[发明专利]具有过程监测设施的加层制造设备

说明书

一种加层制造设备(10)包括：壳体(11)，所述壳体(11)界定真空腔室(12)并且具有用于监测所述腔室的待执行加层制造的区域(13)的视窗(23A、23B、23C)；以及电子束柱(17)，所述电子束柱(17)用于生成电子束并且通过所述腔室(12)将所述束传输到所述区域(13)用于作用在易熔粉末材料、特别是金属材料的连续层(16)上，以由其产生物品(15)。为对抗作为具有低于所述材料的熔点的沸点的气相组成从所述层逸出的金属材料在所述视窗上的沉积的问题，所述设备另外包括：光学元件(26A、26B、26C)，所述光学元件(26A、26B、26C)布置在所述腔室(13)中以拦截此类所释放的气相组成，所述气相组成在真空环境中在所述腔室中沿着所述区域和所述视窗之间的光学路径行进；以及加热装置(27A、27B、27C)，所述加热装置(27A、27B、27C)用于将所述光学元件加热到基本上防止所拦截组成在其上冷凝的温度。

技术领域

本发明涉及加层制造设备，并且特别涉及一种用于监测所述设备的制造的一个或更多个方面的设施。

背景技术

加层制造是其中将材料按层选择性地沉积到基底上以便形成三维物品的制造过程。用于此过程的一种最突出的技术是粉末床熔融，其中通过能量源（例如激光或电子束）选择性地熔化粉末（通常为金属或塑料）薄层。粉末层的熔化区域形成物品的横截面部分，而层中的未熔化粉末被丢弃并且通常在所述过程结束时回收。在已经选择性地熔化每一层之后，沉积新粉末层，并且然后也选择性地熔化所述新粉末层，从而逐层构造整个物品。

电子束由高速带负电的电子的聚焦流组成，当撞击粉末床时，其传递能量。例如，大约200微米直径的聚焦束可以向所述床传递超过1千瓦的功率。所述束由源或枪例如使用热电子发射产生，并且由例如10千伏或以上的加速电压加速。所述束可以使用一系列可控线圈容易地操纵、聚焦和成形，从而产生影响构成所述束的电子的电磁场。

当使用电子束作为能量源时，所述过程必须在真空腔室中形成的真空中发生。如果所述过程在大气空气中发生，则束电子将频繁地与空气中的气体分子碰撞，这将耗散所述束中的大部分功率并减少束聚焦，带来的后果是不良的分辨率和缓慢的处理时间。因此，所述过程通常在10^-3毫巴或更低的亚大气压力下执行，其比大气压力低六个数量级。在此环境中，空气中的分子的行为与大气压力下的行为非常不同。在大气压力下，气体分子通常按“随机行走”方式行进（所谓的布朗运动），这由气体分子的频繁碰撞导致。相反，在高真空环境中，数量少的气体分子往往沿直线行进，直到其与真空腔室的壁碰撞。气体分子彼此的碰撞不那么频繁。

进一步考虑是各种材料的沸点也随压力而变化。在真空中，许多金属的沸点显著低于腔室温。例如，纯铝的沸点在10^-4托下为808° C，相比之下，在大气压力下为2,467° C。这意味着，一些合金的熔点在其由电子束处理的温度下可高于其一些组成元素的沸点。因此，合金的一些组成可能在短时间周期内开始沸腾，其中由引入到金属粉末层中的束能量产生的熔池仍存在。由于此沸腾而从熔池发出的这些组成的气相分子将如上所述沿直线行进，直到其与冷表面接触，在那里，其将反弹或冷凝并保留在所述表面上。在后一情况下，金属材料层将在熔池的视线内随时间的推移形成在若干表面上。

因此，由于高真空环境、高温、所处理金属材料的分压以及分子在真空中的所描述行为，因此当通过电子束执行加层制造时，熔池的视线内的任何东西都将趋于变得涂覆有金属冷凝物。铝冷凝物因熔化铝的分压以及含铝钛合金针对待通过加层制造产生的某些物品（例如航空航天部件）的频繁使用而是特别的问题。