粉末起始材料的增材制造系统以及生产构件的方法与流程

粉末起始材料的增材制造系统以及生产构件的方法
1.本发明关于一种用于粉末起始材料的增材制造系统，包括电子束枪作为照射单元。此系统包括免于游离辐射(尤其是x射线)的改良屏蔽。


背景技术：

2.由先前技术已知工件增材制造用的装置及方法，其亦依术语增材制造(additive manufacturing，am)闻名。亦表达为「生成制造技术」或「3d打印」。原料可呈粉末形式或液体。粉末制程包含譬如选择性激光熔化(selective laser melting，slm)、选择性激光烧结(selective laser sintering，sls)、或电子束熔化(electron beam melting，ebm)。原料是由塑料或金属组成。
3.在与粉末形式原料结合工作的制程的情况下，材料是以一层的形式涂施至可降低工作表面上，以在此处分段熔化或烧结。接着，上述工作表面降低一层厚度。另一层接着涂施至上述层上，且重复与上述第一层相同的程序。选择待熔化或烧结的区段，以层式逐步建立三维工件。
4.对比于激光制程，依据电子束熔化(ebm)制程工作的系统使用一或多个电子束枪作为辐射源。使用此等系统时，由于当电子束撞击至粉末表面时，将生成除了预期的热以外的x射线，因此必须屏蔽此等系统抗游离辐射。为了遮蔽以免于游离辐射、且尤其是x射线，系统壁通常耗时费力地设有主要地由铅、亦或钢制作的覆层。为了能够可靠地吸收游离辐射，此等覆层需要对应的最小厚度。这将使系统非常重且因此难以保养。除此之外，此等厚覆层亦造成相当大的成本。除此以外，铅在生理方面将成为问题。
5.发明目的
6.从这些问题出发，本发明的目的是提供一种包括电子束枪的增材制造系统，藉由此系统克服先前技术的装置的缺点。尤其是，本发明的目的是提供一种可藉调整尺寸成较小且轻量的遮蔽件实现而不致损害建造制程的装置，以及提供一种以上述装置生产构件的方法。


技术实现要素：

7.本目的是以如权利要求1的增材制造系统、及如权利要求11的制造构件的方法达成。较佳具体实施例的变型是附属项的目标。
8.一种依据本发明的用于粉末起始材料的增材制造系统包括：
[0009]-一真空室，包括：
[0010]
至少一建造区域，具有一建造平台，
[0011]
至少一粉末贮器，布置于建造区域侧端，
[0012]
至少一粉末涂施组件，水平地布置而可在至少一粉末贮器与至少一建造平台之间移动，以将来自至少一粉末贮器的粉末起始材料分配于至少一建造平台上，其中粉末涂施组件在每一粉末分配制程横越建造区域至少一次，及
[0013]-至少一电子束枪，与至少一建造区域关联，
[0014]
其特征在于
[0015]-至少一建造区域是藉抗游离辐射的一遮蔽件围绕，遮蔽件包括四个壁，上述壁其中两者可藉真空室的壁形成，
[0016]-至少在沿至少一粉末涂施组件移动方向上的两侧上的遮蔽件的多个壁是由一上部件及一下部件组成，
[0017]
其中
[0018]
上部件刚性地连接至真空室，由2到11个水平地间隔的金属薄板形成，且具有在建造平台上方的净高(clear height)而容许粉末涂施组件水平地移动通过建造区域，及
[0019]
下部件连接至一垂直可动框架，且由2到11个水平地间隔的耐火金属薄板形成，此等耐火金属薄板与上部件的多个金属薄板依啮合方式布置，且依不透射线(radiopaque)的方式附接至可动框架，及
[0020]-下部件可相对于上部件在垂直线上移动于一闭合位置与一打开位置之间，其中下部件的多个耐火金属薄板
[0021]
在闭合位置时布置成，使得耐火金属薄板的下缘与建造区域的表面上的一沟槽结构啮合且同时形成迷宫式(labyrinth)结构，及使得耐火金属薄板的上缘与上部件的多个金属薄板啮合且同时形成迷宫式结构，及
[0022]
在打开位置时于上部件的多个金属薄板之间不再移动，以容许粉末涂施组件通过建造区域的水平移动。
[0023]
依据本发明的增材制造系统可配备有涵盖一较大建造平台的多个个别区域的多个电子束枪，或者其亦可配备有多个建造平台而一或多个电子束枪关联于上述建造平台其中每一者。后者的装配提供了在此情况下，仅单一真空室必须抽空的利益。
[0024]
在本案的背景下，上述建造区域被理解为，意指建造平台设置所在的增材制造系统的真空室内的区域，在此建造平台上以电子束轰击粉末起始材料，且藉此建立构件。
[0025]
粉末涂施组件可譬如为一刮刀、或一涂施滚筒。从粉末贮器提供用于构件的次一层的粉末藉上述粉末涂施组件均匀地分配于建造平台的表面上、或已设置于表面上的层上。为此，粉末涂施组件行进通过整个建造区域一次。上述移动发生至少达建造平台的末端，但大体上达完全在对立壁处的一末端位置，这因一过量粉末收集容器或另一粉末贮器通常附接于此处。结果，不可能附接任何设备于粉末涂施组件的移动区域中，尤其是在建造平台上方。然而，这是x射线辐射源所在的地点，上述x射线辐射当电子束撞击至粉末表面上时出现。
[0026]
在依据本发明的增材制造系统中，解决的问题在于，直接地在建造区域周围使用一抗游离辐射遮蔽件，其可与粉末涂施组件的移动同步地抬起。因此，无需提供系统的整个外壁一遮蔽件，而远小于此遮蔽件的遮蔽表面即足够，这因上述遮蔽表面布置于较靠近辐射的原点。如此，可简单地藉缩小表面积来省去一相当大的重量。
[0027]
然而，在此情况下，倘外壁的遮蔽表面简单地依仅缩小尺寸的相同方式设计，则仍有必须移动相当大质量的问题。除了机械应力外(这将需要一相对应的稳定机构)，亦将因重质量的移动无法如粉末涂施组件的移动时间一般快速地发生，而亦使建造制程减慢。
[0028]
为了解决此问题，本发明的抗游离辐射遮蔽件并非由一实心板制作，上述实心板必须全部移动，且因此亦需要一在真空室的顶板中的真空密封通路。反而，遮蔽件划分成两
部件，包含一固定至真空室的顶板的上部件、及一可动下部件。结果，仅有位于粉末涂施组件的移动范围中的部件需移动。除此以外，实心薄板以许多薄型薄板取代，此等薄型薄板间隔分开较远，使得上部件与下部件的薄板可依啮合方式移动。此啮合布置形成迷宫式结构，确保无直射束路径，而辐射在多个啮合金属薄板处反射多次且因此减慢。
[0029]
更，可动下部件的薄板由耐火金属制作。当在本案中谈论「耐火金属薄板」时，这被理解为由混合物或合金制作的薄板，此等混合物或合金含有超过50％重量、譬如超过60％重量、超过70％重量、超过80％重量、超过90％重量、超过95％重量、尤其是超过99％重量的耐火金属。耐火金属在本案的背景下被理解为高熔点金属钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、及钨。除了高熔点外，此等材料主要特征在于高密度、且最重要地高游离辐射比吸收系数。如此，可藉较薄的薄板达到比得上习知外壁上厚铅或钢层的屏蔽性能。在此，耐火金属尤其相较于铅的较高耐温度性优点非常重要，这意谓遮蔽件可移动较靠近辐射点且因此需要较小的表面积。除此以外，铅具有不充分的机械稳定性，这将阻碍其依薄板形式附接至一可动框架，已单单为机械原因而不可有增高的温度。钢在这点上给予较佳的稳定性，但因其吸收系数较低而将必须制成较厚且因此较重。
[0030]
下部件的耐火金属薄板较佳地由钨、钼、铼、钽、及/或其混合物或合金组成。钨、钼、钽、及/或其混合物或合金尤其是较佳。合金及混合物可较佳地由铜制成。
[0031]
无需移动的遮蔽件的上部件并非必要地须由耐火材料组成，亦可因成本理由而由其他金属组成。然而，倘真空室保持非常低的温度、或倘必定因金属粉末被处理而生成非常高的温度，则亦仍期望由耐火金属制造上部件的薄板。在此情况下，可使用相同于下部件的耐火金属。在设计变型中，上部件的金属薄板由不锈钢、铜、耐火金属、及/或其混合物或合金组成。
[0032]
已证实以从外侧至内侧递减的长度来设计上部件的个别薄板是有利的。在此情况下，多个下缘均匀地对齐，使得多个上缘依梯级偏置(offset in steps)。这将使附接多个金属薄板至真空室顶板更为容易。
[0033]
上部件及下部件的薄板数量的决定取决于电子束枪及藉其生成的游离辐射的功率、以及所使用的金属。根据选定金属的吸收容量，已证实2到11个薄板金属属最佳。为了安全理由，应较佳地选择薄板的数量，使得恒较屏蔽所必要者多装设一个薄板。
[0034]
为了成本理由，可较佳地由市售的标准尺寸的个别耐火金属薄板部件生产遮蔽件。较优地在每一层耐火金属薄板中提供至少两个接点，此等薄板不重迭，以避免因热膨胀所致畸变而造成的倾斜。此等个别薄板可在上述接点处具有达50毫米、达40毫米、达30毫米、或达20毫米的间隙。间隙较佳地为5毫米到25毫米、最佳地为10毫米到20毫米。上部件及/或下部件内的两耐火金属薄板连续层之间的多个接点分别地未对齐布置，以避免自由射束路径。
[0035]
下部件的多个耐火金属薄板较佳地各具有0.1到20毫米的厚度。薄板的厚度可为0.1到20毫米、0.5到15毫米、1到10毫米、2到8毫米、或3到6毫米。厚度可尤其为至多20毫米、至多15毫米、至多10毫米、至多8毫米、或至多6毫米。尤其是，厚度可为至少0.1毫米、至少0.5毫米、至少1毫米、至少2毫米、或至少3毫米。
[0036]
除了耐火金属薄板外，下部件亦可包括一或两个不锈钢薄板层作为最内层以用作为附加防热。此等不锈钢薄板层因此亦可布置成一双重层，其彼此相距的距离较耐火金属
薄板小。不锈钢薄板首要地贡献于防热，而亦在较小程度上贡献于防辐射。此措施保护较昂贵的耐火金属薄板防热，使得耐火金属薄板具有较长的寿命。另一方面，较便宜的不锈钢薄板可更常替换。
[0037]
上部件的金属薄板较佳地各具有1到100毫米的厚度。金属薄板的厚度可为1到100毫米、2到75毫米、3到50毫米、4到25毫米、或5到15毫米。厚度可尤其为至多100毫米、至多75毫米、至多50毫米、至多25毫米、或至多15毫米。尤其是，厚度可为至少1毫米、至少2毫米、至少3毫米、至少4毫米、或至少5毫米。上部件的金属薄板的厚度较佳地设计成，与下部件的耐火金属薄板匹配，使得上部件与下部件吸收近乎相同量的辐射。上部件中的金属薄板并非必要地须具有一致厚度。例如，金属薄板亦可制成，在成迭薄板外侧处较内侧处厚。
[0038]
最佳地，当下部件的耐火金属薄板与上部件的金属薄板啮合时，彼此各具有1毫米到50毫米的间隔。是以，耐火金属薄板之间的距离譬如1毫米加上部件中金属薄板的厚度加1毫米。在任何情况下，多个薄板之间的距离应远较薄板的高度小，以可靠地扮演辐射陷阱(radiation trap)。薄板之间的距离应尤其至多达上部件与下部件在闭合状态下啮合衔接所遍及距离之半。如此，多重反射可在生成的射线迷宫中最大化。
[0039]
多个对应沟槽形成于建造区域的顶面上，遮蔽件的下部件的薄板的下缘在遮蔽件的闭合状态下，以相同于其上缘在上部件的薄板的下缘中的方式，接合至上述对应沟槽中。是以，亦在遮蔽件的下部件的底侧处产生迷宫，而防止辐射逸出。
[0040]
在一具体实施例中，下部件的耐火金属薄板具有超过10公克/立方公分的密度(在20℃下)。
[0041]
抗游离辐射遮蔽件可依两种不同方式建造。在任何情况下，遮蔽件包括四个壁，围绕、且因此遮蔽建造区域。上述壁其中两者可藉真空室的外壁形成，因此依通常方式设有一屏蔽材料。此材料亦可为通常材料，譬如铅及钢，但较佳地不使用铅、而为耐火金属或钢。在此情况下，此两个壁是不置于粉末涂施组件的移动方向上的屏蔽壁。至于粉末涂施组件的移动方向上的壁因此依两部件形式设计有一上部件及一下部件，使得遮蔽件可被抬起，以容许粉末涂施组件通行。
[0042]
然而，更佳地是使用四个分离壁来作为遮蔽件。这将在所有侧产生到辐射点的最小距离，使得必然使用最小的屏蔽材料表面积及质量。
[0043]
最佳地，遮蔽件的所有四个壁皆由一上部件及一下部件组成。由于并非每一类型粉末涂施组件或其驱动件皆可能结合两个固定壁，因此这特别有利。倘譬如在一刮刀的情况下，此等粉末涂施组件或其驱动件横向地导引及/或驱动，因此所有四个壁皆必须被抬起，以允许刮刀穿越建造区域。是以，粉末涂施组件有更大的设计自由。
[0044]
在设计变型中，下部件的耐火金属薄板对可动框架的不透射线的附接包括一隔片螺栓紧固，其具有两个不同直径。第一直径调整尺寸成，与耐火金属薄板中的孔匹配。上述多个隔片螺栓在孔外侧具有的第二直径较大，使得通过孔途中的辐射藉隔片螺栓屏蔽，此屏蔽方式与非多孔区域中藉耐火金属薄板屏蔽的方式相同。
[0045]
在较佳的设计变型中，粉末涂施组件是一刮刀或一滚筒。
[0046]
依据本发明的藉使用一增材制造系统生产一构件的方法的步骤包含：
[0047]
a)提供一依据本发明的增材制造系统，
[0048]
b)提供在至少一粉末贮器中的粉末起始材料，且抽空真空室，
[0049]
c)移动遮蔽件的下部件至打开位置，
[0050]
d)藉水平地移动粉末涂施组件于至少一粉末贮器与至少一建造平台之间而至少一次完全横越建造区域，以将粉末起始材料从至少一粉末贮器分配于至少一建造平台上，
[0051]
e)移动遮蔽件的下部件至闭合位置，
[0052]
f)藉至少一电子束枪照射粉末起始材料，以生产构件的一层，
[0053]
g)重复步骤c)至步骤f)，直到完成构件。
[0054]
根据粉末涂施组件的设计、及涂施制程，可依简单一次性移动、或依往复移动来涂施粉末层。在后者的情况下，遮蔽件仍保持打开，直到粉末涂施组件已在第二次移动后返回到其起始位置。仅在此后，遮蔽件降下且照射起始。
[0055]
照射仅在遮蔽件闭合的前提下发生。只要遮蔽件打开，电子束枪即停止动作。
附图说明
[0056]
图1是依据本发明的一增材制造系统在起始位置中闭合状态下的立体剖面图。
[0057]
图2是藉遮蔽件围绕的建造区域的立体剖面图。
[0058]
图3是图1的系统在打开状态下且粉末涂施组件进入建造区域前的立体剖面图。
[0059]
图4是图1的系统在打开状态下且粉末涂施组件在建造区域内的立体剖面图。
[0060]
图5是出自图1的系统在闭合状态下且粉末涂施组件已再次离开建造区域后的立体剖面图。
具体实施方式
[0061]
图1显示依据本发明的一增材制造系统的立体剖面图。在一真空室(1)中设置一建造区域(2)，建造区域(2)中设置一单一建造平台(3)。这显示建造起始时的上起始位置。关于建造区域(2)左侧及右侧，各自有一粉末贮器(4)，粉末贮器4具有一邻接槽来接收过量的粉末。在本范例中为从一可动横梁悬吊的一刮刀的一粉末涂施组件(5)，从粉末贮器(4)运送一些粉末至建造区域(2)中的建造平台(3)上，建造平台(3)较构件的一层所需要的略大，使得可确保建造平台(3)的整个表面皆均匀地涂布。过量粉末被运送超出对立的粉末贮器(4)而进入槽中，且从此处到达一收集容器。在图1中，粉末涂施组件(5)在左侧起始位置。
[0062]
一电子束枪(6)嵌于建造区域(2)上方的真空室(1)的顶板中。整个建造区域(2)藉一遮蔽件(7)在所有四侧上围绕，遮蔽件(7)由一上部件(8)及一下部件(9)组成。由于粉末涂施组件(5)仍在起始位置，因此遮蔽件(7)在闭合状态。图2再次显示出藉遮蔽件(7)围绕的建造区域(2)的放大视图。在此显示的范例中，上部件(8)由四个不锈钢制金属薄板(10)组成，金属薄板(10)具有在外侧处的30毫米厚度、及在13毫米距离的内侧处的20毫米厚度。下部件(9)由三个纯钨制耐火金属薄板(11)组成，耐火金属薄板(11)具有在30毫米距离的3毫米厚度。耐火金属薄板(11)的密度因此为19.25公克/立方公分。下部件(9)的耐火金属薄板(11)依啮合方式布置于上部件(8)的金属薄板(10)中，且与金属薄板(10)重迭45毫米。
[0063]
上部件(8)的金属薄板(10)各调整尺寸成，从外侧朝建造区域(2)略微缩短。这使得藉由螺栓附接此等金属薄板至真空室(1)的顶板处的阶梯式架座较为容易。耐火金属薄板(11)附接至可动的框架(12)，且可被抬起而在框架(12)上方。在此显示出的闭合位置，此等耐火金属薄板的下缘接合至一沟槽结构(13)中，沟槽结构(13)形成建造区域(2)的边缘
区域。沟槽结构(13)与上部件的结构相似地调整尺寸，即在本范例中，多个13毫米宽的沟槽在环绕建造平台(3)的20毫米距离处铣入真空室(1)的表面中，此因上述沟槽与多个薄板之间的距离对应，且仍保持在多个沟槽之间的腹板与多个薄板的厚度对应。
[0064]
为了生产一构件，粉末贮器(4)充满一粉末起始材料(譬如充满钛粉末)，上述系统移动至图1中所示的起始位置，及抽空真空室(1)。为了生产构件的第一层，接着藉使用粉末涂施组件(5)，将钛粉末从粉末贮器(4)朝建造区域(2)运送。在粉末涂施组件(5)起始移动前瞬间、或者当粉末涂施组件(5)已几乎到达闭合的遮蔽件(7)时，遮蔽件(7)的下部件(9)藉由可动的框架(12)抬起，且被推至上部件(8)中，以开启粉末涂施组件(5)的移动范围。电子束枪(6)在此期间停止动作。此情境在图3中显示。在此时刻，遮蔽件(7)处于打开状态下，现在亦可清楚地看出沟槽结构(13)。
[0065]
图4显示出，当粉末涂施组件(5)横越建造区域(2)且将钛粉末分配于建造平台(3)上时的粉末涂施组件(5)。图5显示出，横越建造区域(2)后瞬间的粉末涂施组件(5)。一旦粉末涂施组件(5)已再次离开建造区域(2)，下部件(9)即再次降下至闭合位置。耐火金属薄板(11)的下缘再次接合至沟槽结构(13)中。粉末涂施组件(5)接着继续移动至右侧粉末贮器(4)后方的末端位置，且从而排放过量钛粉末至收集槽中。一旦遮蔽件(7)再次闭合，电子束枪(6)即可起动，且起始为第一层写入层数据。
[0066]
在已写入第一层后，制程再次朝另一方向开始。在仅装设一个粉末贮器(4)的系统中，粉末涂施组件(5)可仍保持于超出建造区域(2)的位置直到层被写入且遮蔽件(7)的下部件(9)再次被抬起，且粉末涂施组件(5)仅在此的后移动回到起始位置以取得新粉末，或者在横越建造区域(2)后瞬间依往复移动在遮蔽件(7)闭合前移动回到起始位置。
[0067]
附图标记说明
[0068]
1 真空室
[0069]
2 建造区域
[0070]
3 建造平台
[0071]
4 粉末贮器
[0072]
5 粉末涂施组件
[0073]
6 电子束枪
[0074]
7 遮蔽件
[0075]
8 上部件
[0076]
9 下部件
[0077]
10 金属薄板
[0078]
11 耐火金属薄板
[0079]
12 框架
[0080]
13 沟槽结构。