[发明专利]用于实体自由成形制造的多腔室沉积设备

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种用于通过实体自由成形制造(solid freeform fabrication)来制造物体、尤其是钛和钛合金物体的方法和装置。

背景技术

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(Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net ShapeManufacturing)”，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。