用于实体自由成形制造的多腔室沉积设备制造技术

本申请提供了一种用于实体自由成形制造的腔室系统，该腔室系统具有沉积腔室、维修腔室和一个或多个装载/卸载腔室。该腔室系统允许更有效和成本有效的工艺来维修沉积设备、装载保持基板和卸载工件，而不需要调整沉积腔室中的环境。

Multi-chamber Deposition Equipment for Solid Free Forming Manufacturing

This application provides a chamber system for solid free forming manufacturing, which has a deposition chamber, a maintenance chamber and one or more loading/unloading chambers. The chamber system allows more efficient and cost-effective processes to repair deposition equipment, load and hold substrates, and unload workpieces without the need to adjust the environment in the chamber.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于实体自由成形制造的多腔室沉积设备
本专利技术涉及一种用于通过实体自由成形制造(solidfreeformfabrication)来制造物体、尤其是钛和钛合金物体的方法和装置。
技术介绍
具有精确尺寸公差的金属部件可以由钛制成，或者钛合金通常通过铸造、锻造或从坯料加工制成。这些技术在金属部件的制作中可能需要大量生产周期或昂贵的钛金属的高材料使用或这两者。完全致密的实物物体可以通过被称为快速成型、快速制造、分层制造、实体自由成形制造(SFFF)、增材制作、增材制造和3D印刷制造技术制成。该技术采用计算机辅助设计(CAD)软件来首先构建要制作的物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行切片或层。然后可以通过例如从熔化的焊丝铺设液体、糊剂、粉末形式或其它可成层、可涂抹或流体形式(诸如熔化的金属)的原始材料的连续层来制作，或者预成型为类似虚拟层的形状的板材直到形成整个物体。这些层可以熔合在一起形成固体致密物体。实体自由成形制造是一种灵活的分层制造技术，其允许以相对快的生产速率(对于每个物体通常从几分钟到几天不等)形成几乎任何形状的物体。因此，该技术适用于原型和小型生产系列的形成，并且可以按比例增大以进行批量生产。分层制造技术可以扩展到包括多个建筑材料件的沉积，即，物体的虚拟模型的每个结构层被分成一组材料件，该组材料件在并排铺设时形成该层。这允许通过根据金属物体的虚拟分层模型在形成每一层的连续条纹中将焊丝焊接到基板上并且对每一层重复该工艺直到形成整个实物物体来形成该物体。焊接技术的精确度通常太粗糙而不允许直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，所形成的物体通常被认为是需要加工成可接受的尺寸精确度的坯体或预制件。Taminger和Hafley(“用于成本有效的近净形制造的电子束自由形态制作(ElectronBeamFreeformFabricationforCostEffectiveNear-NetShapeManufacturing)”，NATO/RTOAVT-139关于经由净形加工进行成本有效制造的专家会议(于2006年在荷兰阿姆斯特丹召开(北约))公开了一种用于直接从计算机辅助设计数据结合电子束自由形态制作(EBF)制造结构金属部件的方法和装置。结构部件通过焊接在金属焊丝的连续层上构建，该金属焊丝通过由电子束提供的热能焊接。EBF工艺涉及将金属焊丝熔化成熔池，该熔池由高真空环境中的聚焦电子束制造并维持。通过由四轴运动控制系统使电子束枪和支撑基板的致动器沿一个或多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接并调节电子束枪和支撑基板的位置来获得电子束和焊丝的定位。据报道，该工艺在材料使用方面几乎100％有效，而在功率使用方面有效率为95％。该方法可以用于块状金属沉积和更精细的沉积，并且该方法据称与加工金属部件的常规的方法相比对于缩短生产周期和降低材料和加工成本具有显著影响。电子束技术的缺点在于沉积腔室中的真空度高达10-1Pa或更低。已知(例如，参见Adams的美国专利公开第2010/0193480号)使用TIG焊炬通过SFFF构建物体，其中具有低延展性的连续金属原料材料层被施加到基板上。通过使用电弧电极激励流动的气体来形成等离子体流，该电弧电极被供应可变幅度的电流。在沉积之前，将等离子体流引导至预定目标区域以预热预定目标区域。调整电流并将原料材料引入等离子体流中以将熔融原料沉积在预定目标区域中。调整电流并使熔融原料在冷却阶段中在高温下(通常高于原料的脆性-延性转变温度)缓慢冷却以使材料应力的发生最小化。Withers等人(美国专利公开第2006/185473号)还描述了使用TIG焊炬代替传统上用于实体自由成形制造(SFFF)工艺的昂贵激光器，并且通过以显著降低原始材料的成本的方式组合钛进料和合金成分具有相对较低成本的钛进料。Withers等人还描述了使用与形成焊丝的合金元素混合的钛海绵体材料，其中它可以在SFFF工艺中与等离子焊炬或其它大功率能量束结合使用以产生近净形钛部件。Abbott等人(WO2006/133034，2006年)描述了使用激光器/电弧混合工艺制造复杂三维形状的直接金属沉积工艺，其包括以下步骤：提供基板并使用激光辐射和电弧在基板上沉积金属原料的第一熔融金属层。通过使用金属原料作为电极，可以提供气体保护金属电弧焊中的电弧。Abbott等人教导使用激光辐射结合气体保护金属电弧焊稳定电弧并据称提供更高的沉积速率。Abbott等人利用由焊丝引线器引导和从焊丝引线器引出的自耗电极。自耗电极的金属在末端熔化，并且通过将端部定位在沉积点上来沉积熔融金属。用于熔化自耗电极的所需热量通过在电极的尖端与工件/沉积基板之间膨胀的电弧以及通过激光器照射沉积区域来供应。通过熔化由电弧加热的自耗电极进行焊接被称为气体保护金属电弧焊(GMAW)，其在使用非活性气体来制造电弧的情况下也称为金属惰性气体保护焊(MIG焊接)。加热到400℃以上的钛金属或钛合金在与氧气接触时可能会发生氧化。因此，需要保护通过分层制造形成的焊缝和受热物体以防止受到环境大气中的氧气的影响。WO2009/068843公开了一种用于焊接的惰性气体保护罩，其产生保护惰性气体的均匀流出物。通过将护罩放置在需要保护的物体上方，惰性气体的均匀流动将取代环境大气而不会形成涡流，该涡流可能会夹带环境含氧气体。保护罩可以形成为中空盒，惰性气体进入该中空盒内部并被允许通过在盒子的一个壁中形成的一组狭窄开口从盒子内部逸出。防止钛氧化的另一种解决方案是在真空下进行沉积工艺。对于上述工艺，所使用的设备通常包括需要排出或者每次装载或卸载时以及在可以开始沉积之前必须更换环境的单个腔室。类似类型的单腔室设备也用于涂覆和加热工艺。一些示例包括美国专利第4,328,257中公开的那些示例，该专利公开了用于等离子体涂覆的单腔室设备。美国专利申请公开第2005/0173380号公开了一种配备有用于完成沉积的电子束枪的单个真空腔室。美国专利申请公开第2002/0139780号公开了一种用于焊接沉积的单腔室设备。要解决的问题是沉积工艺的速度以及每次装载或卸载新基板时腔室的排出所产生的费用。而且，在等离子电弧沉积期间，重要的是能够控制腔室和设备的温度以防止过热。必须实现温度控制，同时仍然通过防止与氧气接触来防止加热到400℃以上的钛金属或钛合金发生氧化。因此，需要一种腔室沉积系统，其提供解决一个或多个上述问题的更有效且成本有效的工艺。这可以进一步导致直接金属沉积成形产品的产量和产率增加而没有氧化的风险。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种设备来允许使用直接金属沉积或SFFF形成的产品的产量和产率增加而不必花费时间和费用来每次对沉积设备进行必要维修或者每次保持基板装载或从沉积腔室卸载工件都要更换沉积腔室中的环境(atmosphere，气氛、气体)。本专利技术的另一目的是提供一种用于以钛或钛合金快速分层制造物体的设备。本专利技术解决了对执行直接金属沉积的一种改进的、经济的方法的需要。本专利技术还解决了对提高直接金属沉积成形部件的产量和产率的方法的需求。本文提供了一种用于具有一个或多个独立控制的装载/卸载腔室的固体自由形态制造的腔室系统。该腔室系统可以包括至少一个独立控制的沉积腔室，该沉积腔室包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实体自由成形制造的腔室系统，包括：一个或多个独立控制的装载/卸载腔室；至少一个独立控制的沉积腔室，所述沉积腔室包括沉积设备和用于控制基材的位置和移动的致动器；以及一个或多个门，所述门使所述沉积腔室与一个或多个所述装载/卸载腔室中的每一个腔室连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.08 US 15/206,1631.一种用于实体自由成形制造的腔室系统，包括：一个或多个独立控制的装载/卸载腔室；至少一个独立控制的沉积腔室，所述沉积腔室包括沉积设备和用于控制基材的位置和移动的致动器；以及一个或多个门，所述门使所述沉积腔室与一个或多个所述装载/卸载腔室中的每一个腔室连接。2.根据权利要求1所述的腔室系统，其中，一个或多个所述装载/卸载腔室中的每一个腔室还包括：一个或多个门，该门提供通向所述装载/卸载腔室的入口；传送机，所述传送机位于所述装载/卸载腔室内部；以及一个或多个通风口。3.根据权利要求2所述的腔室系统，每个所述装载/卸载腔室包括位于所述装载/卸载腔室的上部的至少一个或多个通风口和位于所述装载/卸载腔室的底部的至少一个或多个通风口；位于上部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和空气供应装置；并且位于底部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。4.根据权利要求1至3中任一项所述的腔室系统，所述腔室系统还包括两个所述装载/卸载腔室，在两个所述装载/卸载腔室之间具有共用的壁，并且其中，每个所述装载/卸载腔室还具有与所述沉积腔室共用的壁。5.根据权利要求1至4中任一项所述的腔室系统，所述沉积腔室还包括位于所述沉积腔室的上部的一个或多个通风口和位于所述沉积腔室的底部的一个或多个通风口；位于上部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和空气供应装置；并且位于底部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。6.根据权利要求1至5中任一项所述的腔室系统，所述沉积腔室还包括一个或多个观察通道。7.根据权利要求1至6中任一项所述的腔室系统，所述沉积腔室还包括再循环系统，所述再循环系统包括风扇和热交换器。8.根据权利要求1至7中任一项所述的腔室系统，所述腔室系统还包括连接到所述沉积腔室的独立控制的维修腔室，所述维修腔室的尺寸设计成容纳所述沉积设备。9.根据权利要求8所述的腔室系统，所述维修腔室与所述沉积腔室和所述沉积设备对齐，使得所述沉积设备能在不移除或弯折送丝的情况下移入和移出所述维修腔室。10.根据权利要求9所述的腔室系统，所述维修腔室还包括位于所述维修腔室的上部的一个或多个通风口和位于所述维修腔室的底部的一个或多个通风口；位于上部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和空气供应装置；位于底部的一个或多个所述通风口能操作地连接到真空泵和惰性气体源或惰性气体混合物源。11.根据权利要求8所述的腔室系统，所述维修腔室还包括入口通...

【专利技术属性】
技术研发人员：特龙·福塞思，布雷德·维格达尔，阿尔内·拉姆斯兰，斯韦恩·斯泰因斯维克，约尔延·豪根，
申请(专利权)人：挪威钛公司，
类型：发明
国别省市：挪威,NO