[發明專利]關于使用帶電粒子束的添加層制造的改進

有效

• 申請號: 201780086661.2
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN110301027B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 雅各布·艾伯特·范登伯格;馬丁·詹姆斯·赫西;伊恩·萊德勒;威廉·托馬斯·理查森
• 申請（專利權）人: 信實精密電子有限公司
• 主分類號: H01J37/305
• 分類號: H01J37/305
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 楊佳婧

提供了添加層制造中的電荷遷移的方法，其使用帶電粒子束(103)來熔融金屬粉末床(123)內的金屬粉末(122)以逐層形成產品，該方法包括使用帶電粒子束光學系統來形成帶電粒子束，操控帶電粒子束入射在金屬粉末的粉末床上并且掃描過粉末床以將粉末熔融成期望的層形狀。在操控帶電粒子束的同時，該方法包括使用中和粒子源(160)來在帶電粒子束的附近生成與帶電粒子具有相反電荷的中和粒子，使得中和粒子被吸引到粉末床中的粉末的帶電粒子。還提供了一種添加層制造裝置(100)。

技術領域

本發明涉及電子束或帶電粒子添加層制造中的金屬粉末上的電荷控制。

背景技術

添加層制造是一種制造過程，其中材料被選擇性地分層沉積在基底上以形成三維物品。為此過程采用的最著名的技術之一是粉末床熔融，其中一薄層的粉末—通常是金屬或者塑料—被諸如激光或電子束之類的能量源選擇性地熔化。粉末層的熔化區域形成物品的截面部分，而層中的未熔化粉末被丟棄并且通常在該過程結束時被回收利用。在該層已被選擇性熔化之后，新的一層粉末被沉積，然后也被選擇性地熔化，從而逐層地構造完整的物品。

本發明主要涉及使用由電子束加熱的金屬粉末的添加層制造，雖然諸如帶正電離子之類的其他帶電粒種也可用于加熱金屬粉末床。電子光學組件提供電子束。電子光學組件包括電子源和電場和/或磁場來形成、調節和操控電子束。通常，利用電磁偏轉器來操控電子束，這些電磁偏轉器被控制來將電子束掃描過粉末床，使得可在粉末床上掃描或描摹某個圖案。類似的布置可用于生成、調節和操控帶電粒子束。

由于電子束被掃描過粉末床，所以能量被沉積到粉末上，升高其溫度。對電子束的暴露被小心控制以確保金屬粉末的完全熔化，從而使得頂層內的粉末粒子熔融在一起并且使得頂層內的粉末粒子也與前一層熔融，從而形成固體產品。

金屬粉末通常是金屬合金，并且在添加層制造中使用了某個范圍的材料。鋁合金和鈦合金兩者都由于其合乎需要的材料屬性被使用，雖然兩者都苦于一個缺點，即這兩種材料都傾向于氧化并且變成絕緣或半絕緣粉末。當處于此絕緣或半絕緣狀態中時，用帶負電的電子束照射使得金屬粉末粒子變得自身帶電并且保持該電荷或其一部分。當用帶正電的粒子照射時類似的效應發生，不過金屬粉末粒子獲得凈正電荷而不是負電荷。

隨著電荷累積增大，金屬粉末粒子由于空間電荷效應而相互排斥并且它們可在粉末床上方或旁邊形成帶電金屬粒子的云或區域。此外，在電子束處理所要求的真空條件下，帶電金屬粒子由于庫侖排斥而自由移動。在真空室內可維持通常10^-3到10^-6毫巴的壓力。因此，移動帶電金屬粒子在真空室中四處遷移，包括遷移到電子光學組件中，在這里它們可不利地影響電子光學組件。此外，帶電粒子可遷移到電子光學組件頂部，到電子或帶電粒子源之處，該電子或帶電粒子源通常將被保持在例如-60kV的高電壓。將金屬粒子引入到電子光學組件的這個區域中將會引起高壓電弧作用，這可能對電子或帶電粒子發射器或者高壓電源本身造成損壞。要清除這些金屬粒子的柱需要大量的停機時間。制造過程的繼續將會導致品質低劣的部件，如果機器真的還能工作的話。

發明內容

從第一方面，本發明在于一種使用帶電粒子束來熔融金屬粉末床內的金屬粉末以逐層形成產品的添加層制造中的電荷遷移的方法。該方法包括使用帶電粒子束光學系統來形成帶電粒子束，操控帶電粒子束入射在金屬粉末的粉末床上并且掃描過粉末床以將粉末熔融成期望的層形狀。

在操控帶電粒子束的同時，該方法還包括使用中和粒子源來在帶電粒子束和/或粉末床的附近生成與帶電粒子具有相反電荷的中和粒子。例如，帶電粒子束可以是帶正電的離子束，并且中和粒子可以是電子。然而，在本發明內容部分的以下段落中，假定帶電粒子束是電子束并且假定中和粒子是正離子。本領域技術人員將會理解，可為替換布置適應性修改以下的描述，在替換布置中帶電粒子束是帶正電的離子束并且中和粒子是電子，并且本發明將以實質上相同的方式工作并且提供相同的優點。