的厚度可以是1-3cm。在各种示例实施方式中，孔的直径或狭缝的宽度为约0.5-2cm。

预定图案可以包括具有尖锐边缘的条(bar)，以提高刀口式束轮廓分析方法的精度，该方法可以用于确定电子束的位置，大小和形状。

在各种示例实施例中，上板和下板之间的距离可以是5-10cm。

与第一板相比，第二板可以由不同的材料制成。第二板可以由具有比第一板更大的原子序数的材料制成。第二板可以由铜或钨制成，而第一板可以由铝制成。预定的中空图案可以是具有彼此以预定角度交叉的条的网。

预定的中空图案可以是十字图案。十字图案的中心可以位于孔222的中心。替代地，十字的中心不与孔222的中心对准。

在各种示例实施例中，不同的孔222可以具有不同的图案。例如，第一孔可以具有第一十字图案，第二孔222可以具有第二十字图案。十字图案之间的差异可以是十字条之间的角度。

图1b描绘了包括传感器150a的粉末分配器110的第一示例实施例的示意性立体图。粉末分配器可以是细长杆，其设置成可在粉末床上方的预定距离处移动，并且其中心轴与构建平台114的顶表面平行。杆的长度可以长于构建箱112中的构建平台114的宽度，以使得可以在构建平台114的每个位置上分配粉末。细长杆的横截面在图1b中显示为三角形。横截面可以具有任何形状，包括但不限于圆形，椭圆形，方形，矩形，多边形等。可以设置粉末分配器110的高度，以使粉末分配器110在竖直方向上具有预定的机械强度，即，在竖直方向上具有预定且可控制的弯曲。还可以考虑粉末分配器110必须向前推动预定量的粉末来选择高度。高度太小意味着与较高的粉末分配器110相比，粉末分配器可以向前推动的量较小。但是，太高的粉末分配器110可能会使从一堆粉末中捕获的粉末复杂化，即，粉末分配器的高度越高，为了通过以下方式从一堆粉末中捕获预定量的粉末可能需要的力越大：将粉末分配器移动到一堆粉末中，并使预定量的粉末从行进到一堆粉末的方向上的第一侧到粉末台方向上的第二侧落在粉末分配器的顶部。除了上述将耙移动到一堆粉末中的上述方法之外，还有其他用于捕获预定量的粉末的装置，例如，可以使用具有可移动底板的粉末箱并将其布置在构建平台旁边。通过调节底板的高度，预定量的粉末可以被刮掉并提供在构建平台上。一个或多个柔性板140可以附接到粉末分配器110。与粉末分配器相比，传感器可以由不同的材料制成。