用于制造三维物体的设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种使用粉状材料逐层制造三维物体（６）的设备，所述粉状材料可以通过利用能量射束（４）对其进行照射而凝固，所述设备（１）包括用于产生所述能量射束（４）的电子枪（３）和其上分布有粉状材料并且在照射过程中被能量射束（４）扫过的工作区域（５）。本发明专利技术的特征在于，所述设备（１）具有将受控量的反应气体输入所述设备（１）以使所述反应气体与位于工作区域（５）上的材料进行接触的系统（１２，１４，１６，１８），所述反应气体至少在暴露于能量射束（４）时能够与位于工作区域（５）上的材料发生化学和／或物理反应。本发明专利技术还涉及一种操作上述类型的设备的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用粉状材料逐层制造三维物体的设备和方法，所述粉状材料可以通 过利用能量射束对其进行照射而凝固。本专利技术尤其涉及具有用于产生能量射束的电子枪的 设备。
技术介绍
从例如US4863538、US5647931、SE524467 和 W02004/056511 中已知使用可以通过 利用电磁辐射或电子束对其进行照射而凝固的粉状材料逐层制造三维物体的装备。这样的 装备包括例如粉末供给装置、用于在工作区域上施加粉末层的装置和用于在工作区域上引 导射束的装置。当射束移过或扫过工作区域时，所述粉末烧结或熔融并凝固。在该
通常希望提高生产率并且在提高强度、均勻性、表面光洁度等方面 改善产品质量。对此已经进行了大量努力，以设法通过改变例如射束功率、 扫描速度和扫描 图案来优化能量射束照射程序，以及设法通过改变例如粉末的化学组成和粒度分布来改进 粉末。在这些方面仍需要改进。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种上述类型的设备，其利用电子枪产生能量射束并且 与常规电子束设备相比表现出加速生产过程并且改善产品质量的改进能力。这个目的是通 过独立权利要求1和7所包含的技术特征所限定的设备和方法实现的。从属权利要求包含 本专利技术的有利实施方案、进一步的改进方案和变化方案。本专利技术涉及一种使用粉状材料逐层制造三维物体的设备，所述粉状材料可通过利 用能量射束对其进行照射而凝固，所述设备包括用于产生能量射束的电子枪以及其上分布 有粉状材料并且在照射过程中被能量射束扫过的工作区域。本专利技术设备的特征在于，所述 设备具有用于将受控量的反应气体输入所述设备以使反应气体与位于工作区域上的材料 进行接触的系统，所述反应气体至少在暴露于能量射束时能够与位于工作区域上的材料发 生化学和/或物理的反应。通过将诸如氢气、烃和氨气的反应气体输入工作区域，可以与粉末、熔体或凝固材 料发生受控的化学和/或物理反应，以有利地影响生产过程或产品质量。例如，氢气、烃和 氨气可用来改善金属粉末的传导性和烧结性以及减少凝固金属中的氧含量。其它实例为， 烃和一氧化碳可以用来提高凝固金属中的碳含量。本专利技术也可以优选通过以受控方式接通和切断气流来构建其化学组成具有梯度 的物体。例如，为使钢组件即由钢粉制成的组件的表面硬化，可以仅在熔融和凝固各粉末层 的外周部分时向工作区域输入含碳或含氮的反应气体，所述外周部分将形成物体的表面。 当使物体的内部熔融时，优选切断气流以保持本体材料的刚性。通常，具有电子枪的设备工作在真空下，一般在至少10-2毫巴以下，以避免电子 束与位于电子枪和工作区域之间的原子或分子相互作用。常规做法是在设备内部产生可获，即该做法是从设备内部移除尽可能多的气体。与之不同的是，本专利技术 包括向设备内部供应气体的装置。在本专利技术的有利实施方案中，气体输入系统包括设置为控制输入设备中的反应气 体量的阀。优选的是，气体输入系统还包括用以测定设备中存在的反应气体量的气体传感 器。在本专利技术的优选变化方案中，所述设备包括用于控制所述阀的控制单元，其中所述控 制单元以电子方式连接到气体传感器和阀，用以传递来自传感器的信息并且用以控制所述阀。在本专利技术的有利实施方案中，反应气体为选自氢气、氘气、烃、气体有机化合物、氨 气、氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和一氧化二氮的气体或气体混合物。本专利技术还涉及一种操作上述类型的设备的方法。附图说明在下面给出的本专利技术的说明中参考以下附图，其中图1示出本专利技术的第一优选实施方案的示意图。具体实施例方式图1在示意图中示出使用粉状材料逐层制造三维物体6的本专利技术设备1的第一优 选实施方案，所述粉状材料可以通过利用能量射束对其进行照射而凝固。所述设备包括在 真空腔室2中产生电子束4的电子枪3。粉末床7位于高度可调节的工作台9上，该工作 台9设置在用于高度调节的螺杆10上。粉末取自粉末供给器(未示出)并且逐层施加到 工作台9上。粉末床7上部的一部分形成工作区域5，在照射过程中电子束4扫过工作区 域5。在照射工作区域5之后，将新的粉末层分布在粉末床7顶部上，并由此分布在工作区 域5上。这些部分以及如何控制电子枪3、如何在腔室2中建立真空等等，对于本领域技术 人员而言是公知的。该类型的设备通常是在腔室2中低于10-3毫巴的压力下运行的。和常规设备不同的是，本专利技术的设备1还包括用于将反应气体输入腔室2以使该 气体与位于工作区域5上的粉末材料进行接触的系统。因此，该气体输入系统能够在工作 区域5上方提供反应气体的气氛。该气体输入系统包括气体供给器14、阀12和气体传感器 16。传感器16和阀12以电子方式连接到(用虚线表示)控制单元18，用以传递来自传感 器16的有关腔室2中气体浓度的信息以及用以控制阀12。在该特定实施例中，控制单元 18也充当常规的中心控制单元用以控制设备1的其它部件，例如电子枪3。流向工作区域 5的气体用箭头11表示。根据需要，打开阀12以使反应气体可以从气体供给器14流入腔室2。在此处所示 的实施方案中，进入腔室2的气体迅速扩散，这意味着在整个腔室2中的气体浓度迅速变得 大致相同。因此，从传感器16接收到的信号大致对应于更接近工作区域5的气体浓度。根 据应用，更直接地向工作区域5输入气体可能是有利的。在该实施例中，气体传感器14是常规的压力传感器。作为替代方案，可以使用其 它的传感器类型，如气体专用传感器。使用的气体压力取决于应用。为避免与电子束的相互作用，气体压力必须比环境 压力低。然而，与通常旨在在可获得的尽可能低的气体压力下工作的常规设备相比，反应气4体的压力可以相当高。向工作区域5输入反应气体的目的在于，与粉末、熔体或凝固材料发生受控的化 学和/或物理反应以有利地影响生产过程或产品质量。可以使用不同的气体或气体混合物 来实现不同的效果。此外，当暴露于电子束4时，气体的反应性可以提高。例如，重质烃CxHy 可以被电子束4裂解成反应性更强的较轻片段CHX。反应气体可以采取连续方式输入腔室2，使得工作区域5上方的气体浓度在生产 过程中大致恒定。作为替代方案，该气体可以采取间歇方式输入，以影响特定的生产步骤或 者仅影响物体的一部分。就对于金属粉末的化学影响而言，反应气体可以用来减少表面氧化物和/或增加 粉末中的碳和/或氮。这种方式可以提高粉末表面处的传导性，这导致粉末烧结性的改善。 改善的烧结性意味着烧结过程以及由此导致的生产过程被加速，并且产品变得更为均勻， 得到更平滑的表面。此外，与粉末的化学反应也可以用来防止真空中存在的残余气体杂质 的吸附。就对于熔融金属材料的影响而言，反应气体可以用来吸附到熔体上以影响表面张 力，并且由此影响可润湿性和熔融特性；防止残余气体杂质的吸附；和减少合金化元素(如 钛合金中的铝)的蒸发。通过影响熔融特性，可以改善产品的可润湿性，并由此减少产品的 孔隙率并且改善产品的强度。就对于凝固金属材料的影响而言，反应气体可以用来调节碳、氮和氧的含量，进而 影响材料的拉伸性质和/或硬度。可注意的是，例如钛合金中氧含量从0.2%变化到0. 1% 对于材料的拉伸强度和伸长率具有显著的影响。氢气(H2)、氘气(D2)或其混合物(HD)可用来改善粉末的传导性和烧结性，并且减 少凝固金属中的氧含量。可以使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用粉状材料逐层制造三维物体（６）的设备（１），所述粉状材料可以通过利用能量射束（４）对其进行照射而凝固，所述设备（１）包括：－用于产生所述能量射束（４）的电子枪（３），和－其上分布有所述粉状材料并且在照射过程中被所述能量射束（４）扫过的工作区域（５），其特征在于，所述设备（１）具有用于将受控量的反应气体输入所述设备（１）以使所述反应气体与位于所述工作区域（５）上的材料进行接触的系统（１２，１４，１６，１８），所述反应气体至少在暴露于所述能量射束（４）时能够与位于所述工作区域（５）上的所述材料发生化学和／或物理反应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：乌尔夫阿茨凯利德，
申请(专利权)人：阿卡姆股份公司，
类型：发明
国别省市：SE