СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ Российский патент 2017 года по МПК H01J37/77 B29C67/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Различные варианты реализации настоящей технологии относятся к устройству с плазменным источником электронов, способу генерации импульсных электронных пучков и применению устройства с плазменным источником электронов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Свободное изготовление или аддитивные технологии представляют собой способ формирования трехмерных деталей путем последовательной плавки выбранных частей слоев порошка, нанесенного на рабочий стол. Способ и устройство в соответствии с данной технологией изложены в US №2009/0152771.

[0003] Такое устройство может содержать рабочий стол, на котором формируется трехмерная деталь, порошковый распылитель, предназначенный для осаждения тонкого слоя порошка на рабочий стол для формирования порошковой основы, электронную пушку для доставки энергии к порошку, посредством чего происходит плавка порошка, элементы для управления пучком, испускаемые электронной пушкой на порошковую основу для формирования сечения трехмерной детали с помощью плавления частей порошковой основы, и управляющий компьютер, в котором хранится информация о последовательных сечениях трехмерной детали. Трехмерная деталь формируется с помощью непрерывного плавления последовательно формируемых сечений слоев порошка, наносимых порошковым распылителем слой за слоем.

[0004] При использовании электронного пучка для передачи энергии порошку в аддитивных технологиях желательно относительно быстро включать и отключать электронный пучок для управления распределением тепловой энергии и механизмом плавления.

[0005] Частота переключения ограничена температурной постоянной времени для термокатодного материала при генерации электронного пучка из этого материала. Сложно, если не сказать - невозможно, включать и выключать генерацию электронного пучка из термокатода быстрее чем с частотой 50 Гц.

[0006] Частота переключения термокатодной электронной генерации может быть увеличена при использовании так называемой триодной конструкции. В триодной конструкции используется сетка, которая обеспечивает возможность быстрого включения и отключения электронного пучка. Однако в триодной конструкции может быть сложно сформировать пригодный для свободного изготовления электронный пучок с хорошим качеством фокуса и стабильной интенсивностью в пространстве и времени при переменном токе.

[0007] При генерации электронного пучка из плазменного источника частота переключения ограничена временем зажигания и гашения плазмы. Оно, в свою очередь, ограничено временем переключения высокого напряжения, необходимого для зажигания и гашения плазмы. Теоретически наиболее высокая возможная частота генерирования плазмы около 10 МГц, но практически она ограничена временем переключения высоковольтных электронных элементов.

[0008] Известные способы создания импульсных электронных пучков не обладают достаточно высокой частотой импульсов, не оказывающей при этом влияния на качество электронного пучка, что может быть проблемой в аддитивных технологиях.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В этих обстоятельствах объектом изобретения являются способ и устройство, обеспечивающее возможность более быстрой пульсации электронного пучка, чем это известно при настоящем уровне техники. Объект реализуется с помощью особенностей, соответствующих приведенной здесь формуле изобретения.

[0010] В соответствии с различными вариантами реализации предложено устройство с плазменным источником электронов. Устройство содержит разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма, выходное отверстие, которое выполнено в разрядной камере с катодом, из которого электроны из плазмы извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом, по меньшей мере одно устройство удержания плазмы, и переключающее средство для переключения по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы.

[0011] В соответствии с различными вариантами реализации технологии также предложен способ генерирования импульсного электронного пучка. Способ включает этапы: генерирования плазмы в разрядной камере с катодом, извлечения электронов из выходного отверстия, выполненного в разрядной камере с катодом, ускоряющим полем, приложенным между этой разрядной камерой с катодом и анодом, обеспечения наличия по меньшей мере одного устройства удержания плазмы, и переключения указанного по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы.

[0012] В соответствии с различными вариантами реализации настоящей технологии также предложено альтернативное устройство с плазменным источником электронов. Устройство содержит разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма, выходное отверстие 120, которое выполнено в разрядной камере 100 с катодом и из которого электроны из плазмы 107 извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой 100 с катодом и анодом 104, по меньшей мере одни средства удержания плазмы в разрядной камере 100 с катодом, переключающее устройство для переключения указанных по меньшей мере одних средств удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы 107, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы 107.

[0013] По меньшей мере одни средства удержания плазмы в разрядной камере с катодом могут представлять собой по меньшей мере одну электромагнитную катушку, по меньшей мере один генератор электромагнитных волн и/или по меньшей мере одну пластину (125) управления пучком.

[0014] Параметр для регулирования усилия удержания плазмы между первым и вторым значениями может представлять собой ток через катушку, причем катушка располагается внутри или снаружи разрядной камеры с катодом, и/или напряжение на пластине, причем пластина располагается внутри разрядной камеры с катодом, и/или длина волны или амплитуда электромагнитной волны, генерируемой источником электромагнитных волн, расположенным внутри или снаружи разрядной камеры с катодом.

[0015] В некоторых вариантах реализации технологии такие параметры включают средства удержания плазмы в разрядной камере с катодом. С помощью размещения средств удержания плазмы в разрядной камере с катодом и переключения его между состоянием удержания и состоянием отсутствия удержания для получения импульсного электронного пучка достигается быстрое управление импульсным электронным пучком.

[0016] По меньшей мере одни средства удержания плазмы могут быть расположены внутри и/или снаружи разрядной камеры (100) с катодом. Размещение средств удержания плазмы внутри разрядной камеры с катодом может повлиять на резонансную частоту камеры, но это компактное решение. Размещение средств удержания плазмы снаружи разрядной камеры с катодом - более дешевое и иногда более эффективное решение по сравнению с такими же устройствами, размещаемыми внутри разрядной камеры с катодом. Размещение может также зависеть от типа средств удержания плазмы.

[0017] В различных вариантах реализации предложен управляющий блок для изменения рабочего цикла первого значения тока посредством по меньшей мере одних средств удержания плазмы для изменения среднего тока электронов из плазменного источника электронов.

[0018] Преимуществом этого варианта реализации технологии в том, что он предполагает простое управление энергией пучка без внесения погрешностей в качество пучка, то есть в хорошую фокусировку и стабильность интенсивности в пространстве и времени. Изменение рабочего цикла первого значения удержания плазмы обуславливает очень эффективный способ регулирования энергии пучка. Энергия пучка может переключаться между двумя различными уровнями энергии настолько быстро, насколько управляющий механизм может изменять рабочий цикл первого значения тока через по меньшей мере одни средства удержания плазмы. Плазма может очень быстро зажигаться, гаситься и/или изменять форму.

[0019] В различных вариантах реализации технологии предложен источник электромагнитных волн для излучения электромагнитной энергии, действующей на газ в разрядной камере с катодом для зажигания плазмы. В примерном варианте реализации технологии энергия электромагнитной волны представляет собой радиочастотную энергию. В другом примерном варианте реализации энергия электромагнитной волны представляет собой СВЧ-энергию. Плазма может быть создана или разрушена путем изменения длины волны энергии волны, выходящей за резонансную частоту плазмы. Резонансная частота может зависеть от типа молекул в плазме, а также размеров и формы разрядной камеры с катодом.

[0020] Преимущество таких вариантов реализации настоящей технологии в том, что генерация плазмы отделена и не зависит от катушки переключения. Другим преимуществом является то, что источник электромагнитных волн представляет собой эффективное устройство для генерации плазмы.

[0021] В других примерных вариантах реализации технологии, разрядная камера с катодом снабжена впускным отверстием, выполненным с возможностью соединения с источником газа для ввода газа в разрядную камеру с катодом. Преимуществом таких вариантов реализации настоящей технологии является то, что источник электронов будет действовать, пока газ не перестанет поступать в разрядную камеру с катодом.

[0022] В еще одних примерных вариантах реализации технологии, частота переключения между первым и вторым значениями тока выше, чем 100 Гц, 1 кГц или 100 кГц. Преимуществом таких вариантов реализации настоящей технологии является то, что время переключения меньше, чем постоянная времени плавления.

[0023] Еще в одних примерных вариантах реализации технологии по меньшей мере одна пластина 125 управления электронным пучком расположена внутри разрядной камеры 100 с катодом таким образом, что по меньшей мере часть плазмы расположена между пластиной 125 управления электронным пучком и выходным отверстием 120. Преимуществом таких вариантов реализации настоящей технологии является то, что они предусматривают дополнительное управление излучением электронов. Другим преимуществом варианта реализации технологии является то, что он предусматривает увеличение энергии пучка. Еще одним преимуществом является то, что вывод электронного пучка через выходное отверстие может быть полностью прекращен. Еще одним преимуществом является то, что по меньшей мере одна пластина управления электронным пучком представляет собой эффективное устройство генерации плазмы.

[0024] В других примерных вариантах реализации электромагнитная катушка 103 заменяется по меньшей мере одной пластиной 125 управления электронным пучком, выполненной внутри разрядной камеры 100 с катодом и расположенной таким образом, что по меньшей мере часть плазмы расположена между этой пластиной 125 управления электронным пучком и выходным отверстием 120. Преимуществом таких вариантов реализации настоящей технологии является то, что они проще, чем катушка, извлекающая электроны через выходное отверстие.

[0025] В другом аспекте различных вариантов реализации устройство с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением может быть применено для формирования трехмерной детали с помощью последовательной плавки частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, причем эти части относятся к соответствующим сечениям трехмерной детали.

[0026] В еще одних примерных вариантах реализации технологии, способ генерирования импульсного электронного пучка включает этапы: генерирование плазмы в разрядной камере с катодом, извлечение электронов из выходного отверстия в разрядной камере с катодом ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом, обеспечение наличия по меньшей мере одних средств удержания плазмы в разрядной камере с катодом, переключение указанных по меньшей мере одних средств удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы.

[0027] Способ имеет преимущества, подобные соответствующему ему устройству.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0028] Технология будет описана далее на примерах, не ограничивающих объем изобретения, со ссылками на предлагающиеся чертежи. Одинаковые значения ссылок указывают на соответствующие подобные детали в нескольких чертежах:

[0029] На фиг. 1а показан первый примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

[0030] На фиг. 1б показан второй примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

[0031] На фиг. 1в показан третий примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

[0032] На фиг. 2 показан примерный вариант реализации работы изобретенного устройства с плазменным источником электронов с изменяемым рабочим циклом для управления средним током электронного пучка.

[0033] На фиг. 3 показан примерный вариант реализации устройства свободного изготовления или аддитивной технологии, в котором может быть реализовано устройство с плазменным источником электронов настоящего изобретения.

[0034] На фиг. 4а показан четвертый примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

[0035] На фиг. 4б показан пятый примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

[0036] На фиг. 4в показан шестой примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

[0037] На фиг. 5 показан седьмой примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0038] Различные варианты реализации настоящей технологии будут описаны здесь более полно со ссылками на предлагающиеся чертежи, в которых показаны некоторые, но не все, варианты реализации настоящей технологии. На самом деле различные варианты реализации настоящей технологии могут быть реализованы в различных формах и не должны толковаться как ограниченные нижеизложенными вариантами реализации настоящей технологии, эти варианты реализации настоящей технологии приведены скорее для соответствия описания применимым правовым требованиям.

[0039] Для облегчения понимания данного изобретения ниже определены некоторые термины. Определенные здесь термины имеют общепринятые значения, в целом понятные специалисту в данной области техники в областях, относящихся к настоящему изобретению. Термины такие как "a", "an" и "the" (артикли английского языка) относятся не только к конкретному объекту, но подразумевают общий класс объектов, который можно проиллюстрировать на примере данного объекта. Приводимая здесь терминология используется для описания конкретных вариантов реализации настоящей технологии изобретения, но ее использование не ограничивает изобретения, за исключением обозначенного в формуле изобретения.

[0040] Термин "трехмерные конструкции" и подобные ему термины относятся здесь в основном к предполагаемым или непосредственно изготовленным трехмерным конфигурациям (таким как конструктивный материал или материалы), которые предназначены для использования в конкретных целях. Такие конструкции, в том числе, могут быть, например, спроектированы с помощью трехмерной CAD-системы.

[0041] Термин "электронный пучок", используемый здесь в различных вариантах реализации настоящей технологии, относится к любому пучку заряженных частиц. Источники пучков заряженных частиц могут содержать электронную пушку, линейный ускоритель и так далее.

[0042] На фиг. 3 показан вариант реализации устройства технологии свободного изготовления или аддитивной технологии 300, в которой может быть реализовано настоящее изобретенное устройство с плазменным источником электронов. Устройство 300 содержит электронную пушку 302, две загрузочные воронки для порошка 306, 307, стартовую пластину 316, строительный бак 312, распределитель порошка 310, строительную платформу 314, и вакуумную камеру 320.

[0043] Вакуумная камера 320 способна поддерживать условия вакуума с помощью откачной системы, которая может содержать турбомолекулярный насос, спиральный насос, ионный насос и один или более вентилей, что хорошо известно специалисту в данной области техники и поэтому не требует дополнительных разъяснений в данном контексте. Откачная система управляется устройством управления.

[0044] Электронная пушка 302 генерирует электронный пучок, используемый для плавления или спекания вместе порошкового материала 318, распределенного на стартовой пластине 316. По меньшей мере часть электронной пушки 302 может быть размещена в вакуумной камере 320. Устройство управления 340 может использоваться для управления электронным пучком, эмитированным из электронно-лучевой пушки 302. По меньшей мере одна фокусирующая катушка (не показана), по меньшей мере одна отклоняющая катушка и устройство генерации электронного пучка могут быть электрически соединены с управляющим устройством 340. В примерном варианте реализации изобретения электронная пушка генерирует фокусируемый электронный пучок с ускоряющим напряжением около 60 кВ и с энергией пучка в диапазоне 0-3 кВт. Давление в вакуумной камере при построении трехмерной детали путем оплавления порошка слой за слоем энергией пучка может быть в диапазоне 10³-10⁶ мбар.

[0045] Загрузочные воронки для порошка 306, 307 содержат порошковый материал, распределяемый на стартовой пластине 316 в строительном баке 312. Порошковый материал может представлять собой, например, чистые металлы или металлические сплавы, например титан, титановые сплавы, алюминий, алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, сплав Co-Cr-W и т.д.

[0046] Распределитель порошка 310 предназначен для осаждения тонкого слоя порошкового материала на стартовую пластину 316. Во время рабочего цикла строительная платформа 314 будет постепенно опускаться относительно электронной пушки после каждого добавленного слоя порошкового материала. С целью сделать такое движение возможным, строительная платформа 314 водном из вариантов реализации изобретения подвижна в вертикальном направлении, то есть в направлении, обозначенном стрелкой Р. Это означает, что строительная платформа 314 начинает работать в начальной позиции, в которой первый слой порошкового материала необходимой толщины осаждается на стартовую пластину 316. Строительная платформа опускается в соответствии с осаждением нового слоя порошкового материала для формирования нового сечения трехмерной детали. Механизм опускания строительной платформы 314 может, например, быть реализован через сервопривод, оборудованный передачей, юстировочными винтами и т.д.

[0047] Трехмерное изделие, формируемое с помощью последовательной плавки частей порошковой основы, которые соответствуют последовательным сечениям трехмерного изделия, включая этап моделирования трехмерного изделия. Модель может быть создана с помощью CAD (Система автоматизированного проектирования - САПР) инструмента.

[0048] Первый слой порошка может быть равномерно распределен на рабочем столе 316 несколькими способами. Одним из способов распределения порошка является сбор материала, выпадающего из загрузочных воронок для порошка 306, 307, сгребательной системой. Грабли двигаются по строительному баку, распределяя, таким образом, порошок по стартовой пластине. Расстояние между нижней частью грабель и верхней частью стартовой пластины или предыдущим слоем порошка определяет толщину порошка, распределяемого по стартовой пластине. Толщину слоя порошка можно легко настроить регулировкой высоты строительной платформы 314.

[0049] Пучок энергии направляется на рабочий стол 316, вызывая расплавление первого слоя порошка в выбранных областях и формируя первое сечение трехмерной детали. Пучок энергии может представлять собой электронный пучок или лазерный луч.

Пучок направляется на рабочий стол 316 по инструкции данного управляющего устройства (не показано). Инструкции по управлению электронной пушкой для каждого слоя трехмерного изделия должны быть приложены к управляющему устройству.

[0050] После того как первый слой закончен, то есть, расплавлен порошковый материал для производства первого слоя трехмерной детали, на рабочий стол 316 наносится второй слой порошка. Второй слой порошка предпочтительно распределять так же, как и предыдущий слой. Распределитель порошка имеет вид единой сгребательной системы, то есть такой, в которой одна грабля собирает порошок, выпадающий из обеих (левой и правой) загрузочных воронок для порошка 306 и 307, причем конструкция грабли может быть изменена.

[0051] После распределения второго слоя порошка по рабочему столу 316 на рабочий стол направляется пучок энергии, вызывая расплавление второго слоя в выбранных областях для формирования второго сечения трехмерной детали. Расплавленные части второго слоя могут быть связаны с частями первого слоя. Расплавленные части в первом и втором слоях могут расплавляться вместе, расплавляя не только порошок самого верхнего слоя, но также переплавляя по меньшей мере часть толщины слоя под ним.

[0052] После расплавления выбранных областей первого слоя порошка делается по меньшей мере одно первое изображение по меньшей мере одной зоны плавления первого слоя порошка.

[0053] На фиг. 1а показан первый примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов 150 в соответствии с настоящим изобретением. Устройство с плазменным источником электронов 150 содержит разрядную камеру 100 с катодом, необязательное впускное отверстие 101 для газа, выходное отверстие 120, электромагнитную катушку 103, анод 105 и опциональную оптику формы пучка 105.

[0054] Разрядная камера 100 с катодом снабжена впускным отверстием 101 для газа для введения газа в разрядную камеру с катодом. Газ может, например, быть аргоном, гелием, неоном или криптоном. Впускаемый в разрядную камеру 100 с катодом газ будет вытекать через выходное отверстие 120. Выходное отверстие 120 выполнено для извлечения электронов из плазмы 107, расположенной в разрядной камере 100 с катодом.

[0055] В другом примерном варианте реализации технологии, проиллюстрированном на фиг. 1б, плазма сгенерирована радиочастотный источником 102, расположенным снаружи разрядной камеры 100 с катодом. Источник 102 радиочастот может представлять собой катушку, в которую вводится радиочастотный сигнал. Частота радиочастотной энергии может составлять 10-15 МГц. Радиочастотная энергия из катушки будет генерировать радиочастотный индукционный разряд в газе разрядной камеры 100 с катодом, создавая таким образом плазму 107, содержащую электроны и ионы. Радиочастотная энергия может быть в диапазоне 50-500 Вт.

[0056] В альтернативном варианте реализации технологии в соответствии с фиг. 1в плазма 107 сгенерирована нитевидным разрядом, то есть, анод 130 и катод 132 расположены в разрядной камере 100 с катодом с приложенным к нему напряжением, достаточно высоким для создания плазмы 107 с ионами и электронами, вместо источника 102 радиочастот, как проиллюстрировано на фиг. 1б.

[0057] Существуют другие способы генерирования плазмы - например, с помощью волн СВЧ, действующих на газ внутри разрядной камеры с катодом. Другим способом является техника полокатодного разряда. Еще одним из путей создания плазмы в разрядной камере с катодом является барьерный разряд. Конечно, хотя конкретные техники и/или способы могут быть здесь отображены, можно использовать любые подходящие техники генерирования плазмы в этом контексте без отступления за границы объема настоящего изобретения.

[0058] Электромагнитная катушка 103 может использоваться для реализации удержания плазмы в разрядной камере 100 с катодом. В примерном варианте реализации технологии на фиг. 1б, электромагнитная катушка 103 может быть установлена снаружи радиочастотной катушки 102. В альтернативном варианте реализации технологии электромагнитная катушка 103 может быть установлена между разрядной камерой 100 с катодом и радиочастотной катушкой 102 (не показано). В еще одном варианте реализации технологии, электромагнитная катушка 103 может быть размещена внутри разрядной камеры 100 с катодом (не показано). Интенсивность магнитного поля, генерируемого электромагнитной катушкой 103 внутри разрядной камеры 100 с катодом для удержания плазмы, может быть в диапазоне 10-300 Гс. Удержание плазмы может использоваться для извлечения электронов из разрядной камеры 100 с катодом при относительно малом давлении газа и для увеличения эффективности извлечения электронов. Если интенсивность поля внутри разрядной камеры 100 с катодом ниже заданного значения, генерируемого при данном значении тока через электромагнитную катушку 103, из выходного отверстия 120 может быть извлечено недостаточное количество электронов для формирования электронного пучка 106. Однако, если интенсивность поля выше заданного значения, внутри разрядной камеры 100 с катодом может быть сгенерировано достаточное удержание плазмы и электроны могут быть извлечены из выходного отверстия 120 для формирования электронного пучка 106. Интенсивность поля внутри разрядной камеры 100 с катодом при невозможности формирования электронного пучка может быть равна 0 или около 0. Интенсивность поля, при которой из разрядной камеры с катодом извлекается постоянный и надежный электронный пучок, может очень сильно зависеть от размеров камеры 100 и давления газа в разрядной камере с катодом. Цилиндрическая камера диаметром 15 см может потребовать внутри камеры интенсивности поля выше 10 Гс для извлечения электронов из выходного отверстия 120. Большие диаметры могут потребовать большей интенсивности поля для извлечения электронов с постоянным давлением газа. Давление газа внутри разрядной камеры 100 с катодом может быть в диапазоне 10⁴-10⁰ мбар.

[0059] Частота излучения, используемая для удержания плазмы в электромагнитной катушке 103, может быть 2-80 ГГц. Частота источника радиочастот или СВЧ-источника может быть установлена на резонансную частоту газа внутри разрядной камеры 100 с катодом и/или размер и форму разрядной камеры с катодом, то есть, резонансную частоту камеры.

[0060] Плазма 107 может быть расположена в середине разрядной камеры 100 с катодом. В примерном варианте реализации технологии расстояние между выходным отверстием и плазмой внутри разрядной камеры с катодом может в 3-4 раза превышать диаметр выходного отверстия.

[0061] Импульсный электронный пучок может генерироваться включением и выключением интенсивности поля внутри разрядной камеры с катодом, то есть, включением и выключением тока через катушку 103. Переключение тока с первого значения, равного 0, до второго значения для создания достаточной интенсивности поля внутри разрядной камеры 100 с катодом может, таким образом, использоваться для генерирования импульсного электронного пучка. Частота переключения может быть выше, чем 100 Гц, 1 кГц или 100 кГц. Переключающее устройство для переключения тока в катушке 103 может быть выполнено с использованием высокочастотных электронных цепей как драйвера тока катушки, что хорошо известно специалисту в данной области техники.

[0062] Также работа источника более стабильна, если переключение электронного пучка выполняется с использованием катушки 103 удержания быстрее, чем переключение цепи генерирования плазмы, что означает, что плазма будет воссоздаваться для каждого цикла импульсов.

[0063] Анод может быть расположен снаружи разрядной камеры 100 с катодом поблизости от выходного отверстия. Напряжение прилагается между разрядной камерой с катодом и анодом, как правило, потенциал, приложенный к разрядной камере с катодом, равен - 60 кВ, а потенциал, приложенный к аноду, является потенциалом земли. В таком случае электроны будут ускоряться в ускоряющем поле между разрядной камерой 100 с катодом и анодом 104. Изменение потенциала на противоположный будет извлекать из разрядной камеры с катодом позитивные ионы вместо негативных электронов.

[0064] Опциональная оптика формирования пучка может быть расположена ниже анода для формирования, сканирования и/или фокусирования электронного пучка.

[0065] На фиг. 2 показан примерный вариант реализации технологии с изменяемым рабочим циклом для управления средним током электронного пучка с помощью модуляции ширины импульсов. Более высокий рабочий цикл переключения (показано слева на фиг. 2) будет создавать более высокий средний ток электронного пучка по сравнению с более низким рабочим циклом переключения (показано справа на фиг. 2). Изменение рабочего цикла при включении и выключении тока катушки 103 будет влиять на средний ток электронного пучка, извлекаемого из разрядной камеры 100 с катодом.

[0066] В аддитивной технологии может быть полезным, если источник электронного пучка представляет собой плазменный источник. Энергия плавления может изменяться мгновенно изменением рабочего цикла импульсов выше или ниже по необходимости. Быстрый контроль энергии плавления может дать более качественные изделия в отношении поверхностной обработки, микроструктурных и/или механических свойств.

[0067] Учитывая описанную выше генерацию электронного пучка, значительно легче создать высококачественный электронный пучок (электронный пучок с неизменяемой во времени интенсивностью). Поскольку плазма внутри разрядной камеры с катодом не включается и не выключается, то это не влияет на качество электронного пучка. Изменения тока электронного пучка более или менее постоянны. Средний ток пучка может регулироваться изменением рабочего цикла переключения тока в катушке 103.

[0068] На фиг. 4а показан четвертый, не ограничивающий, примерный вариант реализации технологии устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением. Единственным отличием четвертого примерного варианта реализации технологии от первого примерного варианта реализации технологии, показанного на фиг. 1а, является дополнительная пластина управления электронным пучком 125.

[0069] Пластина управления электронным пучком 125 может быть соединена с положительным или отрицательным потенциалом по отношению к разрядной камере 100 с катодом. Потенциал, сообщаемый пластине управления электронным пучком 125, может лежать в диапазоне а±ε кВ, при чем а является потенциалом, приложенным к разрядной камере с катодом, а ε является разницей потенциалов по отношению к разрядной камере 100 с катодом, а может быть в диапазоне 10-100 кВ, а ε - в диапазоне 10-1000 В. В примерном варианте реализации технологии, при чем ε равна -50 В, электроны в плазме внутри разрядной камеры с катодом будут принудительно направляться к выходному отверстию 120. Электромагнитная катушка 103 включается совместно с пластиной управления электронным пучком, имеющей отрицательную ε, то есть к выходному отверстию 103 принудительно направляются больше электронов, что делает возможным более высокий ток электронного пучка.

[0070] В другом примерном варианте реализации технологии, в котором ε равна +50 В, электроны в плазме внутри разрядной камеры с катодом будут принудительно направляться к пластине управления электронным пучком 125. Электромагнитная катушка 103 выключается совместно с пластиной управления электронным пучком, имеющей позитивную ε, то есть, запрещая извлечение электрона через выходное отверстие 103.

[0071] На фиг. 4б показан пятый примерный вариант реализации устройства с плазменным источником электронов в соответствии с настоящим изобретением. Единственным отличием пятого примерного варианта реализации технологии от второго примерного варианта реализации технологии, показанного на фиг. 1б, является дополнительная пластина управления электронным пучком 125.

[0072] В еще одном примерном варианте реализации технологии катушка 103 может быть полностью заменена пластиной управления электронным пучком 125, как это можно увидеть в шестом примерном варианте реализации технологии настоящего изобретения проиллюстрированном на фиг. 4с. Извлечение электронов из выходного отверстия 103 в этом варианте реализации технологии зависит только от потенциала пластины управления электронным пучком 125. В случае если ε отрицательна, электроны в плазме принудительно направляются к выходному отверстию. В случае, если ε положительна, извлечение электронов плазмы через выходное отверстие запрещается.

[0073] Это также возможно, если общий заряд плазмы положительный из-за большего количества ионов в плазме. Электрическая сила пластины 125, действующая на электроны, может быть экранирована ионами. В таком случае плазма выталкивается к выходному отверстию 129 положительным напряжением.

[0074] Имея только пластину управления электронным пучком, то есть без катушки 103, для переключения электронного пучка между положениями «включено» и «выключено», ε, возможно, должна быть в диапазоне 100-10000 В.

[0075] Хотя в определенных вариантах реализации настоящей технологии пластина управления электронным пучком 125 может быть выполнена в целом плоской, в альтернативном варианте реализации технологии, показанном на фиг. 5, пластина управления электронным пучком 125 может быть не плоской, чтобы прикладывать не только поле, толкающее электроны вниз к выходному отверстию 120, а толкать также электроны в направлении центральной оси разрядной камеры 100 с катодом. Не плоская управляющая пластина 125 может также использоваться в варианте реализации технологии, показанном на фиг. 4а и/или 4б. В еще одном примерном варианте реализации технологии настоящего изобретения управляющая пластина может быть кольцом, соосным относительно выходного отверстия 120. Используя пластину управления в форме кольца, плазма может концентрироваться в кольце и двигаться как в отверстие, так и из отверстия в зависимости от потенциала на кольце, причем отрицательный потенциал будет принудительно направлять плазму в направлении выходного отверстия 120, а положительный потенциал будет принудительно направлять плазму от выходного отверстия 120. Может быть и наоборот в связи с теми же причинами, как это показано выше, то есть это зависит от общего моментального заряда плазмы.

[0076] Быстрое переключение может также быть полезным при выключении пучка в аддитивной технологии в случае, если пучок проходит от первой позиции ко второй позиции. Пучок включается в случае, если находится в правильном положении для плавления или нагрева. В результате исключается неправильное плавление или нагревание, то есть, плавление будет иметь место только в предопределенных позициях. Например, порошок не будет разогреваться, пока электронный пучок движется по порошковому материалу, поскольку электронный пучок может быть отключен на время прохода (сканирования) электронного пучка.

[0077] В примерном варианте реализации аддитивной технологии формирования трехмерной детали с помощью последовательной плавки частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, размещенной на рабочем столе, соответствующих последовательным сечениям трехмерного изделия, для плавки порошкового материала используется плазменная электронная пушка. Генерация электронного пучка отключается на время сканирования электронного пучка, то есть, пока изменяются установки сканирующей катушки, расположенной ниже по потоку выходного отверстия разрядной камеры с катодом плазменной электронной пушки.

[0078] В еще одном примерном варианте реализации аддитивной технологии для формирования трехмерной детали с помощью последовательной плавки частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, соответствующих последовательным сечениям трехмерной детали, для плавления порошкового материала используется плазменная электронная пушка. Средний ток пучка изменяется изменением рабочего цикла переключения включено/выключено тока в катушке 103.

[0079] В еще одном примерном варианте реализации технологии настоящего изобретения ток, подводимый к катушке 103, может изменяться для изменения количества электронов, извлекаемых из выходного отверстия 120. Изменяя ток в катушке 103, можно изменять количество электронов, извлекаемых из выходного отверстия 120. Увеличение тока через катушку 103 обычно увеличивает количество электронов, извлекаемых через выходное отверстие 120. Уменьшение тока через катушку 103 обычно уменьшает количество электронов, извлекаемых через выходное отверстие 120. Аналоговое изменение тока катушки 103 может быстро изменить количество электронов, эмиттируемых через выходное отверстие 120. Подобным же образом это относится к пластине управления электронным пучком, то есть, изменяя потенциал, приложенный к пластине управления электронным пучком 125, можно влиять на число электронов, эмиттируемых из выходного отверстия 120. Как и в приведенных выше примерах, может изменяться только ток в катушке 103, или может меняться только потенциал пластины управления электронным пучком 125, или могут меняться одновременно ток в катушке 103 и потенциал пластины управления электронным пучком 125, изменяя количество эмиттируемых из отверстия 120 электронов.

[0080] В альтернативном варианте реализации технологии ток через катушку изменяется одновременно, поскольку ток через катушку включается и выключается для выработки импульсного электронного пучка, то есть, каждый импульс электронного пучка может содержать различное количество электронов в силу различной величины тока через катушку 103. Это также применимо к пластине управления электронным пучком, то есть, потенциал может изменяться одновременно с включением/выключением потенциала, означая то, что два переключения потенциала могут быть различных значений для эффективного числа электронов, эмиттируемых через выходное отверстие 120. Возможны также комбинация изменения потенциалов пластины управления электронным пучком и тока через катушку 103, как и переключение катушки и пластины управления электронным пучком в положение «включено/выключено».

[0081] Переключающее устройство для переключения по меньшей мере одних средств удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы 107, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы 107, может быть управляемым компьютером генератором 190 сигналов. Генератор сигналов может представлять собой источник питания, источник тока, источник напряжения и/или генератор частот.

[0082] Изобретение не ограничено описанными выше вариантами реализации настоящей технологии, и в рамках следующей формулы изобретения возможно множество модификаций. Такие модификации, например, включают использование других источников энергии, чем показанный электронный пучок, например, лазерного луча. Могут быть использованы другие материалы, а не металлический порошок, такие как полимерный или керамический порошок. Разумеется, специалист в данной области техники способен воспользоваться данной информацией, заключенной в предыдущем тексте, для модифицирования различных вариантов реализации настоящей технологии способами, не обозначенными буквально, но тем не менее, включенных в прилагаемую формулу изобретения, поскольку они выполняют те же по существу функции для достижения тех же результатов. Таким образом, понятно, что изобретение не ограничивается конкретными описанными вариантами реализации настоящей технологии, и эти модификации и другие варианты реализации настоящей технологии считаются включенными в объем приложенной формулы изобретения. Несмотря на то, что здесь используются конкретные термины, они используются только в общем и описательном смысле, а не в целях ограничения.

Изобретение относится к устройству с плазменным источником электронов. Применение устройства с плазменным источником электронов для формирования трехмерного изделия путем последовательного плавления частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, части которого соответствуют последовательным сечениям трехмерного изделия, причем устройство с плазменным источником электронов содержит: разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма, выходное отверстие, которое выполнено в разрядной камере с катодом и из которого электроны из плазмы извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом, по меньшей мере одно устройство удержания плазмы, и переключающее средство для переключения по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы. Технический результат - повышение качества формируемого трехмерного изделия. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Применение устройства с плазменным источником электронов для формирования трехмерного изделия путем последовательного плавления частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, части которого соответствуют последовательным сечениям трехмерного изделия, причем устройство с плазменным источником электронов содержит:

разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма,

выходное отверстие, которое выполнено в разрядной камере с катодом и из которого электроны из плазмы извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом,

по меньшей мере одно устройство удержания плазмы, и

переключающее средство для переключения по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы.

2. Применение устройства по п. 1, причем устройство удержания плазмы выбрано из группы, состоящей из: по меньшей мере одной электромагнитной катушки, по меньшей мере одного генератора электромагнитных волн, по меньшей мере одной пластины управления пучком и любой их комбинации.

3. Применение устройства по п. 2, причем указанное устройство удержания плазмы представляет собой по меньшей мере один генератор электромагнитных волн, выполненный с возможностью излучения радиочастотной энергии и/или СВЧ-энергии с тем, чтобы оказать воздействие на газ, расположенный внутри разрядной камеры с катодом, для создания плазмы.

4. Применение устройства по п. 1, причем указанное устройство удержания плазмы расположено снаружи разрядной камеры с катодом.

5. Применение устройства по п. 1, причем указанное устройство удержания плазмы расположено внутри разрядной камеры с катодом.

6. Применение устройства по п. 1, причем указанное по меньшей мере одно устройство удержания плазмы содержит по меньшей мере одну электромагнитную катушку и по меньшей мере одну пластину управления электронным пучком.

7. Применение устройства по п. 6, причем указанная по меньшей мере одна пластина управления электронным пучком выполнена внутри разрядной камеры с катодом и расположена таким образом, что по меньшей мере часть плазмы расположена между пластиной управления электронным пучком и выходным отверстием.

8. Применение устройства по п. 7, причем указанная по меньшей мере одна пластина управления электронным пучком выполнена криволинейной.

9. Применение устройства по п. 7, причем указанная по меньшей мере одна пластина управления электронным пучком представляет собой кольцевую конструкцию, имеющую отверстие, проходящее через ее центр, причем отверстие по существу направлено к выходному отверстию.

10. Применение устройства по п. 1, причем устройство удержания плазмы представляет собой по меньшей мере одну пластину (125) управления электронным пучком, выполненную внутри разрядной камеры (100) с катодом и расположенную таким образом, что по меньшей мере часть плазмы расположена между пластиной (125) управления электронным пучком и выходным отверстием (120).

11. Применение устройства по п. 1, причем указанное устройство удержания плазмы представляет собой по меньшей мере одну электромагнитную катушку, а переключающее средство для регулирования усилия удержания между первым и вторым значениями представляет собой ток, проходящий через указанную по меньшей мере одну электромагнитную катушку.

12. Применение устройства по п. 1, причем указанное устройство удержания плазмы представляет собой по меньшей мере один генератор электромагнитных волн, а переключающее средство для регулирования усилия удержания между первым и вторым значениями представляет собой длину волны, сгенерированную источником электромагнитных волн, и/или амплитуду электромагнитной волны, сгенерированной этим источником.

13. Применение устройства по п. 12, причем источник электромагнитных волн расположен снаружи разрядной камеры с катодом.

14. Применение устройства по п. 12, причем переключающее средство выполнено с возможностью переключения частоты и/или амплитуды генератора электромагнитных волн.

15. Применение устройства по п. 1, причем указанное устройство удержания плазмы представляет собой по меньшей мере одну пластину управления электронным пучком, а переключающее средство для управления усилием удержания между первым и вторым значениями представляет собой напряжение, приложенное к указанной пластине.

16. Применение устройства по п. 1, причем указанное устройство с плазменным источником электронов дополнительно содержит управляющий блок для изменения рабочего цикла указанных по меньшей мере одних средств для удержания плазмы с обеспечением изменения среднего электронного тока от плазменного источника электронов.

17. Применение устройства по п. 1, причем разрядная камера с катодом снабжена впускным отверстием, выполненным с возможностью соединения с источником газа для введения газа в разрядную камеру с катодом.

18. Применение устройства по п. 1, причем частота переключения между первым и вторым значениями тока выше, чем по меньшей мере одна из 100 Гц, 1 кГц и 100 кГц.