在添加剂层制造期间的带电粒子束控制制造技术

提供了一种生成扫描指令的计算机实现的方法，所述扫描指令用于使用添加剂层制造装置而将使形成产品作为一系列层来形成。该方法包括确定将在形成产品时使用的束加速电压；针对产品的层的每个阴影区域，确定将在形成阴影区域时使用的相应束电流，并将相应的束电流值提供给扫描图案指令文件中的阴影区域描述；并且针对每个阴影区域的每个行，确定将在沿着行扫描束时使用的相应束斑大小，并且将相应的束斑大小值提供给扫描图案指令文件中的行描述，并确定将在沿着行扫描束时使用的相应的一系列束步长大小和电子束步长驻留时间，并且将相应的一系列束位置值和束步长驻留时间提供给扫描图案指令文件中的行描述，从而定义如何沿着行扫描电子束。还提供了扫描指令的文件、添加剂层制造装置、和使用添加剂层制造装置形成产品的方法。

Charged particle beam control during additive layer fabrication

A computer implementation method for generating a scanning instruction for using an additive layer manufacturing device to form a forming product as a series of layers is provided. The method includes determining the beam acceleration voltage to be used when forming the product; determining the corresponding beam current to be used when forming the shadow area for each shadow area of the product layer, and providing the corresponding beam current value to the description of the shadow area in the scan pattern instruction file; and determining the phase to be used when scanning the beam along the line for each line of each shadow area The size of beam spot shall be provided, and the corresponding value of beam spot size shall be provided to the line description in the scanning pattern instruction file, and the corresponding series of beam step length and electron beam step dwell time to be used in scanning the beam along the line shall be determined, and the corresponding series of beam position values and beam step dwell time shall be provided to the line description in the scanning pattern instruction file, so as to define how to follow the Line scanning electron beam. The document of the scanning instruction, the additive layer manufacturing device, and the method of forming a product using the additive layer manufacturing device are also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在添加剂层制造期间的带电粒子束控制
本专利技术涉及生成用于使带电粒子束在粉末床上进行扫描以使用添加剂层制造形成产品的扫描指令。生成扫描指令，以便通过对带电粒子束的控制来向粉末床提供所期望的能量速率。
技术介绍
添加剂层制造是成熟的领域。该技术将能量注入衬底介质中以改变衬底的各部分，例如熔化、熔凝或硬化衬底，从而形成所要形成的产品层。添加新的衬底介质并形成下一层，依此类推。以这种方式，可以逐层形成产品。衬底介质可根据需要选自多种不同的材料。例如，塑料和金属通常用作衬底介质。金属可以从一个或多个料斗以粉末形式来提供，并铺在工作台上以形成粉末床。随着每个层的形成，工作台可以随粉末床以及沉积在部分成形的产品上的新的粉末床的深度而降低。能量源通常是激光束或电子束。本专利技术主要涉及电子束源，但也扩展到其他类型的带电粒子束。使用电场和/或磁场(例如使用电磁偏转器)来控制这种电子束源以导向或调节电子束。这些电磁偏转器允许电子束扫过衬底介质，从而可以在衬底介质上扫描或跟踪图案。在设计阶段，要形成的产品被映射到XYZ笛卡尔坐标。然后，产品可以被“解构”或“切片”成将连续形成以实现最终产品的层。使用XY笛卡尔坐标描述要形成的每个层(每个层的Z坐标是固定的)。电磁偏转器用于根据使用XY坐标作为可寻址网格定义的期望路径来扫描电子束。由于束遵循扫描图案，由束来形成在粉末床中形成的层的形状。扫描图案通常定义由矢量定义的可变长度的简单线(例如，针对每条直线链接起点和终点)。该层可以被分成多个部分，当电子束扫过粉末床时，每个部分被电子束跟踪或“嵌入阴影”。例如，可以首先扫描层的轮廓(即周边)，然后可以扫描阴影区域以填充该层。这些扫描行(包括它们形成的阴影区域)组合在一起形成层的所期望的形状。当电子束在粉末床上扫描时，能量被沉积到粉末中，从而升高其温度。精确地控制电子束暴露以控制能量传递的速率，从而提供粉末的完全熔化。这确保了顶层内的粉末颗粒熔凝在一起，并且使得顶层内的粉末颗粒也与前一层熔凝，从而形成固体产品。然而，必须控制粉末床中的能量沉积速率以防止产生缺陷并确保材料微结构的正确形成。当电子束传递其能量并且热量通过金属粉末传导时形成熔池。不是通过控制电子束驻留在粉末床的特定位置，一次性将所有所需能量沉积到粉末床的特定位置，而是通常在熔池内连续扫描电子束。通常，电子束多次访问一个位置。每当电子束通过位置时，电子束递增地升高该位置的温度直到粉末熔化。还已知在任何时候形成多个分离的熔池而不仅仅是单个熔池。能够控制能量在粉末床中的沉积是有利的，例如控制粉末中的熔体特性和热积聚。在形成产品时能量沉积到粉末床中的速率可以通过控制电子束来设定。例如，已知预先确定束参数，例如束能量(例如，通过束加速电压)、束电流、束斑大小和束扫描速率，来为后续的构建过程设置能量沉积速率。然而，控制能量沉积速率的更灵活的方法将是有利的。
技术实现思路
从第一方面，本专利技术涉及一种生成扫描指令的计算机实现的方法，所述扫描指令用于使用添加剂层制造而将产品作为一系列层来形成。通过使带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的金属粉末融凝并形成所期望的层形状而使所述金属粉末熔凝，藉此来形成每个层。该方法包括获得所要形成产品的三维描述。例如，可以从存储器取回或者可以从远程位置下载包含描述的文件。或者，该方法可以包括例如通过扫描(例如通过使用激光扫描仪)产品的模型来生成三维描述。该方法还包括获取产品形状的描述并生成扫描图案指令文件，该文件描述如何扫描束以形成产品。为此，该方法包括将产品的形状分解或切片为一系列层，为每个层生成描述该层的形状的层描述并将其添加到扫描图案指令文件中。例如，可以参考XYZ笛卡尔坐标系提供三维描述，并且层描述可以提供层的形状在XY坐标中的描述，并且还可以提供层的Z坐标。针对每个层，该方法可以包括将层的形状分解成要由束扫描的一个或多个阴影区域，针对每个阴影区域生成描述阴影区域的形状描述并将阴影区域描述添加到扫描图案指令文件。阴影区域描述可以提供阴影区域的形状在XY坐标中描述。针对每个阴影区域，该方法可以包括将阴影区域的形状分解成要由束扫描的一个或多个行，针对每个行生成行描述并将行描述添加到扫描图案指令文件。通常，每个行描述将限定要被扫描以填充阴影区域的一系列行。例如，扫描行可以定义光栅扫描。行描述可以定义束移动的一系列束位置。可以使用XY坐标来定义束位置。该方法包括确定用于在形成产品时控制带电粒子束的参数。这些参数可以设置束电流、束形状和大小以及束如何被导向。然后将这些参数添加到扫描图案指令文件中。该方法包括确定将在形成产品时使用的束加速电压，并将束加速电压值提供给扫描图案指令文件。束加速电压可以是设置在电极上的电压或电极阵列的电压集，在任一情况下，电极或电极阵列都设置粒子束中带电粒子的速度和动能。设置在整个产品形成过程中使用的单个束加速电压，即，在扫描束以形成每个层时始终使用相同的值，并且针对产品的每个层也使用相同的值。对于每个阴影区域，该方法包括确定将在形成阴影区域时使用的束电流，并将束电流值提供给扫描图案指令文件中的阴影区域描述。束电流值可以包括针对带电粒子源的设定，例如灯丝电流(其中通过灯丝的热离子发射提供电子)。束电流值还可以包括控制束电流的其他参数，例如控制封闭磁场和/或控制带电粒子的提取以形成粒子束的参数(例如设置在维纳尔电极上的电势)。因此，束电流可以在阴影区域之间变化。即，可以在扫描一个阴影区域之后并且在扫描下一个阴影区域之前改变束电流，但是在扫描每个阴影区域时保持恒定值。可以在一些阴影区域之间维持束电流。针对每个行，该方法可以包括确定将在沿着行扫描束时使用的束斑大小，并且将束斑大小值提供给扫描图案指令文件中的行描述。束斑大小值可包括在聚焦元件上设置以控制束的焦点的参数。例如，束斑大小值可以是针对聚焦电极的用于控制束的焦点的设定。为每个行描述提供单个束斑大小。因此，斑大小可以在行与行之间变化，但在沿着行扫描时保持恒定。可以在某些行之间维持斑大小。同样针对每个行，该方法可以包括确定将在沿着行扫描束时使用的一系列束位置值和束步长驻留时间。束位置值限定了束从粉末床上的当前束位置移动到粉末床上的下一个束位置的步长的大小，或者直接通过指定束步长大小，或者间接地通过指定下一个束位置。束驻留时间是束保持在粉末床上每个位置的时间。该方法还包括向扫描图案指令文件中的行描述提供一系列束位置值和束步长驻留时间，从而限定如何沿着行扫描束。因此，束步长大小可以在连续束位置之间变化，甚至针对每个连续步骤进行变化，尽管针对某些步骤可以维持相同的步长也是可以的。类似地，束驻留时间可以在连续束位置处变化，甚至在每个连续束位置处变化，尽管对于某些步骤可以重复相同的驻留时间。束步长大小和束驻留时间可以被设置为根据某些数学函数而变化，例如以确保当沿着行扫描束时由束传递的能量平滑地增加或减少。例如，步长大小和/或驻留时间可以线性地变化，或者可以根据更复杂的函数(例如指数地或根据诸如高斯之类的某些其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生成扫描指令的计算机实现的方法，所述扫描指令用于使用添加剂层制造而将产品作为一系列层来形成，通过使带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的金属粉末融凝并形成所期望的层形状而使所述金属粉末熔凝，藉此来形成每个层，所述方法包括：/n获得所要形成的产品的三维描述；/n将所述产品的形状分解成一系列层；针对每个层生成描述所述层的形状的层描述；并且将所述层描述添加至扫描图案指令文件；/n针对每个层，将所述层的形状分解成将由所述束扫描的一个或多个阴影区域；针对每个阴影区域生成描述所述阴影区域的形状的形状描述；并且将所述阴影区域描述添加至所述扫描图案指令文件；/n针对每个阴影区域，将所述阴影区域的形状分解成将由所述束扫描的一个或多个行；针对每个行生成行描述；并且将所述行描述添加至所述扫描图案指令文件；/n确定将在形成所述产品时使用的束加速电压并向所述扫描图案指令文件提供束加速电压值；/n针对每个阴影区域，确定将在形成所述阴影区域时使用的相应的束电流并向所述扫描图案指令文件中的所述阴影区域描述提供束电流值；/n针对每个行，/n(i)确定将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的束斑大小并向所述扫描图案指令文件中的所述行描述提供相应的束斑大小值，/n(ii)确定将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的一系列束步长大小和束驻留时间，其中，所述束步长大小是所述束从粉末床上的当前束位置移动到所述粉末床上的下一束位置的步长的大小，且所述束驻留时间是所述束在所述粉末床上的每个位置处保持的时间；并且向所述扫描图案指令文件中的所述行描述提供相应的一系列束位置值和束步长驻留时间，从而定义了所述束将如何沿着所述行进行扫描。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170117 GB 1700807.91.一种生成扫描指令的计算机实现的方法，所述扫描指令用于使用添加剂层制造而将产品作为一系列层来形成，通过使带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的金属粉末融凝并形成所期望的层形状而使所述金属粉末熔凝，藉此来形成每个层，所述方法包括：
获得所要形成的产品的三维描述；
将所述产品的形状分解成一系列层；针对每个层生成描述所述层的形状的层描述；并且将所述层描述添加至扫描图案指令文件；
针对每个层，将所述层的形状分解成将由所述束扫描的一个或多个阴影区域；针对每个阴影区域生成描述所述阴影区域的形状的形状描述；并且将所述阴影区域描述添加至所述扫描图案指令文件；
针对每个阴影区域，将所述阴影区域的形状分解成将由所述束扫描的一个或多个行；针对每个行生成行描述；并且将所述行描述添加至所述扫描图案指令文件；
确定将在形成所述产品时使用的束加速电压并向所述扫描图案指令文件提供束加速电压值；
针对每个阴影区域，确定将在形成所述阴影区域时使用的相应的束电流并向所述扫描图案指令文件中的所述阴影区域描述提供束电流值；
针对每个行，
(i)确定将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的束斑大小并向所述扫描图案指令文件中的所述行描述提供相应的束斑大小值，
(ii)确定将在所述束沿所述行进行扫描时使用的相应的一系列束步长大小和束驻留时间，其中，所述束步长大小是所述束从粉末床上的当前束位置移动到所述粉末床上的下一束位置的步长的大小，且所述束驻留时间是所述束在所述粉末床上的每个位置处保持的时间；并且向所述扫描图案指令文件中的所述行描述提供相应的一系列束位置值和束步长驻留时间，从而定义了所述束将如何沿着所述行进行扫描。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，将每个层的形状分解成要由束扫描的一个或多个阴影区域并针对每个阴影区域生成描述所述阴影区域的形状的形状描述，该步骤中包括：
针对每个层，将所述层的形状分解成一个或多个特征，并且针对每个特征生成描述所述特征的形状的特征描述；并且随后
对于每个特征，将所述特征的形状分解成一个或多个阴影区域，并且针对每个阴影区域生成描述所述阴影区域的形状的所述形状描述。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述束加速电压值是将设置在加速电极或加速电极集上的电势，所述加速电极或加速电极集用于加速所述带电粒子束。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个束电流值是将设置在带电粒子源上以控制所述源的带电粒子产生速率的值，例如将通过所述源的灯丝传递的电流。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个束斑大小值包括针对聚焦电极或聚焦线圈的一个或多个设定，所述聚焦电极或聚焦线圈能够操作以将所述带电粒子束聚焦并设置所述束在所述粉末床上的大小。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个束位置值与定义所述粉末床上的束位置的束坐标相对应，使得连续的束位置值反映所确定的束步长大小。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，每个束位置值包括：将被施加于偏转器电极上以将所述束设置到在所述粉末床上的所期望的束位置的偏转器电势，或者将通过偏转器线圈传递以将所述束设置到所述粉末床上的所期望的束位置的电流。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个行描述包括：斑大小值和一系列束位置值以及为每个束位置值提供的束驻留时间值。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：将包含所述产品描述、所述层描述、针对每个层的所述阴影区域描述、针对每个阴影区域的所述行描述的文件保存到计算机存储器。


10.一种包括扫描图案指令的计算机可读文件，所述扫描图案指令用于使用添加剂层制造而将产品作为一系列层来形成，通过使带电粒子束在粉末床上进行扫描来将沉积为粉末床的金属粉末融凝并形成所期望...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩·莱德勒，菲尔·霍伊尔，安得烈·麦克莱兰，威廉·托马斯·理查森，
申请(专利权)人：信实精密电子有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB