CN116710284A - 使用粉末床熔融的增材制造 - Google Patents

Abstract

提供了一种被布置为使用带电粒子束来辐照粉末床的粉末床熔融装置，该装置包括中和粒子源，其可操作来提供与该带电粒子束具有相反电荷的中和粒子，以及中和粒子聚焦系统，其被布置为在带电粒子束在粉末上的辐照位置附近将来自中和粒子源的中和粒子束弱聚焦到粉末床上，以使得中和粒子中和带电粒子束对粉末床的充电。还提供了一种使用粉末床熔融装置的增材制造的方法，其中部件被形成为一系列层，每一层是通过将带电粒子束扫描过粉末床的一层以根据预定的模式熔化粉末来形成的。

Description

使用粉末床熔融的增材制造

技术领域

本发明涉及粉末床(powder bed)熔融装置在增材制造(additivemanufacturing)中的使用，具体地但不仅限于涉及当在电子束增材层制造期间辐照金属粉末时的电荷控制。

背景技术

为增材制造采用的最著名的技术之一是粉末床熔融，其中一薄层的粉末(通常是金属或者塑料)被诸如激光或电子束之类的能量源选择性地熔化。粉末层的熔化区域形成要构建的物品的横截面部分。在该层已被选择性熔化之后，新的一层粉末被淀积，然后也被选择性地熔化，从而逐层地构造完整的物品。

这种金属粉末通常是金属合金，其缺点是易于氧化并且成为绝缘或半绝缘的。当处于这种绝缘或半绝缘状态时，在粉末床熔融过程中，用带电粒子束(例如高能电子束)辐照，会使得金属粉末粒子本身变得带电并且保留该电荷或其一小部分。随着电荷积聚增大，金属粉末颗粒体验到增大的库仑斥力，这可能导致金属粉末克服作用于较低粉末层或熔化材料的重力和摩擦力。然后，带电的粉末层可以变得可移动，甚至可以从粉末床中排出，立即破坏按层增材过程并且有可能损坏装置。例如，粉末可能污染并且熔融到装置的组件。还可能形成高压电弧，并且移动的粉末可能散射电子束。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种使用粉末床熔融装置进行增材制造的方法，该方法包括以一系列层的形式形成部件，每一层是通过以下步骤形成的：(a)用第一带电粒子辐照粉末床以在粉末床上和邻近粉末床之处形成第一带电粒子的区域；(b)在形成第一带电粒子的区域之后，使用与第一带电粒子具有相反电荷的第二带电粒子束辐照粉末床，该方法包括将第二带电粒子束扫描过粉末床，以按照预定的模式熔化粉末；以及(c)使第二带电粒子束失活并且形成粉末床的新粉末层；其中，第一带电粒子减轻第二带电粒子束对粉末床的充电。

该方法还可包括控制第一带电粒子的动能能量和电流，以使得在第二粒子束被扫描过粉末床时，由于第一带电粒子和第二带电粒子束的交互，在粉末床上维持低于诱发粉末运动所需的阈值的平衡电势。

该方法还可包括在第二带电粒子束的辐照位置附近将第一带电粒子弱聚焦到粉末床上，以使得第一带电粒子减轻第二带电粒子束对粉末床的充电。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于增材制造中的粉末床熔融装置，该装置包括：第一带电粒子的第一源，可操作来提供第一带电粒子；第二带电粒子的第二源，可操作来提供与第一带电粒子具有相反电荷的第二带电粒子束；粉末床，用于接收第一带电粒子和第二带电粒子束；以及控制器，被配置为控制第一源和第二源的操作，来以一系列层的形式形成部件，每一层是通过以下步骤形成的：(a)用第一带电粒子辐照粉末床以在粉末床上和邻近粉末床之处形成第一带电粒子的区域；(b)在形成第一带电粒子的区域之后，使用与第一带电粒子具有相反电荷的第二带电粒子束辐照粉末床，其中第二带电粒子束被扫描过粉末床，以按照预定的模式熔化粉末；以及(c)使第二带电粒子束失活并且形成粉末床的新粉末层；其中，第一带电粒子减轻第二带电粒子束对粉末床的充电。

第二带电粒子束可以是带负电的电子束，其中第一带电粒子是带正电的离子。

第一带电粒子的第一源可以是被配置为生成惰性气体的正离子的离子源。

粉末床熔融装置可包括等离子体源作为第一带电粒子的第一源以生成正离子。

等离子体源可以是热离子发射等离子体洪泛源、射频等离子体源、空心阴极等离子体源或者双等离子管。

等离子体源可以是空心阴极等离子体源或双等离子管，并且该装置还可包括中和粒子聚焦系统，该系统被布置为在第二带电粒子束在粉末上的辐照位置附近将第一带电粒子的束弱聚焦到粉末床上，以使得第一带电粒子减轻第二带电粒子束对粉末床的充电。

粉末床熔融装置还可包括位于等离子体源的输出处的负提取器电极或栅格提取器，用来从等离子体中提取带正电的离子以形成第一带电粒子束，其中第一带电粒子束的电流不受施加于等离子体源的偏置电势的影响。

中和粒子聚焦系统可包括一系列静电圆柱或孔径透镜元件，这些透镜元件在等离子体源和粉末床之间沿第一带电粒子束排列，并且间隔开以支持其间的电场，其中每个透镜元件参考各自不同的电势。

最靠近粉末床的静电透镜元件可被配置为基本上处于地电势，以使得第一带电粒子的能量基本上由施加于等离子体源的偏置电势定义。

中和粒子聚焦系统可包括在等离子体源和粉末床之间沿第一带电粒子束排列的一系列电磁透镜元件，其中每个透镜元件传导各自不同的电流。

粉末床熔融装置还可包括围绕电磁透镜元件中的一个或多个的一个或多个铁氧体，以使得基本上没有磁场发出到中和粒子聚焦系统之外。

粉末床融合装置还可包括扫描系统，该扫描系统被布置为控制第一带电粒子束，以使得第一带电粒子束可以与第二带电粒子束伪同步地被扫描过粉末床，其中扫描系统可包括静电或电磁偏转器。

粉末床熔融还可包括被配置为处于地电势并且位于最靠近粉末床的静电透镜元件的输出处的金属丝网，以使得基本上没有电场从中和粒子聚焦系统或静电偏转器渗透到粉末床上。

聚焦系统可以采用弯曲，以使得在等离子体源和粉末床之间没有通过聚焦系统的直接视线。

粉末床熔融装置还可包括位于粉末床周围的热屏蔽，其中热屏蔽可被配置为处于地电势，以使得在热屏蔽和聚焦系统的最靠近粉末床的部分之间基本上不存在电场。

粉末床熔融装置还可包括缓冲器电路，其被配置为与施加于中和粒子源的偏置电势串联使用。

第一带电粒子的第一源可以被包含在与粉末床熔融装置的主构建腔室耦合的辅助腔室中。

基于上述内容，本发明的实施例提供了一种用于增材制造的方法和装置，在该方法和装置中，能够有效地减轻由用于熔化粉末的束引起的粉末床上的过量电荷积累。

在构建过程期间，与增材制造期间用于辐照粉末床的粒子具有相反电荷的粒子，会中和由于利用用于熔化的带电粒子束进行辐照而引起的粉末床上的金属粒子上的电荷。从而实现了的粉末床的充电的减轻。因此，电荷诱发的金属粉末颗粒的运动的实例可以被大幅减少，或者甚至被消除，避免了关联的不利影响。

本申请中公开的技术能够经由“预激”(priming)过程优化此机制，该过程控制用于电荷减轻的第一带电粒子的可用性。

在预激阶段中，利用与增材制造期间用于辐照粉末床的第二带电粒子具有相反电荷的第一带电粒子辐照粉末床。当构建过程开始时，粉末床上的电荷积累的减轻以一种自我调节的方式发生。由于第一带电粒子在第二带电粒子束辐照粉末床之前在粉末床附近是可用的，因此一旦第二带电粒子束被激活，粉末粒子电荷的中和就可以发生，并且以一种减轻粉末床上的会结束构建的过量电荷积累的方式发生，否则这种过量电荷积累会由第二带电粒子束引起。在使用第二带电粒子束形成每一层之前，包括预激阶段，确保了粉末床上产生的电荷低于诱发粉末移动性所需的阈值，避免了上述不利影响的加剧。

本申请中公开的技术还利用了中和粒子聚焦系统，该系统被布置为提供可被扫描过粉末床的中和第一带电粒子的聚焦束。这种方法实现了中和粒子源的高效操作，这也可能导致延长中和第一电荷粒子源的寿命，并且使得中和粒子在构建区域上能够均匀分布。

附图说明

将仅以示例方式并且参考附图来描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的增材层制造装置；

图2a示出了在根据本发明的实施例的增材层制造装置中使用的被动缓冲器电路；

图2b示出了在根据本发明的实施例的增材层制造装置中使用的主动缓冲器电路；

图3示出了根据本发明的实施例的包括中和粒子聚焦系统的增材层制造装置；并且

图4示出了根据本发明的实施例操作增材制造装置的方法。

将会明白，为了便于说明，附图中的一些元素不是按比例示出的。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的粉末床熔融装置1。图1示出的装置1被配置用于使用电子束17逐层熔化金属粉末以形成部件3的增材制造。

粉末床熔融装置1包括用于形成、调节和操纵电子束17的电子光学组件21。电子光学组件21包括被布置为发射电子的电子源7。电子光学组件21还包括电子提取和聚焦元件8，用于从发射的电子形成聚焦在粉末床处的电子束17，其沿着图1中示为装置1的z轴行进。电子光学组件21还包括电子偏转系统9，用于将电子束17扫描过金属粉末的床2，以将粉末熔化成期望的增材制造部件3。电子偏转系统9包括布置在电子束17周围的电磁偏转器。

电子光学组件21的操作是经由源自构建控制器(未示出)(例如一个或多个适当编程的计算机或处理器)的信号根据用于期望部件3的扫描文件来控制的，这是本领域已知的。

装置1还包括至少一个料斗4，该料斗4可操作来经由分配机构(未示出)分配粉末，以及支撑构建罐19的阶台20，该构建罐19被定位为在定义粉末床2的体积中接收分配的粉末。阶台20经由活塞在z方向上可移动，并且料斗4和活塞是结合源自构建控制器(未示出)的信号来控制的。

装置1还包括离子源11，用于生成和发射离子，以用于根据本发明的实施例的增材制造方法中使用的电荷减轻机制中，下面将更详细地描述。

在图1示出的配置中，离子源11是等离子体源。从等离子体源11发出的离子流16的行进方向相对于电子束17的行进方向形成一个角度。在图1示出的实施例中，电子束17平行于z轴并且离子流16的方向与z轴成角度，但是在替代实施例中，离子流16的方向可以与z轴对齐，并且电子束17与z轴成角度。经由源自构建控制器(未示出)的信号来控制等离子体源11的操作。

在本发明的实施例中，增材制造是在真空条件下执行的。因此，装置1还包括构建真空腔室5，聚焦的电子束17和离子流16在入射在粉末床2上之前通过该真空腔室5。与构建真空腔室5相耦合的是包含电子光学组件21的第一辅助真空腔室6，和包含等离子体源11的第二辅助真空腔室10。如在粉末融合系统的领域中已知的，以1x 10^-3毫巴至1x 10^-7毫巴量级的真空压力维持真空条件。

料斗分配粉末，以便在粉末床2表面上淀积测定量的粉末。诸如刮板或叶片(未示出)之类的机构用于将粉末均匀地分散在可移动阶台20上。电子光学组件21形成并且操纵电子束17以使得电子束17被扫描过粉末床2以加热和熔化粉末并且形成部件3的固体层。在形成了部件3的每一层之后，阶台20在z方向上被降低，以适应部件3的增大高度，并且允许下一层的扩散。

电荷减轻

如上所述，由于金属粉末颗粒上的绝缘或半绝缘氧化层，带负电的电子束17与粉末颗粒的交互可使得未熔化的粉末颗粒变得带负电。

在没有本发明的实施例中使用的电荷减轻方法的情况下，这可能导致粉末上的负电荷的积聚，从而对构建过程产生不利影响，包括如上所述的构建结束事件，其中粉末颗粒由于粉末床2中的具有相同电荷极性的其他带电粒子所施予的库仑排斥力而从粉末床2中位移，并且行进过整个构建腔室5。

在构建过程开始时电子束17激活之前的“预激”阶段中，粉末床2被来自等离子体源11的离子辐照，以使得粉末床变得被充电到正电势。对于静态粉末床2(即，没有电子束入射的粉末区域)，入射在粉末上的离子流16将继续在粉末上淀积电荷，直到粉末床2上的感生电势(单位V)等于离子的动能能量(单位eV)的大小为止。此时，带电粉末床2的电势足以对进一步进入的离子形成壁垒，这些离子没有必要的动能能量来克服势垒到达粉末床2。势垒减小了进一步进入的正离子的动能能量，直到它们到达带电粉末床2时的动能能量接近于零，并且在带电粉末床2上方形成自由正离子的“云”为止。这些动能能量接近于零的自由正离子可用于减轻构建过程期间负电荷的过度积聚。

预激阶段被配置成使得粉末床2不被充电到诱发粉末的运动的程度。这是通过适当限制第一带电粒子束的能量来实现的。

在预激阶段之后，电子束17被激活并且定向到粉末床2。电子源阴极相对于参考地的电子源阳极被保持在高电压，例如大约-60至-80千伏，以加速电子束17中的电子离开电子源7并且朝向粉末床2。这对应于具有伪单色能量特性的约60-80keV的电子束能量。等离子体源11被偏置以较低的正电压，例如+80至+300V，例如+200V，该电压被选择以便优化离子能量以最大限度地在粉末颗粒上淀积正电荷，同时不会发起带电诱发的粉末运动，这种运动将会干扰电子束17对粉末的熔化过程。

在静态状态期间积聚在粉末床2上的正电荷被由于电子束17而积聚在粉末床2上的负电荷所去除。电子束17能够诱发比离子流16诱发的正电势大得多的负电势，从而粉末床2的被辐照区域变得带负电。这种负电荷从粉末床2上方的自由正离子云中吸引正离子，在一些情况下，经由电子束17本身的导管，这起到了抵消由于电子产生的负电荷的作用。

于是，当电子束17被扫描过粉末床2时，由于离子流16和来自电子束17的电子的交互，在正在熔化的粉末区域上建立了平衡电势。平衡电势低于将会发起粉末移动性的阈值。随着电子束17和离子流16继续被使用，粉末床2上方的自由离子的云不断得到补充。从而，在整个构建过程中，离子很容易可用于所要求的电荷中和(即，取决于由于例如使用特定材料或电子束扫描策略而在粉末床2上积聚的负电荷的量)。通过这种方式，实现了一种自我调节的电荷减轻过程。

如上所述，这种自我调节过程防止了粉末积聚过多的负电荷，从而避免了由粉末床2上的过量电荷而导致的若干个可能结束构建的事件。

本发明的一些实施例包括连接到构建控制器的用户界面，以使得用户能够根据特定构建环境(例如，材料、特征分辨率)定制电荷中和参数，从而影响可用于电荷中和的离子数量、电荷中和过程的时间尺度以及可淀积在粉末床2上的离子的最大数量。在构建期间使用的电子束参数(例如，电子束电流、束斑大小、扫描速度、扫描路径和舱口几何形状)都决定了在给定时间期间在粉末床的给定区域上淀积多少负电荷。因此，电荷中和过程高度依赖于所使用的确切构建参数。

构建参数可以在层到层之间显著变化，因此在一些实施例中，可以根据这种变化来在层之间调整电荷中和参数。

在图1中图示的实施例中，示出了等离子体源11，其体现为等离子体洪泛源。等离子体源11通过对气体应用原子电离过程而产生低能量正离子，所述气体例如是惰性气体之一，例如氩、氦或氙，其被选择为不会引起在构建表面形成的最终金属部件3的金属晶格的间隙污染。氦是惰性气体中质量最低、移动性最高的，使用它可以有助于中和过程的效率。原子电离过程可以基于来自载流钨丝的热离子发射，以电离相对于地被保持在正偏置电势的放电腔室中的气体。使得以这种方式生成的等离子体经由等离子体源11中的孔径离开放电腔室。

如图1中所示，等离子体洪源11是这样的：它被包含在附接到构建真空腔室5的单独真空腔室10中。

级联电离和抑制

还可能有必要减轻存在于构建区域中的粒子的电子轰击电离的发生对构建过程的影响。

在构建过程期间，来自入射电子束17的电子可以被从粉末床2的表面弹性地反向散射。来自入射电子束17的电子也可以通过在构建表面电离材料而生成二次电子，并且这些二次电子可以被从粉末床2的表面喷射出来。反向散射的电子和二次电子都可以导致构建区域中存在的离子和原子(从等离子体洪泛源发出的原子和/或离子，或者从熔池18蒸发的原子)的进一步电离，产生更多的电子，这些电子进而可以导致进一步的电离事件。这样的电离事件序列在本文中称为级联电离。

由于等离子体洪泛源11的正偏置放电腔室和粉末床2的邻近，以及由于电子束17的带负电导管周围的带正电离子流16，在构建表面附近存在电场。这种组合电场的大小足以向构建区域中的次级电子施予额外的能量，导致电子-原子交互增加，从而在级联电离的发生中起到重要作用。

作为上述过程的结果，在构建体积内生成大的电子和离子电流。在构建区域中生成的大电子电流可干扰等离子体洪泛源11和附接到等离子体洪泛源11的电源的操作。如果对等离子体洪泛源的操作的干扰导致电子束17周围的离子流16生成的电场发生变化，这是由于电子束17和/或熔池18周围的离子电流密度的变化，则这可能导致电子束的位置移动。

上述场效应有可能导致与增材制造的组件的孔隙度、表面光洁度和几何准确性有关的许多问题。下面描述的电荷减轻方法和装置提供了对这种问题的解决方案。

在上述实施例中，通过向构建过程中引入预激阶段来实现与离开粉末床2的带电粉末颗粒相关联的电荷诱发效应的实质性去除。在需要减轻级联电离效应的情况下，可以将缓冲器电路与施加到等离子体洪泛源11的偏置电势串联布置。在级联电离发生在粉末床2处的情况下，缓冲器电路使得能够调节偏置电势。

如上所述，等离子体洪泛源11被偏置以正电压。在一些实施例中，等离子体源偏置电力供应单元(power supply unit，PSU)将等离子体洪泛源11的外部的电压设定在大约+80至+300V。在正常操作期间，此偏置电压起到从等离子体洪泛源11生成的等离子体中提取电子的作用，导致主导离子流16离开等离子体洪泛源11并且入射在粉末床2上。

然而，当级联电离发生在粉末床2处时，生成的大电子电流轰击等离子体洪泛源11的外表面，并且经由PSU行进到地。这超过了PSU的最大电流(通常为～2.5A)，并且使得PSU经由自我调节降低其设定电压，并且因此降低了等离子体洪泛源的偏置电势11。电压的降低有减小熔池18处的电场的效果。这是由于从等离子体中提取的电子更少，导致从等离子体洪泛源11离开的整体离子电流减小；从而，电子束17与离子流16之间的交互的大小减小，从而减小电场。等离子体洪泛源11的外部的电压的降低也可能是一个促成因素。

电场的减小抑制了构建区域中的级联电离过程，从而减小了经由PSU行进到地的等离子体洪泛源11的外表面上入射的电子电流。当通过PSU的电子电流下降到低于PSU的最大电流时，PSU的电压恢复到设定的水平。

一旦PSU的电压恢复，电场就像以前一样重建立(由于等离子体洪泛源11邻近粉末床2，以及粉末床2附近存在正离子)，并且级联电离过程从而被重启动。

以这种方式，上述过程不断重复自身，级联电离的效应被反复地发起和抑制。因此，级联电离给到达粉末床2的离子电流带来不稳定性，导致熔池18附近用于电荷中和的离子的可用性不一致。在粉末床2处的熔池18周围以及沿着电子束的整个长度诱发的离子电流密度的这种不稳定性，改变了电子束17的物理位置，损害了构建过程。

缓冲器电路的首要目标是稳定离子电流密度。在图2a示出的实施例中，缓冲器电路101包括串联在PSU 103和等离子体洪泛源放电腔室104之间的PSU正极线上的高功率电阻器102。这种布置在本文中被称为“被动缓冲器”。例如，电阻器102可以是高功率(200W)22Ω电阻器。在其他实施例中，被动缓冲器101可以是电容式或电感式设计。

当级联电离发生时，大的电子电流经由电阻器102到达地。这会在电阻102上引发电压降，与电流和电阻的乘积成正比。这个电压降降低了等离子体洪泛源104的有效偏置电压，如上所述，该偏置电压减小了由等离子体洪泛源104引起的电场和由离子-电子交互引起的电场。电场的整体减小抑制了级联电离效应的强度，或者可能完全消除级联电离效应。

缓冲器101能够以上述方式操作，比PSU 103能够调节其自身的供应电压以补偿高电流更快。因此，缓冲器101能够协助PSU 104的自我调节，并且在发生频率和幅值方面，使得电子束位置的偏转减小。

在其他实施例中，缓冲器电路利用主动反馈系统来控制粉末床2处的离子电流密度。这种布置在本文中被称为“主动缓冲器”。在图2b示出的实施例中，主动缓冲器201包括可变电阻202，例如MOSFET或可变电阻器，其支持对等离子体洪泛源主体203的有效偏置电压。反馈控制器204基于一个或多个电流传感器205a、205b测量到的偏置电流来主动控制有效偏置电压。

当级联电离发生并且所产生的偏置电流尖峰被检测到时，反馈控制器204调整可变电阻202来控制提供的有效偏置电压，以便稳定偏置电流。反馈控制器204能够进行操作来抑制级联电离，但比被动缓冲器更快，其中所需的时间动力学证明了提供主动反馈系统是合理的。

聚焦机制

如上所述，可以通过在构建之前用正电荷预激粉末床2以考虑到由电子束17诱发的负电荷，并且可选地，当在构建区域中发生级联电离过程时，通过采用缓冲器来调节等离子体洪泛源11的偏置电势，从而基本上去除许多不同的电荷诱发效应。

这种电荷中和技术涉及中和离子，这些离子分布在粉末床2的一个区域上，该区域显著大于熔池18的区域。入射在粉末床2上的宽域离子流16的强度随着离其中心轴距离的增大而迅速下降。

随着所需的构建尺寸增大，将明白，所需的离子流16的覆盖范围增大，并且在使用等离子体洪泛源11的情况下，覆盖区域的这种增大在粉末床2处的离子的中和分布中引入了不均匀性。此外，更大的构建区域将导致更长的构建时间，这增大了等离子体洪泛源11将被操作的时间，从而增加了其耗材灯丝的使用时间。

本发明的实施例旨在通过提供可被扫描过粉末床的聚焦离子束来提供对这些问题的解决方案。这种方法放松了用中和离子洪泛构建区域的要求，并且使得等离子体源能够更高效地操作。

通过聚焦来自等离子体源的离子，可以增大熔池处的离子的电流密度，同时显着减少从等离子体源的总离子输出，从而延长了等离子体源的寿命，同时聚焦离子束的扫描也使得中和离子能够在构建区域上均匀分布。例如，如果宽域洪泛系统采用1A的电流，则相当的聚焦离子柱系统将采用10-100mA的电流。

在图3示出的配置中，粉末床熔融装置10还包括离子聚焦系统220。使用正离子的点源或近点源向聚焦系统220提供离子。离子束可以具有比电子束170更宽的束宽和/或散度，并且术语“束”在本文中并不是用来要求使用任何特定的束宽的。等离子体源11可以是，例如，双等离子管或空心阴极等离子体源。在下面的描述中，在双等离子管110的上下文中描述实施例。

聚焦系统220被布置为调节和操纵由双等离子管110产生的离子束160。通过聚焦离子束160，可以确保离子集中在粉末床20的特定区域中。通过操纵离子束160，它的位置有可能跟踪电子束170的位置，从而确保离子只被提供给粉末床20的要求电荷中和的区域。这种组合在熔池180处实现了高离子电流密度，从而允许了双等离子管110的绝对离子输出减少而不损害电荷中和过程。将离子束160扫描过粉末床20的能力，进一步实现了大构建区域上的均匀电荷中和。

参考图3，离子聚焦系统220被示出在以相对于电子束170的行进方向的角度布置的柱内。在图3示出的实施例中，电子束170平行于z轴并且离子聚焦系统220与z轴成角度，但是在替代实施例中，该柱可以与z轴对齐，并且电子束170与z轴成角度。该柱在本文中也被称为离子柱。更详细地说，离子聚焦系统220包括多个离子聚焦透镜元素130，用于从离开双等离子管110的非聚焦离子中形成弱聚焦离子束160，该离子束沿着离子聚焦系统220的纵轴行进。经由源自构建控制器(未示出)的信号来控制离子聚焦系统220的操作。

装置10还包括位于双等离子管110的输出孔径处的高压负提取器元件120，以在双等离子管110产生的等离子体中阻滞电子并且提取离子。提取器元件120参照大的负电势，例如-4至-10kv，并且可以是电极、栅格或栅格系列。

装置10被布置成使得双等离子管110、提取器电极120和离子聚焦系统220被包含在形状与离子柱相匹配的单独真空腔室100中，该真空腔室附接到构建真空腔室50。双等离子管110和提取器电极120之间的高电场充当聚焦元件，吸引并且有效地将离开双等离子管110的正离子引导向离子聚焦系统220的输入元件。通过这种方式，只有等离子体的离子成分进入离子聚焦系统220，以便以下面描述的方式聚焦。

离子柱的长度允许了双等离子管110位于离粉末床20更远的地方，同时仍然维持足够的离子电流密度，足以使得能够通过使用离子聚焦系统220实现有效的电荷中和。双等离子管110和粉末床20之间的增大的距离减少了从热离子灯丝中蒸发的钨在构建材料中的掺入。

如上所述，离子聚焦系统220的使用增大了熔池180处的离子电流密度，从而允许了气体流入双等离子管110中的速率降低。这进而降低了构建表面处的气体压力，最大限度地降低了从双等离子管110发出的原子和离子的级联电离过程的风险，从而大幅减少了对构建有不利影响的电荷诱发效应。

在一些实施例中，离子聚焦系统220采用弯曲。这种布置通过消除双等离子管110和粉末床20之间通过离子聚焦系统220的直接视线，将进一步减少双等离子管110对构建区域的污染，或者从粉末床20蒸发的金属原子对双等离子管110的污染。

如前所述，离子聚焦系统220包括一系列的透镜元件，这些透镜元件在双等离子管110和粉末床20之间沿着离子束160排列。这一系列透镜元件包括离子聚焦透镜元件130，以形成弱聚焦的离子束160。离子束160被弱聚焦在50-60mm的区域上，并且被与电子束170的辐照位置伪同步地扫描，以使得电子束170的辐照位置周围的粉末区域在构建过程期间经由扫描电子束170辐照到其位置之前积聚了正电荷。

在本发明的一些实施例中，离子聚焦系统220包括沿离子聚焦系统220的纵轴排列的一系列静电透镜元件，每个透镜元件偏置到各自不同的电势，并且纵向间隔开以便支持其间的电场。离子聚焦系统220可由一系列多元件圆柱或孔径透镜组成。在一些实施例中，透镜元件130是直径D的圆柱透镜，间隔间隙G，其中比率G/D约为0.1。透镜元件可以由不锈钢、铝之类的形成。这种静电透镜系统的聚焦特性是透镜电压、圆柱或孔径直径、透镜元件之间的间隙和穿过透镜系统的离子的能量的函数。

与不存在离子聚焦系统220的情况相比，本发明的实施例的配置提供了具有聚焦离子束的更高离子电流密度和更低离子源电流。如上所述，这允许了使用更低的热离子灯丝电流和更低的气体吞吐量来操作双等离子管110，因为可以使用更低的总离子源电流来维持构建表面处的高电流密度。这延长了双等离子管110的寿命，并且通过延长用户服务之间的时间周期来减少停机时间。从而，可以实现覆盖粉末床20的更宽区域和包括更多层的更大型构建所要求的增加的构建时间。

最靠近粉末床20的透镜元件140被配置为基本上处于地电势，以使得离子能量除了发射的正离子的起始能量(10eV量级)以外，还由施加到双等离子管110和最靠近粉末床20的透镜元件140的偏置电势之间的电势差来定义。最终透镜元件140的接地避免了由于处于某个电势的电极与粉末床20的区域的邻近而引起的电场的引入，而离子束160的能量可以容易地经由双等离子管偏置电势来控制。“基本上”接地要被解释为包括与地的电气公差或偏差，这些公差或偏差是在特定的构建过程内可以容适的。

在替代实施例中，离子聚焦系统220包括一系列电磁线圈透镜元件，每个元件携带各自不同的电流并且是纵向间隔开的。

粉末床熔融装置10还包括扫描系统，本文中称为离子偏转系统150，其被布置来控制弱聚焦的离子束160，以使得离子束160可以与聚焦电子束170伪同步地被扫描过粉末床20。扫描过程是基于构建过程的扫描文件，结合从构建控制器提供的指令来控制的。扫描文件指定了若干个参数，例如束能量、束电流和束斑大小，以及一系列的光束位置和停留时间，这些位置和停留时间对于部件30的每一层定义了束穿过粉末床20的路径，这是本领域已知的。

这种伪同步使得离子束160能够完全包围电子束170的辐照位置的区域，在图3中示为与熔池180相对应，以使得至少一些正离子，特别是那些最接近电子束170的辐照位置的正离子，被吸引到带负电的粉末颗粒，在那里它们有助于抵消一些或全部负电荷。如上所述，这有助于减轻由于电子束170引起的负电荷的不利影响，并且使粉末颗粒保持在库仑交互将导致它们离开粉末床的电势阈值以下。距离电子束170的辐照位置更远的一些正离子使得尚未被电子束170辐照的粉末床20区域获取正电荷，但由于库仑力根据平方反比定律随增大的距离而迅速下降，因此它们本身不被带负电的粉末颗粒所吸引。尚未被电子束170辐照的粉末床20获取正电荷的机制类似于上述的预激过程，并且在构建过程期间导致离子云的补充以用于中和。

离子偏转系统150包括静电偏转器，在一些实施例中，静电偏转器是围绕离子柱的纵轴排列的一系列板，以使得每个板的表面的法线垂直于离子柱的纵轴。板是成对的，对的每个成员位于离子柱的纵轴的相对两侧，并且每一者被偏置以一个电势，以使得电场与离子束160的方向垂直地生成。在一些实施例中，x-y偏转系统包括两对板，每对板围绕离子柱的纵轴相对彼此成90度布置。

在一些实施例中，离子偏转系统150位于接地的最终透镜元件140中，以使得从透镜元件140到粉末床20上的偏转横向电场的渗透被保持在最小值。偏转器的优选材料是非磁性材料，例如不锈钢，铝或钛。

静电偏转器150与用于电子束170的电磁偏转器90电子耦合。该耦合由构建控制器控制，其方式确保了弱聚焦的离子束160和入射电子束170在被扫描时以伪同步方式松散地相互跟随。具体地，伪同步使得电子束170能够在离子束160的包络内快速移动。使用静电和电磁偏转器的这种组合会使得其每一者在偏转角度和响应率方面的优势得到最佳利用。在替代实施例中，离子偏转系统150使用电磁偏转器。偏转器和粉末床20之间的距离在所使用的偏转机构的性质和所要求的偏转角度中被考虑到。在一些实施例中，偏转器与粉末床20之间的距离在200-500mm的区域中。

在一些实施例中，装置10还包括被配置为基本上处于地电势并且位于最终静电透镜元件140的输出处的金属丝网，以使得基本上没有电场从静电偏转器150或离子聚焦系统220生成的电场渗透到构建区域中。

在离子聚焦系统220包括电磁透镜和/或离子偏转系统150包括电磁偏转器的情况下，粉末床熔融装置10还可包括一个或多个高磁导率铁氧体，以使得在离子聚焦系统220或离子偏转系统150之外基本上没有磁场。

在一些实施例中，装置10还包括围绕粉末床20定位的电隔离金属板，其充当热屏蔽，将来自粉末床20的红外辐射反射离装置10的其他组件并且返回到粉末床20。在这种情况下，热屏蔽被配置为基本上处于地电势，以使得在热屏蔽和最靠近粉末床20的透镜元件140之间基本上没有电场。

在一些实施例中，等离子体源是空心阴极等离子体源。通过避免电阻加热的热离子灯丝，等离子体源的寿命被显著延长到数千小时。此外，空心阴极等离子体源在其发射高离子电流的能力方面具有优势，使得更多的离子可用于中和。这使得在熔池18处能够有更高的离子电流密度，并且，在一些情况下，由空心阴极等离子体源产生的离子束可以在不使用离子聚焦系统220的情况下在熔池18处提供足够的离子电流密度。

离子束控制

由于使用了提取器电极120，如上所述，来自等离子体的离子电流不受双等离子管110处使用的相对较小的偏置电势的影响，而是由影响正离子生成速率的参数决定，例如通过双等离子管110的钨丝的电流、双等离子管110中的气体压力以及气体释放腔室的输出孔径的大小。

因此，离子能量和离子电流受到不同参数的影响，并且可以被相互独立地控制。可以使用离子电流的调整来控制可用于电荷中和的离子数量，以及电荷中和过程的时间尺度。离子能量的调整可用于控制可淀积在粉末床上的离子的最大数目。

如前所述，基于应用到电子束17的扫描策略，电荷减轻的最优参数可以考虑到在构建的特定部分期间使用的具体电子束参数。例如，在以慢电子束扫描速度使用高电子束电流的构建期间，电子束170将在粉末床20上每单位时间、每单位面积淀积更大量的电荷，从而要求更多的离子来实现有效的电荷中和。

此外，对于构建中使用的不同材料和采用的不同电子束扫描策略，要求离子流和能量的独立变化来充分优化电荷中和参数。特定金属粉末的电荷中和的最优参数可能受到诸如以下因素的影响：材料的密度、粉末颗粒的大小和堆积密度、粉末颗粒上的金属氧化物层的电容、对地电阻以及在用电子束170辐照期间粉末是静态的还是移动的。如果粉末颗粒是静态的，则粉末层与下面的材料(即，支撑金属板、先前熔化的粉末层、烧结的粉末、或者松散的未烧结粉末)之间的静摩擦系数将发挥作用。如果粉末是移动的，例如由于过度的充电，则动摩擦系数在决定粉末可被入射电子束170进一步移动的容易程度方面将发挥作用。

构建期间使用的构建参数和电荷减轻参数的组合将影响所制造的部件30的性质。例如，成品部件30的材料属性取决于构建材料层与扫描过该层的电子束170之间的交互(即，熔池的形成、粒子的运动以及大的热梯度)。

增材制造方法

根据本发明的实施例，还提供了使用粉末床熔融装置10的增材制造方法，如参考图4所图示，以及结合参考图3描述的粉末熔融装置10所描述。

构建控制器在步骤S10获得用于要制造的部件30的指令文件。指令文件包含控制器要遵循以形成部件30的计算机可执行指令，例如电子束构建参数(例如，束能量、电流、扫描速度、束斑大小)和在粉末床20上定位电子束170以形成部件30的每一层的地址序列。

在步骤S20执行预激阶段。构建控制器根据接收到的电荷减轻参数的规格(例如，特定离子束电流和能量以优化特定构建过程)来控制离子源110。用离子束160辐照粉末床20，以使粉末床20充电到与离子束160的能量相同大小的低正电势(例如，以用户指定的200eV的动能能量离开离子源110的正离子，将在粉末床20上诱发+200V的电势)。如上所述，在构建过程开始之前，以及在每个新层的构建开始之前，对粉末床20进行预激，会导致粉末床20上方的自由离子云的积聚，然后在整个构建过程中，这个离子云可用于电荷中和。

预激阶段可涉及将离子束160在粉末床20上定位于与电子束170的第一地址相对应的位置，以使得粉末床20的构建开始的区域被提前预激。在替代实施例中，离子聚焦系统220可被利用来使离子束160离焦，以使得粉末床20的更大区域在构建开始之前被预激，或者离子偏转系统150可被利用来将离子束160扫描过粉末床20的整个区域那么多，这取决于构建的要求。

在步骤S30，构建控制器根据构建参数的规格启动电子源70，并且将电子束170定位在从指令文件取回的第一地址处。本发明的实施例与任何特定的扫描策略兼容。当电子束170入射在粉末床20上时，它开始熔化粉末。在熔化粉末之前，在一些实施例中，步骤S30还可包括预热阶段，其中在熔化之前加热要熔化的区域，以便协助熔化过程。在预激阶段期间积聚在粉末床20上的正电荷立即被由于电子束170而积聚在粉末床20上的负电荷所去除。来自粉末床20上方的自由离子云的正离子从而被吸引到粉末床20上积聚的负电势，在那里它们抵消了由电子束170引起的负电荷，在正在熔化的粉末区域上建立了平衡电势。

在步骤S40，构建控制器从指令文件取回下一个地址，并且将电子束170移动到粉末床20上的指定地址。当电子束170在粉末床20上移动时，电子束170熔化粉末以形成期望的增材制造部件30。弱聚焦离子束160松散地跟随电子束170的位置，以使得电子束170和离子束160被伪同步地扫描过粉末床20。在一些实施例中，离子束160不连续移动，并且仅当电子束170的位置移动到被离子束160覆盖的粉末床20区域之外时才改变位置。

在步骤S50，由构建控制器判定在指令文件中是否有更多的地址，电子束170将在正产生的部件30的层内被定位在这些地址处。如果有更多的位置，则该方法返回(S50-Y)到步进S40，并且将电子束170移动到指令文件中的地址序列中的下一个位置。如果层内没有更多的位置(S50-N)，则该方法继续到步骤S60。

除了上面描述的初始预激阶段以外，粉末的连续预激在整个构建过程中发生。由于离子束160被弱聚焦在比电子束170更大的粉末区域上，并且与电子束170进行伪同步扫描，因此电子束170在移动经过粉末床20上的地址序列时，在它被电子束170辐照之前，电子束170的辐照位置周围的粉末区域被预激。

在步骤S60，电子束170被关闭。在步骤S70，构建控制器确定指令文件中是否有更多的层要处理。如果没有更多的层要处理(S70-N)，则该方法结束。然而，如果还没有处理所有层，则该方法经由步骤S80返回(S70-Y)到步骤S20。在步骤S80中，从指令文件中取回电子束170的下一层的构建参数，并且阶台200被降低，并且新的粉末散布，以为部件30的下一层形成粉末床20。返回步骤S20后，执行新散布的粉末的预激。

通过这种方式，对于部件30的每一层，电子束170可以被扫描过指令文件中指定的所有地址，并且离子束160可以与电子束170伪同步地被扫描，以使得部件30由增材层制造形成，并且离子束160用于在每一层被处理之前对粉末床20进行预激。

在离子源是等离子体洪泛源11(即，图1示出的配置)的替代实施例中，构建过程基本上如上所述，但包括使用离子流16来中和粉末床2，而不是将弱聚焦的离子束160伪扫描过粉末床20。

在上述实施例中，离子源被描述为提供与辐照电子束的电子具有相反电荷的正离子。然而，在替代实施例中，离子源可以提供电子或带负电的离子以减轻来自带正电的高能量束的电荷。与如上所述相同的操作原理适用。

应明白，粉末床融合装置可以依据用户对特定构建过程的要求被以多种不同的方式配置，并且不同实施例的兼容特征可容易被组合，例如中和粒子源、缓冲系统和中和粒子的聚焦系统的性质。如上所述，离子能量和离子电流的独立控制就是这样一个可以改变的方面。

Claims (21)

1.一种使用粉末床熔融装置的增材制造的方法，所述方法包括以一系列层的形式形成部件，每一层是通过以下步骤形成的：

(a)用第一带电粒子辐照粉末床以在所述粉末床上和邻近所述粉末床之处形成第一带电粒子的区域；

(b)在形成所述第一带电粒子的区域之后，使用与所述第一带电粒子具有相反电荷的第二带电粒子束辐照所述粉末床，所述方法包括将所述第二带电粒子束扫描过所述粉末床，以按照预定的模式熔化所述粉末；以及

(c)使所述第二带电粒子束失活并且形成所述粉末床的新粉末层；

其中，所述第一带电粒子减轻所述第二带电粒子束对所述粉末床的充电。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二带电粒子束是带负电的电子束，并且所述第一带电粒子是带正电的离子。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括：控制所述第一带电粒子的动能能量和电流，以使得在所述第二粒子束被扫描过所述粉末床时，由于所述第一带电粒子和所述第二带电粒子束的交互，在所述粉末床上维持低于诱发粉末运动所需的阈值的平衡电势。

4.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的方法，还包括：

在所述第二带电粒子束的辐照位置附近将所述第一带电粒子弱聚焦到所述粉末床上，以使得所述第一带电粒子减轻所述第二带电粒子束对所述粉末床的充电。

5.一种用于增材制造中的粉末床熔融装置，所述装置包括：

第一带电粒子的第一源，可操作来提供第一带电粒子；

第二带电粒子的第二源，可操作来提供与所述第一带电粒子具有相反电荷的第二带电粒子束；

粉末床，用于接收所述第一带电粒子和所述第二带电粒子束；以及

控制器，被配置为控制所述第一源和所述第二源的操作，来以一系列层的形式形成部件，每一层是通过以下步骤形成的：

(a)用所述第一带电粒子辐照所述粉末床以在所述粉末床上和邻近所述粉末床之处形成第一带电粒子的区域；

(b)在形成所述第一带电粒子的区域之后，使用与所述第一带电粒子具有相反电荷的所述第二带电粒子束来辐照所述粉末床，其中，

所述第二带电粒子束被扫描过所述粉末床，以按照预定的模式熔化所述粉末；以及

(c)使所述第二带电粒子束失活并且形成所述粉末床的新粉末层；

其中，所述第一带电粒子减轻所述第二带电粒子束对所述粉末床的充电。

6.根据权利要求5所述的粉末床熔融装置，其中，所述第二带电粒子束是带负电的电子束，并且所述第一带电粒子是带正电的离子。

7.根据权利要求6所述的粉末床熔融装置，其中，所述第一带电粒子的第一源是被配置为生成惰性气体的正离子的离子源。

8.根据权利要求7所述的粉末床熔融装置，包括：等离子体源，作为所述第一带电粒子的第一源以生成所述正离子。

9.根据权利要求8所述的粉末床熔融装置，其中，所述等离子体源是热离子发射等离子体洪泛源、射频等离子体源、空心阴极等离子体源、或者双等离子管。

10.根据权利要求5至8中的任一项所述的粉末床熔融装置，其中，所述等离子体源是空心阴极等离子体源或者双等离子管，所述装置还包括中和粒子聚焦系统，该中和粒子聚焦系统被布置为在所述第二带电粒子束在所述粉末上的辐照位置附近将所述第一带电粒子的束弱聚焦到所述粉末床上，以使得所述第一带电粒子减轻所述第二带电粒子束对所述粉末床的充电。

11.根据权利要求10所述的粉末床熔融装置，还包括：负提取器电极或栅格提取器，定位在所述等离子体源的输出处，用来从所述等离子体中提取带正电的离子以形成第一带电粒子束，其中，所述第一带电粒子束的电流不受施加到所述等离子体源的偏置电势的影响。

12.根据权利要求11所述的粉末床熔融装置，其中，所述中和粒子聚焦系统包括一系列静电圆柱或孔径透镜元件，该一系列静电圆柱或孔径透镜元件在所述等离子体源和所述粉末床之间沿着所述第一带电粒子束排列，并且间隔开以支持其间的电场，其中每个透镜元件参考各自不同的电势。

13.根据权利要求12所述的粉末床熔融装置，其中，最靠近所述粉末床的静电透镜元件被配置为基本上处于地电势，以使得所述第一带电粒子的能量基本上由施加到所述等离子体源的偏置电势定义。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的粉末床熔融装置，其中，所述中和粒子聚焦系统包括一系列电磁透镜元件，该一系列电磁透镜元件在所述等离子体源和所述粉末床之间沿着所述第一带电粒子束排列，其中每个透镜元件传导各自不同的电流。

15.根据权利要求14所述的粉末床熔融装置，还包括：一个或多个铁氧体，该一个或多个铁氧体围绕所述电磁透镜元件中的一个或多个，以使得在中和粒子聚焦系统之外基本上没有磁场。

16.根据权利要求10至15中的任一项所述的粉末床熔融装置，还包括：扫描系统，该扫描系统被布置为控制所述第一带电粒子束，以使得所述第一带电粒子束与所述第二带电粒子束伪同步地被扫描过所述粉末床，其中，所述扫描系统包括静电或电磁偏转器，该静电或电磁偏转器定位在所述中和粒子聚焦系统的最终透镜元件内。

17.根据权利要求16所述的粉末床熔融装置，其中，所述扫描系统包括静电偏转器，所述装置还包括金属丝网，该金属丝网被配置为处于地电势并且被定位在最靠近所述粉末床的静电透镜元件的输出处，以使得基本上没有电场从所述中和粒子聚焦系统或静电偏转器渗透到所述粉末床上。

18.根据权利要求10至17中的任一项所述的粉末床熔融装置，其中，所述聚焦系统采用弯曲，以使得在所述等离子体源和所述粉末床之间没有通过所述聚焦系统的直接视线。

19.根据权利要求10至18中的任一项所述的粉末床熔融装置，还包括：热屏蔽，该热屏蔽定位在所述粉末床周围，其中，所述热屏蔽被配置为处于地电势，以使得在所述热屏蔽和所述聚焦系统的最靠近所述粉末床的部分之间基本上不存在电场。

20.根据权利要求8至19中的任一项所述的粉末床熔融装置，还包括：缓冲器电路，该缓冲器电路被配置为与施加到所述中和粒子源的偏置电势串联使用。

21.根据权利要求5至20中的任一项所述的粉末床熔融装置，其中，所述第一带电粒子的第一源被包含在与所述粉末床熔融装置的主构建腔室耦合的辅助腔室中。