本發(fā)明涉及增材制造(additivemanufacturing)，更具體地涉及用于通過原材料在移動基質(zhì)(movingsubstrate)上層化沉積的方式來制備三維物體的方法和系統(tǒng)，其中將原材料供給到所述基質(zhì)上的沉積區(qū)域，通過電子束熔化，然后當(dāng)離開加熱區(qū)域時凝固，因而形成材料的沉積層。

背景技術(shù)：

根據(jù)通過原材料在基質(zhì)上層化沉積的方式形成三維物體，當(dāng)將原材料供給到相對于基質(zhì)移動的熔化區(qū)域，由能量束(如電子束)熔化，然后當(dāng)離開加熱區(qū)域時凝固，形成材料的固體沉積層，存在用于制備三維物體的方法和設(shè)備(例如美國專利us7,168,935)。這些方法和設(shè)備具有共同的特征，如使用焊接式熱軸電子束槍作為能量源，用于在基質(zhì)上形成熔化池和熔化原材料。這種類型的槍具有合適的電流電壓特性，首先是相當(dāng)高的加速電壓(60kv或更高)，并且在工作室中需要合適的工作條件，首先是高真空(通常10^-2pa和更高)。同樣，在這種方法和設(shè)備中的電子束落到與其表面垂直的基質(zhì)上，并且原材料，通常是金屬線，會從一側(cè)以某一銳角供給到熔化區(qū)域。

這些特性造成一些技術(shù)問題和經(jīng)濟(jì)問題，其中必須強(qiáng)調(diào)如下問題：

-需要在工作室中生成高真空，這使得因為要使用昂貴的高真空泵所以造成器材成本的明顯增加，并且因為在每個生產(chǎn)循環(huán)之前需要排空工作室而增加了時間，所以器材的效率下降；

-用于操作焊接式電子束槍需要相對高的加速電壓，這造成工作室內(nèi)部生成x射線，并且保護(hù)工作人員免于輻射影響，需要把工作室墻的厚度變厚很多，這增加了整個制備系統(tǒng)的重量；

-焊接式電子束槍必須裝配單獨(dú)的高真空泵，以在技術(shù)工藝中對陰極有可靠的保護(hù)，這增加了器材的成本，并且使得整個系統(tǒng)更大、更重也更復(fù)雜；

-焊接式電子束槍陰極是由相當(dāng)昂貴的材料制成，然而使用時間卻相當(dāng)有限；

-由于技術(shù)原因，使用粉末作為原材料來沉積非常復(fù)雜；

-難于把原材料與電子束以精確協(xié)同的控制方式提供到基質(zhì)-熔化區(qū)域上的相同點(diǎn)，特別是要考慮到這個區(qū)域相對于基質(zhì)在不斷地移動，又特別是當(dāng)電子束槍和供給方式兩者是平行移動并要提供這種相對移動的情況；

-由于是從一側(cè)以銳角把原料金屬線供給到熔化區(qū)域，在金屬線之下的基質(zhì)上會形成陰影區(qū)，由于熔化的原材料在固體非熔化的基質(zhì)之上沉積，這一事實可以在沉積層中造成多孔性或孔洞，由于相同的原因，在熔化區(qū)域周圍會形成相當(dāng)復(fù)雜的不規(guī)則的溫度場，造成對于在各個點(diǎn)的特定的凝固速率產(chǎn)生的經(jīng)沉積材料結(jié)構(gòu)的控制更加復(fù)雜地多，另外，金屬線從頂部單側(cè)加熱，可以由于溫度梯度而造成金屬線的彎曲，使得難于精確和穩(wěn)定地把原料金屬線直接供給到熔化區(qū)域。

跟本發(fā)明最相似的技術(shù)方案是美國專利us7,073,561，“固體自由形態(tài)制造系統(tǒng)和方法”。

現(xiàn)存有固體自由形態(tài)的制造方法，該方法在真空中將原材料在模具結(jié)構(gòu)上層化沉積來實現(xiàn)，所述方法包括將能量束指向并且將原料供給到與模具結(jié)構(gòu)(基質(zhì))臨近的供給點(diǎn)(熔化區(qū)域)，因而形成熔化泥(moltenpuddle)，相對于模具結(jié)構(gòu)來移動供給點(diǎn)，因而現(xiàn)存供給的原料的熔化泥會前進(jìn)并且預(yù)先供給的原料會快速凝固，然后供給點(diǎn)在預(yù)先決定的幾何容積內(nèi)順序前進(jìn)，所述幾何容積包括模具結(jié)構(gòu)的至少一部分，因而通過熔化泥的前進(jìn)來把原料順序熔化成在模具結(jié)構(gòu)上拼接的接近凈成形的工作件。

從下列材料中選擇一種來制備上述模具：復(fù)合基底(matrix)、熔點(diǎn)比原料熔點(diǎn)高得多的金屬、氮化硼、無機(jī)化合物和石墨。

所述方法還包括把模具從工作件分離、分解或溶解模具的步驟。

所述方法中的能量束選擇下列中的一種：電子束、離子束、等離子束、火焰噴霧、鎢極氣體束、金屬電弧、氣體金屬極電弧、微波束、無線電射束、鎢極惰性氣體束、金屬惰性氣體束和激光束。

實現(xiàn)所述現(xiàn)有方法的固體自由形態(tài)制造系統(tǒng)包括模具結(jié)構(gòu)(基質(zhì))，可操作地將原材料供給到與模具臨近的供給點(diǎn)(熔化區(qū)域)的供給構(gòu)件，能量束生成構(gòu)件，所述能量束生成構(gòu)件可操作地把能量束指向所述供給點(diǎn)并因而形成原材料的熔化泥，移動構(gòu)件，所述移動構(gòu)件與所述模具結(jié)構(gòu)偶聯(lián)并且相對于所述模具可操作地移動所述供給點(diǎn)，控制器，所述控制器與控制所述移動構(gòu)件的移動偶聯(lián)，使得所述現(xiàn)存供給的原料的熔化泥前進(jìn)并且使得預(yù)先供給的原料快速凝固，并且供給點(diǎn)在預(yù)先決定的幾何容積內(nèi)順序前進(jìn)，所述幾何容積包括模具結(jié)構(gòu)的至少一部分，因而通過熔化泥的前進(jìn)來把原料順序熔化成在模具結(jié)構(gòu)上拼接的接近凈成形的工作件。

上述方法和系統(tǒng)在使用電子束作為能量束的實施方式中具有如下重要的缺點(diǎn)：

-使用焊接式電子束槍作為能量，造成在工作室中為了使所述槍正常工作需要特定的附加條件，例如要生成不小于10^-2pa的高真空，并且在工藝中為了保護(hù)陰極要使用單獨(dú)的高真空泵，另外工作室的墻的厚度必須足以保護(hù)工作人員避免由于高加速電壓而產(chǎn)生的x射線，所有這些需求都使得器材更大、更重、更復(fù)雜和更昂貴。

-在使用粉末作為原材料的情況下，在工藝中受到電子束的影響，粉末的各個顆粒會帶負(fù)電，并且當(dāng)負(fù)電累計過高時，由于靜電排斥而失去控制，顆粒會從熔化區(qū)域飛出，造成粉末的不可控制的沉積，使得生產(chǎn)的工作件質(zhì)量更差和粉末沉積工藝的效率低(增加了粉末的損失)；

-在所述方法中將原料金屬線從一側(cè)供給到熔化區(qū)域時，由于在金屬線下的基質(zhì)上金屬線不可避免地產(chǎn)生陰影區(qū)，在熔化區(qū)域的周圍產(chǎn)生復(fù)雜的不均勻的溫度場，這在經(jīng)沉積的層中造成多孔性或孔洞，并且形成生產(chǎn)工作件的不均勻的金屬結(jié)構(gòu)。另外金屬線從頂部單側(cè)加熱，可以形成內(nèi)部熱應(yīng)力，使得金屬線彎曲，造成難于精確和穩(wěn)定地把原料金屬線直接供給到熔化區(qū)域，這也會破壞穩(wěn)定沉積和凝固的條件。這些因素使得通過上述方法，難于生成均勻的結(jié)構(gòu)和所需質(zhì)量的固體自由形態(tài)工作件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是研發(fā)提供通過原材料的層化沉積來制備三維物體的更容易和更便宜的方法和系統(tǒng)，提供層化工藝的更好的控制，生成更高質(zhì)量的生產(chǎn)的工作件，擴(kuò)大使用不同種類原材料的可能性，也為工作人員提供更安全的工作條件，為制造三維物體提供設(shè)計更緊湊、更輕、更簡單和更便宜的器材。

根據(jù)本發(fā)明的方法提供的可預(yù)期的良好的技術(shù)效果包括將電子束指向基質(zhì)表面，受所述電子束的影響在基質(zhì)上形成熔化池，將原材料供給到形成熔化池的熔化區(qū)域，通過所述電子束和接收其他熔化材料的沉積，來將原材料熔化進(jìn)入所述基質(zhì)上的熔化池中，使得所述熔化區(qū)域相對于基質(zhì)沿著由工作者或程序所設(shè)定的軌道來移動，一旦熔化區(qū)域離開所述電子束指向的區(qū)域，由于熔化的原材料和熔化池的凝固形成沿著軌道的固體沉積層，把所述熔化區(qū)域相對于所述基質(zhì)沿著由工作者或程序所設(shè)定軌道的移動并且在預(yù)先沉積的層之上形成固體沉積層重復(fù)所需的次數(shù)，直到最終形成特定的三維物體，其中電子束的形狀是空心倒圓錐狀，頂點(diǎn)的位置接近基質(zhì)表面，使用這種電子束以形成所述基質(zhì)上的熔化池，并熔化原材料，并且沿著所述空心圓錐狀電子束的軸通過原料引導(dǎo)(guide)，將原材料供給到熔化區(qū)域。

金屬線(wire)、芯線(coredwire)和桿可以用作原材料。

同樣，一些成捆金屬線也可以用作原材料，這些成捆金屬線也通過相同的原料引導(dǎo)供給到熔化區(qū)域，并且成捆金屬線的全部或部分可以由不同金屬制成。

同樣，通過原料引導(dǎo)末端的噴嘴直接供給到熔化區(qū)域的粉末也可以用作原材料。

同樣，包含不同物理屬性材料的不同材料粉末的混合物，以及具有不同成分組成的粉末也可以一起用作原材料。

金屬線、芯線、桿、線捆、粉末、粉末混合物形式的原材料可以從下材料中選擇：鈦、鈦合金、鈦金屬間化合物、鈮、鈮合金、鈮金屬間化合物、鉭、鉭合金、鋁、鋁合金、鋁金屬間化合物、鎳基合金、鈷基合金、工具鋼、復(fù)合基底。

由于空心圓錐狀電子束頂點(diǎn)相對于基質(zhì)表面的上下移動，所述移動是通過基質(zhì)表面和電子源(電子束槍)之間距離的變化而產(chǎn)生，因而由所述基質(zhì)表面的空心圓錐狀電子束的圓截面直徑的變化來控制基質(zhì)上熔化區(qū)域的直徑和熔化池的直徑。

根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)三維物體的工藝是在技術(shù)室中10-10^-2pa范圍的工作真空下進(jìn)行的。

本發(fā)明方法的良好技術(shù)效果通過應(yīng)用所述系統(tǒng)來提供，所述系統(tǒng)包括置于支撐板上用于形成三維物體的基體基質(zhì)(basesubstrate)，有電源的電子束槍，把原材料供給到熔化區(qū)域的供給構(gòu)件，把所述具有用于形成三維物體的基體基質(zhì)的支撐板精確定位的定位系統(tǒng)，用于包圍所述支撐板上基體基質(zhì)的真空密封工作室，所述電子束槍，定位所述具有基體基質(zhì)的支撐板的供給構(gòu)件和定位系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于控制制備系統(tǒng)中包括的所有器材、機(jī)構(gòu)和儀器，用于監(jiān)控所述制備系統(tǒng)中包括的所有系統(tǒng)的工作條件和用于控制制備三維物體的技術(shù)工藝，其中用于生成基質(zhì)上的熔化池和用于熔化所述系統(tǒng)中的原材料的能量源是氣體放電電子束槍，所述氣體放電電子束槍具有置于與產(chǎn)生空心倒圓錐狀電子束的陰極共軸放置的兩個圓形陽極之間，將用于將原材料供給到熔化區(qū)域的原料引導(dǎo)沿著所述電子束槍的軸放置，并且在一個功能組件中結(jié)合所述氣體放電電子束槍和所述原料引導(dǎo)。

所述功能組件包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)，并且可以滿足具有中部孔洞的基體凸緣，其中將用于供給原材料的原料引導(dǎo)與所述基體凸緣、槍體和具有附著圓形陰極的圓形高壓絕緣體共軸固定，這些固定在從底面與其共軸的所述基體凸緣和原料引導(dǎo)上，以及內(nèi)部圓形陽極電極，所述陽極電極固定在沿著所述原料引導(dǎo)并與之共軸的基體凸緣中的孔孔洞，并且槍體具有外部圓形陽極電極的功能。

圓形陰極的發(fā)射面的形狀是中心在所述氣體放電電子束槍軸上的球截體(segmentofasphere)，并且這個中心決定了有所述電子束槍產(chǎn)生的空心圓錐狀電子束的頂點(diǎn)的位置。

生產(chǎn)冷陰極的材料選自下列材料中的一種：鋁、鋁合金、不銹鋼。

具有球截體形狀的圓形插件可以插入到圓形陰極的發(fā)射面，并且所述插件可以由下列具有高度發(fā)射性能的材料制成：鋁、鋁合金、六硼化鑭。

生成的圓形陰極可以冷卻水，在這種情況下為了冷卻水，生成具有圓形凹洞的圓形陰極。

圓形陰極可以通過圓形陰極固定器來連接到高壓絕緣體上，所述圓形陰極固定器使用比圓形陰極更加牢固的材料生成。

生成的圓形陰極固定器可以冷卻水，在這種情況下為了冷卻水，生成具有圓形凹洞的圓形陰極固定器。

圓形陰極圓柱形表面可以由圓柱形次陰極(by-cathode)電極包圍。

圓形高壓絕緣體的形狀可以是具有延伸的自由表面(extendedfreesurfaces)環(huán)形。

槍體可以設(shè)計具有頂部圓柱形部件和底部圓錐形部件，所述頂部圓柱形部件連接到電子束槍的基體凸緣上，而所述底部圓錐形部件的形狀是倒圓錐形。

原料引導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計為在其圓錐形部件中全部或部分具有水冷卻。

氣體放電電子束槍的加速電壓可以在15-45kv的限度內(nèi)調(diào)節(jié)。

氣體放電電子束槍的加速電壓可以在5-15kv的限度內(nèi)調(diào)節(jié)。

空心圓錐狀電子束的供能(power)可以由高達(dá)45kw的具有電源的氣體放電電子束槍提供，并且可以在0-45kw的限度內(nèi)調(diào)節(jié)。

空心圓錐狀電子束的供能可以由高達(dá)15kw的具有電源的氣體放電電子束槍提供，并且可以在0-15kw的限度內(nèi)調(diào)節(jié)。

在生產(chǎn)三維物體的過程中，在所述工作室中真空系統(tǒng)提供10-10^-2pa范圍的工作真空。

用于氣體放電電子束槍的工作氣體選自下列氣體中的一種：氫氣、氧氣、氫氣和氧氣的混合氣、氮?dú)?、氦氣、氬氣、空氣、甲烷?/p>

電子束功率(power)的控制通過電子束電流的控制來完成，所述電子束電流的控制通過改變氣體放電電子束槍內(nèi)部的工作氣壓來調(diào)節(jié)。

金屬線、線捆、芯線、桿、粉末、粉末混合物形式的原材料可以從下材料中選擇：鈦、鈦合金、鈦金屬間化合物、鈮、鈮合金、鈮金屬間化合物、鉭、鉭合金、鋁、鋁合金、鋁金屬間化合物、鎳基合金、鈷基合金、工具鋼、復(fù)合基底。

在包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的相同的所述功能組件中，用于供給不同種類原材料的原料引導(dǎo)是可以改變(changeable)的。

所述包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件剛性固定在工作室的內(nèi)部，并且通過移動所述連接有基體基質(zhì)的支撐板的方法，以相對于所述基體基質(zhì)沿著由工作者或程序確定的軌道來移動所述熔化區(qū)域，從而用于在所述定位系統(tǒng)控制下形成特定的三維物體。

所述包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件剛性固定在所述工作室的頂板上，使得僅有所述氣體放電電子束槍從下面連接到所述功能組件的基體凸緣的這個部件置于工作室的真空空間內(nèi)，并且在這種情況下，原材料從外部通過原料引導(dǎo)以裝配有密封插件供給構(gòu)件的方法來供給到工作室。在這種情況下，由通過移動所述連接有基體基質(zhì)的支撐板的方法，以相對于所述基質(zhì)沿著由工作者或程序確定的軌道來移動所述熔化區(qū)域，從而用于在所述精確定位基體基質(zhì)的定位系統(tǒng)控制下形成特定的三維物體。

所述包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件，通過置于所述工作室的頂板內(nèi)側(cè)的中間管狀墊片來剛性固定在所述工作室的頂板上。在這種情況下，從外部通過原料引導(dǎo)以配有密封插件供給構(gòu)件的方式，將原材料供給給工作室，并且通過移動所述連接有基體基質(zhì)的支撐板的方法，以相對于所述基質(zhì)沿著由工作者或程序確定的軌道來移動所述熔化區(qū)域，從而用于在所述基體基質(zhì)的精確定位的定位系統(tǒng)控制下形成特定的三維物體。

所述包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件完全置于所述工作室內(nèi)部，并且固定在定位系統(tǒng)的框架上，所述定位系統(tǒng)提供所述工作室的三維空間內(nèi)部的移動和定位，因而使得相對于所述基體基質(zhì)沿著由工作者或程序確定的軌道來移動所述熔化區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明所述功能組件的配置在基質(zhì)上形成實際是圓形的熔化池，并且將原材料以與基質(zhì)表面垂直的方式精確供給到所述熔化池的中心，所述功能組件包括產(chǎn)生空心圓錐狀電子束的氣體放電電子束槍和將原材料以與空心圓錐狀電子束共軸的方式供給的原料引導(dǎo)。實施方式中使用金屬線和桿作為原材料的方法和系統(tǒng)在熔化池及其附近避免生成任何陰影區(qū)，因為原材料不會位于電子束到基質(zhì)的路上。

由于熔化池及其附近沒有所述陰影區(qū)，對于在整個熔化池中維持材料的液體條件，不需要任何特定的措施，例如通過電子束沿著復(fù)雜軌道的掃描以在熔化池及其周圍提供不均勻分布的束能量。

在使用金屬線或桿作為原材料的所述功能組件的配置中，由于避免了任何不均勻的內(nèi)部熱壓力，將原材料均勻的軸對稱加熱使得在熔化區(qū)域附近不會發(fā)生金屬線或桿的任何彎曲。

在使用粉末作為原材料的本發(fā)明實施方式中，所述功能組件將全部原料粉末以與基質(zhì)表面嚴(yán)格垂直的方式精確供給到所述熔化池的中心，并且因為避免了粉末與熔化池周圍的固體基質(zhì)表面上的碰撞且避免了粉末顆粒從固體表面的反彈，所以實踐中沒有粉末損失。

根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，將原材料直接垂直供給到與空心圓錐狀電子束共軸的熔化池的中心，因為粉末流完全被比單個粉末顆粒負(fù)電大得多的空心圓錐狀電子束包圍，所以避免了由于靜電排斥而在熔化區(qū)域發(fā)生的具有累積負(fù)電的粉末顆粒的飛出，并且粉末顆粒也不會到由電子束形成的假想圓錐的表面之外。本發(fā)明的用于把粉末作為原材料的配置的上述特性使得原材料的使用效率顯著提高(高達(dá)100％)。

另外，本發(fā)明中供給粉末的配置使得對于粉末顆粒的形狀要求低很多，并且可以加工為原材料的成分組成，使得可能共同使用具有不同物理屬性的不同材料以及不同的成分組成的粉末混合物。

本發(fā)明提供的圓形軸對稱形狀的熔化池以及將原材料以與基質(zhì)表面垂直的方式精確供給到所述熔化池的中心，顯著簡化了熔化池內(nèi)部及其周圍的熱力過程的物理和數(shù)學(xué)模型以及這些運(yùn)行過程的實時控制，使得對于形成凝固層結(jié)構(gòu)的控制好得多，所述凝固層結(jié)構(gòu)直接依賴于熔化材料的冷卻和凝固速率。由于根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)工藝形成了初步特定的材料結(jié)構(gòu)，所以這個優(yōu)勢顯著改善了生產(chǎn)的三維物體的質(zhì)量。

圓形軸對稱形狀的熔化池以及將原材料以與基質(zhì)表面垂直的方式精確供給到所述熔化池的中心，也顯著簡化了對于熔化池內(nèi)部及其周圍的過程的監(jiān)控，并且，所述監(jiān)控可以通過直接視覺觀察和第二控制方法兩者來實現(xiàn)，所述第二控制方法例如通過反射電子的控制、通過電子從熔化池表面的二次發(fā)射的控制、通過溫度場的控制等。

由使用具有冷陰極的氣體放電電子束槍作為生成空心圓錐狀電子束的來源，來提供本發(fā)明生產(chǎn)三維物體的方法和系統(tǒng)的顯著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

對于其中安裝有槍的常見技術(shù)安裝的真空系統(tǒng)的電子束，這種電子束槍的內(nèi)部空間可以直接從出口孔或缺口排除。當(dāng)工作室中的真空達(dá)到幾pa到幾百pa范圍內(nèi)的通常工作水平時，在氣體放電電子束槍的陰極上使用5-45kv限度內(nèi)的加速電壓。工作氣體例如是氫氣、氧氣、氫氣和氧氣的混合氣、氦氣或其他氣體，將工作氣體通過進(jìn)口接套(inletnipple)供給到氣體放電電子束槍的放電室。在所述條件下，在陰極和陽極之間的槍放電室內(nèi)部開始具有陽極等離子體高壓輝光放電(glowdischarge)。所述陽極等離子體是離子源，在由陰極電勢降(potentialdrop)區(qū)域和產(chǎn)生離子發(fā)射的冷陰極轟擊表面(bombardsurface)的電場來加速所述離子源。陰極電勢降區(qū)域的相同電場會加速從陰極表面發(fā)射出的電子，并且形成電子束，電子束的形狀由陰極發(fā)射面的配置決定，因為發(fā)射出的電子在各個發(fā)射點(diǎn)上以與表面精確垂直的方式從陰極表面飛出。因此，例如如果冷陰極的形狀是位于兩個圓形陽極電極并且方向是與所述陰極共軸的圓形，并且所述陰極發(fā)射面的形狀是中心在氣體放電電子束槍的軸上的球截體，從這種陰極發(fā)射的電子會形成具有空心倒圓錐形狀的電子束，并且所述圓錐的頂點(diǎn)會與所述假想球體的中心位置一致。因此，由陰極發(fā)射面的幾何結(jié)構(gòu)提供這種電子束槍電子束的初級聚焦，并且這種聚焦并不需要應(yīng)用分離的聚焦系統(tǒng)。由槍放電室內(nèi)部壓力的變化通過增加或降低工作氣體供應(yīng)速率來控制電子束流的變化，所述電子束流的變化會調(diào)節(jié)氣體放電電子束槍產(chǎn)生的電子束功率。

因此由于上述配置有這種類型電子束槍系統(tǒng)中，氣體放電電子束槍生產(chǎn)三維物體的工作原理，可以實現(xiàn)工作室中10…0.01pa的真空。這種情況使得不需要使用真空器材設(shè)置中的高真空泵，并且顯著降低了在工作室中到達(dá)可允許的工作條件的排氣時間，使得跟配置有熱電子的電子束槍的相似生產(chǎn)系統(tǒng)相比，用于生產(chǎn)三維物體的器材有更高的普通生產(chǎn)率。同樣，氣體放電電子束槍也不需要使用單獨(dú)的高真空泵以在槍內(nèi)部產(chǎn)生對于陰極保護(hù)所需要的真空。用于生產(chǎn)三維物體并配有氣體放電電子束槍的器材真空系統(tǒng)的總成本因此會比配有熱電子電子束槍的相似系統(tǒng)低得多。另外，用于生產(chǎn)三維物體的整個系統(tǒng)的總重量也顯著減小，這在一些例如把這種器材用于航天器甲板上的示例中非常重要。

氣體放電電子束槍的冷陰極通常由并不昂貴的材料來制備，并且還有極長的使用期限。這一特征也降低了用于生產(chǎn)三維物體的器材的成本和工作花費(fèi)。

在相對低的加速電壓下，氣體放電電子束槍生產(chǎn)高質(zhì)量電子束的能力使得在電子束的影響下，降低了由基質(zhì)材料生成的x射線的強(qiáng)度。由于這一事實，可以減少工作室的墻壁厚度，而不違反對于工作人員的輻射保護(hù)的安全需要。因此，用于生產(chǎn)三維物體的全部系統(tǒng)的總重量也顯著減小，這對于在一些例如把這種器材用于航天器甲板上的示例中非常重要。

附圖簡要說明

圖1的方案設(shè)計顯示了包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件，這是根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)三維物體的系統(tǒng)的重要組成部件。

功能組件1由氣體放電電子束槍2和原料引導(dǎo)3組成，它們通過把原料引導(dǎo)體5剛性固定在與基體凸緣共軸的電子束槍基體凸緣4的中心孔上的方式，從而結(jié)合在一個組裝單元中。槍體6圓柱形部件和圓形高壓絕緣體7固定在下面與其共軸的基體凸緣4上。圓形陰極8連接到圓形高壓絕緣體7上，使得高壓絕緣體提供圓形陰極的可靠的絕緣，在所述槍其他部件的高的負(fù)電位下工作。圓形陰極8的發(fā)射面8a的形狀是球截體，球截體的中心決定了空心倒圓錐頂點(diǎn)9a的位置，所述空心倒圓錐是由氣體放電電子束槍2產(chǎn)生的電子束9形成的。內(nèi)部圓形陽極電極10與沿著原料引導(dǎo)體5的基體凸緣4的中心孔共軸固定，并且由圓柱形部件6和圓錐形部件11組成的槍體的作用是外部陽極電極。槍體圓錐形部件11和原料引導(dǎo)體5形成了氣體放電電子束槍2的放電空間12。原料引導(dǎo)的圓錐形部件13和槍體11圓錐形部件11的底端形成圓形缺口，用于在氣體放電電子束槍2外部的空心圓錐狀電子束9的出口。通過插入槍體圓柱形部件6或基體凸緣4(圖中沒有顯示)的接套，向槍的放電空間12提供工作氣體。通過引線(feedthrough)15向陰極應(yīng)用高壓，所述引線15插入所述基體凸緣4的電絕緣孔中。原材料16(如圖1中實施方式所示，是金屬線)從供給構(gòu)件17的頂端供給到原料引導(dǎo)3。

相對于基質(zhì)18放置功能組件1，使得由電子束9形成的空心倒圓錐的頂點(diǎn)9a位于基質(zhì)18的表面附近。由于這種定位，集中的電子束9的能量使得基質(zhì)材料熔化，并形成基質(zhì)18的表面上的熔化池19。金屬線形式的原材料16供給到形成熔化池19的區(qū)域(到熔化區(qū)域)，金屬線的末端被空心圓錐狀電子束9均勻地包圍，受到熔化池19內(nèi)部或略微上面的電子束能量的直接影響而產(chǎn)生熔化，從而使得金屬線末端的熔化的原材料精確地向下滴流到熔化池19的中心。

圖1中的箭頭20象征性地表示功能組件1相對于基質(zhì)18的移動，這因而意味著熔化池19的移動。一旦離開電子束加熱區(qū)域(熔化區(qū)域)，由于熱量傳遞給了基質(zhì)體并且由于從熔化池表面的熱輻射，在功能組件1的初步定位中形成的熔化池快速凝固，形成固體沉積層(熔化的泥)21，并且產(chǎn)生某種程度(value)上基質(zhì)厚度的增加。應(yīng)該注意到功能組件1相對于基質(zhì)18的移動可以通過移動功能組件1或移動基質(zhì)18或同時移動這兩個部件來完成。

圖2顯示了具有一些可能的設(shè)計方案、包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件的另一個實施方式。在這個變化形式中，圓形陰極8通過圓形陰極固定器22連接到高壓絕緣體7上，所述固定器使用比陰極更加牢固的材料制成。在這種變化形式中，設(shè)計圓形陰極固定器22具有用于冷卻水的圓形孔洞23，因此用于供應(yīng)和排除冷卻水到圓形陰極固定器22的進(jìn)口接套24和出口接套25插入基體凸緣4的電絕緣孔中。同樣，圖2顯示了功能組件設(shè)計的某種變化形式，其中制備的氣體放電電子束槍的圓錐形部件11和原料引導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有由水冷卻。同樣，圖2顯示了高壓絕緣體7設(shè)計的某種變化形式，其中所述絕緣體的形狀為具有延伸的自由表面的環(huán)形。同時所顯示的延伸的自由表面的構(gòu)型僅僅是示例，并不排除根據(jù)實際的氣體放電電子束槍電流-電壓特性而使用其他的表面構(gòu)型。

圖3顯示了圓形陰極8變化形式的方案設(shè)計，其中具有球截體的圓形插件26插入到圓形陰極的發(fā)射面8a中，所述球截體由具有更高發(fā)射能力的材料制成。

圖4顯示了包括氣體放電電子束槍和原料引導(dǎo)的功能組件1實施方式的方案設(shè)計，其中使用粉末25作為原材料。在所顯示的構(gòu)型中，原料粉末25通過原料引導(dǎo)3末端的噴嘴27以氣流26方式供給到熔化區(qū)域。諸多粉末供應(yīng)工業(yè)方法和噴嘴構(gòu)型之一可以用于根據(jù)粉末材料、部分組成、運(yùn)載氣體和粉末的其他物理和化學(xué)特性，來供給粉末。圖4也顯示了具有水冷卻28的原料引導(dǎo)3的設(shè)計。

圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于生產(chǎn)三維物體的整個系統(tǒng)的方案設(shè)計，其中包括氣體放電電子束槍2和原料引導(dǎo)3的功能組件1以及供給構(gòu)件17完全置于工作室的內(nèi)部。所述整個系統(tǒng)由下列組成：真空密封工作室29，包括氣體放電電子束槍2和原料引導(dǎo)3的所述功能組件1，所述供給構(gòu)件17，用于形成置于所述支撐板30上的三維物體的基體基質(zhì)18，用于提供熔化區(qū)域相對于基質(zhì)沿著由工作者或程序設(shè)定的軌道移動的精確定位系統(tǒng)31和36，真空系統(tǒng)32，用于氣體放電電子束槍的高壓電源33，用于氣體放電電子束槍的氣體提供系統(tǒng)34，控制系統(tǒng)35，所述控制系統(tǒng)35用于控制作為所述完整生產(chǎn)系統(tǒng)的部件的所有器材、機(jī)構(gòu)和儀器，用于監(jiān)控所有系統(tǒng)的工作條件和控制生產(chǎn)三維物體的技術(shù)工藝。在將所述功能組件完全置于工作室內(nèi)部的實施方式中，有兩種提供熔化區(qū)域相對于基質(zhì)來移動的變化形式–第一種是將具有連接的基體基質(zhì)的支撐板置于定位系統(tǒng)31的移動平臺上并且剛性固定功能組件，第二種是將功能組件置于定位系統(tǒng)36的移動平臺上移動，并且剛性固定具有連接的基體基質(zhì)的支撐板。

圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明實施方式生產(chǎn)三維物體的完整系統(tǒng)的方案設(shè)計，其中包括氣體放電電子束槍2和原料引導(dǎo)3的功能組件通過中間管墊片38來剛性固定在工作室28的頂板37上，使得僅有所述氣體放電電子束槍2從下面連接到所述功能組件基體凸緣4的部件，置于工作室29的內(nèi)部真空中，并且這種情況下，原材料16從外部通過原料引導(dǎo)以裝配有密封插件39的供給構(gòu)件的方式，供給到工作室。在這種情況下，以將連接有基體基質(zhì)的支撐板基體基質(zhì)置于定位系統(tǒng)的移動平臺上的方式，來提供熔化區(qū)域相對于基質(zhì)沿著由工作者或程序設(shè)定的軌道移動。

工業(yè)應(yīng)用性

本發(fā)明公開的用于生產(chǎn)三維物體的方法和系統(tǒng)，可以用于高效生產(chǎn)特別是由活性材料(reactivematerial)制成的復(fù)雜構(gòu)型的高質(zhì)量部件，所述活性材料的熔化工藝需要使用保護(hù)氣體和高功率集中的能量源，例如鈦、鈦合金、鈦金屬間化合物、鈮、鈮合金、鈮金屬間化合物、鉭、鉭合金、鋁、鋁合金、鋁金屬間化合物、鎳基合金、鈷基合金、工具鋼、復(fù)合基底。所述方法和系統(tǒng)也可以在某些條件下高效使用，所述條件中用于生產(chǎn)三維物體的整個生產(chǎn)系統(tǒng)的重量和尺寸是關(guān)鍵的參數(shù)，例如是在航天器甲板上。