[发明专利]制造三维物体的系统

说明书

一种用于通过分层沉积制造三维物体的系统，包括：用于形成放置在支撑板上的三维物体的底座基板(18)；功能组件(1)，包括气体放电电子束枪(2)、进料引导装置(3)、冷环形阴极(8)和两个环形阳极电极；气体放电电子束枪(2)的高压电源；将支撑板与底座基板(18)精确定位的系统；真空密封操作室；用于在操作室内产生必要的真空的真空子系统；控制系统和磁性透镜(13)。透镜(13)与气体放电电子束枪(2)和进料引导装置(3)同轴地放置在气体放电电子束枪下侧，从而能将初级中空电子束(9)在离开气体放电电子束枪(2)的放电室(12)之后将其转换为中空倒锥体的形状。可通过改变磁性透镜(13)中的电流来调节中空锥体的生成表面的倾角。

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别是涉及增材制造，即涉及通过将进料材料分层沉积在基板上来制造三维物体的系统。

背景技术

存在用于制造三维物体的方法和设备(例如，美国专利US7,168,935和US7,073,561)，根据该方法和设备，当相对于基板移动将进料材料进给到熔化区时，通过在基板上分层沉积进料材料而形成三维物体。然后通过能量束，例如通过电子束，使所述进料材料在那里熔化，然后在其离开加热区时凝固，从而形成材料的实心沉积层。这些方法和设备具有共同的特征，诸如应用焊接型热离子轴向电子束枪作为在基板上形成熔池和进料材料熔化的能量源。这种类型的电子束枪具有适当的电流-电压特性，诸如相当高的加速电压(60kV及更高)，并且它们需要在操作室内形成合适的操作条件，主要是高真空(通常为10^-2Pa或更高)。此外，在这样的方法和设备中，电子束垂直于基板表面落在该基板上，并且进料材料(通常是线材)以某一锐角从一侧进给到熔化区。

这些特征导致一些技术和财务问题，其中必须强调以下问题：

-在操作室中要达到规定的较早的高真空的要求，以及在此过程中需要使用单独的高真空泵来保护焊接型电子束枪的热阴极。由于需要使用多级真空系统，这会导致设备成本的显著增加。此外，由于在每个生产周期开始之前从操作室排出空气所需的时间增加，会导致设备效率降低。

-操作焊接型电子束枪所需的相对较高的加速电压会在操作室内产生X射线辐射，因此要保护人员免受此类辐射的危害，需要使用更厚的操作室壁；

-考虑到该区域的移动以及电子束枪本身和进给机构的位置的变化，在控制进给进料材料时很难与将电子束供应到形成熔化区的基板上的同一点进行精确协调。这些协调上的困难可以通过增加熔化区面积来弥补，该熔化区面积的增加是由该区域中更多热能的增加输入提供的。这导致基板上熔池的尺寸和深度的显著增加，并且导致形成正在制造的三维物体的过厚且粗糙的壁(厚度不小于10mm)。因此，这个缺点需要更多的机加工以获得最终产品(每个表面3到5mm)。

-在基板上强行形成过宽和过深的熔池会导致相对较低的冷却速率和熔体凝固，从而导致柱状金属结构相当粗糙，从而导致所获得材料在不同方向上的机械特性不均匀；

-技术上使用粉末作为表面加工的进料非常复杂。

另一种已知的技术是用于制造精密结构的激光加固系统(参见美国专利US2003/0116542A)，其中，进料沿呈中空倒锥的形式的激光束的轴线同轴地进给。首先，这种激光束具有传统的实心圆柱形状，然后才由于来自反射镜系统的反射而呈中空倒锥的形式，而用于供应进料的管则直接沿连续的圆柱光束的轴线直到第一锥形镜放置。另外，根据该专利，中空倒锥相对于垂直线的倾角由25-30度的值限制。

上述系统的主要缺点如下：

-提出的技术解决方案假设通过在该熔池中累积的能量，即通过间接加热添加的材料，使熔池中的进料(粉末或线材)熔化。在这样的解决方案中，需要输入到基板的明显过量的功率以通过在熔池中累积并保持的热量来提供添加的材料的熔化。此外，沉积速率的任何变化都必须通过改变熔池参数来提供，由于热导率使熔池更宽、更深，这对于形成沉积材料至关重要-包括其形状/尺寸(甚至可能会出现先前构建层的破坏)及其金属结构；