[发明专利]带电粒子束操纵装置

说明书

提供了一种使用附加层制造来形成产品的方法。该方法包括将产品形成为一系列层，每个层通过使用带电粒子束扫描粉末床以熔化被沉积为粉末床的粉末来形成，以形成期望的层形状。针对每个层，粉末通过使用相对长程偏转器和相对短程偏转器的组合扫描带电粒子束来熔融粉末床的连续区域而被熔化，其中，相对长程偏转器与短程偏转器相比使得带电粒子束偏转更大偏转角度。还提供了相应的带电粒子光学组件，以及附加层制造装置。

技术领域

本发明涉及一种附加层制造装置，其包括新颖的带电粒子束操纵装置，并且具体地，涉及一种新颖的电子束操纵装置。本发明还扩展到在附加层制造装置中操纵诸如电子束之类的带电粒子束的方法。

背景技术

附加层制造是成熟的领域。该技术将能量注入衬底介质中以改变衬底的部分，例如，熔化、熔合或硬化衬底，从而形成将形成的产品的层。附加新的衬底介质并形成下一层，依此类推。以这种方式，可以逐层形成产品。

可以根据需要从许多不同的材料选择衬底介质。例如，塑料和金属通常用作衬底介质。金属可以从一个或多个料斗以粉末形式提供，并铺在台上以形成粉末床。当形成每个层时，台可以降低粉末床的深度，并且新的粉末床沉积在部分形成的产品上。

能量源通常是激光束或电子束。本发明主要涉及电子束源，但延伸到其他类型的带电粒子束。使用电场和/或磁场控制这种电子束源以操纵或调节电子束。通常，电子束用作能量源并且使用电磁偏转器来操纵。这些电磁偏转器允许跨衬底介质扫描电子束，从而可以在衬底介质上扫描或描绘图案。

在设计阶段，要形成的产品被映射到XYZ笛卡尔坐标。然后可以将产品“解构”成将连续形成的层以制成最终产品。使用XY笛卡尔坐标(Z坐标对于每个层是固定的)描述要形成的每个层。电磁偏转器用于根据使用XY坐标定义为可寻址网格的期望路径扫描电子束。当波束遵循扫描图案时，由波束形成在任何特定层的粉末床中将形成的形状。扫描图案通常包括由矢量定义的可变长度的简单线(例如，链接每条直线的起点和终点)。这些线组合以形成该层的期望形状。

当在粉末床上扫描电子束时，能量沉积到粉末中，升高其温度。仔细控制对电子束的暴露以确保粉末完全熔化，使得顶层内的粉末颗粒熔合在一起，并使得顶层内的粉末颗粒也与前一层熔合，从而形成固体产品。然而，必须控制沉积在粉末床中的能量以防止产生缺陷并确保材料微观结构的正确形成。

当电子束传递其能量并且热量通过金属粉末传导时，形成熔体池。不是通过控制电子束停留在粉末床的特定位置而一次性将所有所需能量沉积到该位置，而是通常在熔体池内连续扫描电子束。通常，电子束多次访问一个位置。每当电子束通过一个位置时，电子束逐渐升高该位置的温度直到粉末熔化。还已知，在任何时候形成多个分离的熔体池而不仅仅是单个熔体池。因此，电子束可以在特定熔体池内连续扫描，然后跨粉末床偏转相对长的距离到另一个熔池，以此类推。

将电子束从熔体池移动到熔体池意味着当粉末床的区域被反复穿过而不需要熔化时，浪费了波束时间和功率。到目前为止，解决该问题的尝试着重于开发扫描算法以优化扫描策略和热控制。例如，许多努力已经集中于如何最好地将每个层的形状转换成扫描图案，从而最小化不需要熔化的粉末床区域的运输。然而，这些技术复杂且几何依赖。通常，必须为每个正在制造的产品开发定制的扫描图案。

此外，当前的扫描图案对电子束控制提出了非常不同的要求。据报道，用于在熔体池之间偏转电子束的波束偏转速度高达8000m/s，而在每个熔体池内扫描时，为了实现合理的熔化特性据说需要数十m/s的慢偏转速度。满足在熔体池内扫描相对于在熔体池之间扫描的不同要求在设计电磁偏转器时非常呈现了很大的挑战。

发明内容

从第一方面，本发明在于一种使用附加层制造来形成产品的方法。该方法包括将产品形成为一系列层，每个层通过使用带电粒子束扫描粉末床以熔化被沉积为粉末床的粉末来形成，以形成期望的层形状。针对每个层，粉末通过使用相对长程偏转器和相对短程偏转器的组合扫描带电粒子束来熔融粉末床的连续区域而被熔化，其中，相对长程偏转器与短程偏转器相比使得带电粒子偏转更大偏转角度。