УСТРОЙСТВО И МЕТОД АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE AND METHOD FOR ADDITIVE PRODUCTION OF THREE-DIMENSIONAL OBJECTS

Эта заявка испрашивает приоритет на основании патентной заявки Словении за номером Р-2017-00168, поданной 13 июня 2017 г.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области аддитивного производства трехмерных объектов (3D-печать) с использованием порошковых материалов. В частности, настоящее изобретение относится к области 3D-печати, в которой порошковые материалы расплавляются с использованием кинетической энергии частиц, обладающих массой.
Предпосылки к созданию изобретения
В книге 3D-Tisk авторов Тадеи Мака (Tadeja Muck) и Игоря Крижановского (Igor Križanovskij) (Založba Pasadena, ноябрь 2015 г., ISBN: 9789616661690) технологии 3D-печати подробно описаны и разделены на четыре группы: (i) технологии, при которых объекты изготавливаются путем выдавливания материала (ASTM - выдавливание материала (material extrusion)); (ii) технологии, при которых объекты изготавливаются путем селективного отверждения жидких фотополимеров с помощью источника света (ASTM: фотополимеризация в ванне (vat photopolymerization), разбрызгивание материала (material jetting)); (iii) технологии, где используются порошковые материалы, которые связываются воедино либо со связующим материалом, либо путем плавления порошкового материала с использованием различных источников тепловой энергии (ASTM - разбрызгивание связующего материала (binder jetting), расплавление материала в заранее сформированном слое порошкового материала (powder bed fusion), прямой подвод энергии непосредственно в место построения изделия (direct energy deposition)); (iv) технологии, при которых объекты изготавливаются путем послойного формирования и связывания или ламинирования основного материала, представленного в форме листов (ASTM - соединение листовых материалов (sheet lamination)).
Во всех описанных выше технологиях аддитивное производство объекта осуществляется путем изготовления отдельных, двухмерных (2D) слоев в определенной последовательности путем постепенного укладывания одного слоя поверх другого в одном определенном направлении, которым обычно является высота (координата z). Таким образом, отдельные двухмерные плоские слои, имеющие определенную минимальную толщину, укладываются друг на друга и либо расплавляются, либо освещаются, либо соединяются в определенной последовательности в одном направлении по высоте z.
В технологиях 3D-печати, при которых объекты изготавливаются выдавливанием материалов из головок экструдеров, отдельный слой объекта изготавливается точка-за-точкой, и каждая точка имеет свою координату. Последовательность печати координат таких отдельных точек выполняется с учетом количества головок экструдера для данного слоя. Соответственно, этот метод 3D-печати является чрезвычайно трудоемким, но позволяет изготавливать широкий спектр материалов за счет плавления материала в печатных головках перед выходом материала из печатной головки в заданную точку печати.
Технологии трехмерной печати, при которой объекты изготавливаются путем отверждения жидких полимеров с использованием света, также основаны на последовательном изготовлении двухмерных слоев светочувствительных полимеров. В этих технологиях каждый последующий слой добавляется к предыдущему, уже затвердевшему слою, а поверхность следующего, добавленного, слоя жидкого фотополимера затем подсвечивается и отверждается таким же образом. Этот метод 3D-печати крайне ограничен выбором материала, так как печатаемый объект должен быть изготовлен с использованием светочувствительных полимеров.
Технологии трехмерной печати, при которой объекты изготавливаются путем послойного формирования или соединения порошкового материала, также основаны на изготовлении последовательных двухмерных слоев. Производство объектов осуществляется путем постепенного послойного укладывания друг на друга отдельных, плоских, двухмерных слоев в направлении высоты z.
Техническая задача
Существующие технологии трехмерной печати, использующие аддитивную укладку тонких двухмерных слоев материала, имеют ограничения в отношении разрешения печати или внешнего вида объекта, соответственно. Если необходимо очень точно изготовить объект с высоким разрешением печати на его внешней поверхности, то потребуется укладка достаточно тонких слоев материала. Поэтому желаемое разрешение печати объекта в направлении печати или толщина отдельного слоя по высоте z, соответственно, определяют толщину добавляемого слоя материала. Таким образом, известные технологии аддитивного изготовления трехмерных объектов не позволяют наносить более толстые слои, даже если для этого будет достаточно связующего материала или энергии плавления или отверждения; а если необходимо произвести объект с гладкой внешней поверхностью, придется изготовить как можно более тонкие слои.
Основной проблемой, которую решает изобретение, описанное в настоящем документе, является проблема аддитивного изготовления трехмерных объектов путем последовательной укладки двухмерных слоев материала, когда указанные слои укладываются в одном основном направлении печати (в третьем измерении, обычно по высоте z), и когда толщина укладываемых слоев также определяет, каким будет внешний край объекта или его поверхность, соответственно, и таким образом толщина указанных слоев влияет на внешний вид изготавливаемого объекта.
Предпосылки к созданию изобретения
Техническая задача аддитивного изготовления объектов из порошковых материалов с использованием локализованного плавления описана в большом количестве литературных источников. Здесь и далее основное внимание будет уделено методике плавления порошкового материала с использованием энергии электронного пучка, которая описана в некоторых патентах и патентных заявках. В патентной заявке ЕР 2 918 396 А1 описаны устройство и способ аддитивного изготовления трехмерных объектов, которые основаны на локализованном плавлении порошкового материала с использованием кинетической энергии электронного пучка. Устройство включает в себя генератор пучка, линзу, контроллер генератора пучка и опорную конструкцию, на которой плотно распределяется порошковый материал. Генератор пучка направляет пучок на отдельный тонкий слой порошкового материала, а линзы служат для наведения фокуса пучка на поверхность этого слоя порошкового материала и направления электронного пучка в различные точки тонкого слоя порошкового материала, размещенного на опорном элементе. Контроллер управляет генератором пучка таким образом, что может быть избирательно получен пульсирующий или непрерывный электронный пучок. Непрерывный электронный пучок расплавляет материал локально вследствие столкновения электронов с порошковым материалом. Двухмерный слой формируется путем перемещения пучка над слоем изготавливаемого объекта, а процесс добавления материала и изготовления следующего слоя повторяется в ходе печати в направлении высоты z. Таким образом, объект изготавливается последовательно путем постепенного укладывания двухмерных слоев друг на друга по высоте z; а внутри отдельного слоя - путем последовательного плавления более мелких двумерных областей этого слоя.
Способ аддитивного изготовления, описанный в патенте за номером ЕР2937163 В1, основан на использовании двух отдельных электронных пушек. Первая электронная пушка используется для плавления заданной области порошкового материала, а вторая электронная пушка используется для устранения статического электричества порошкового материала. Установка состоит из двух электронных пушек, вакуумной камеры, опорной конструкции, поверх которой постепенно укладываются тонкие слои порошкового материала, и блока управления электронными пушками. В упомянутом патенте порошковый материал плотно распределяется по опорной конструкции в виде тонкого двухмерного слоя. Первая электронная пушка настроена для расплавления материала и располагается перпендикулярно порошковому слою. Первая электронная пушка производит электронный пучок, который избирательно расплавляет порошковый материал. Вторая электронная пушка производит второй электронный пучок, который используется для устранения статического электричества. Она подает меньше энергии и наклонена относительно поверхности образца под углом наклона, составляющим 45 градусов или меньше. Вторая электронная пушка применяется для устранения вторичных электронов, которые накапливаются в материале в результате плавления, осуществляемого с помощью первого электронного пучка. В упомянутом патенте описывается трехмерный объект, изготовляемый путем постепенной укладки и плавления тонких двухмерных слоев порошкового материала друг над другом, послойно. Для расплавления порошкового материала используется только первая электронная пушка.
Патентная заявка WO2015/120168 А1 описывает энергетическую пушку системы аддитивного производства, включающую в себя множество энергетических пучков, которые в свою очередь состоят либо из фотонов, либо из электронов, либо из любых других частиц, способных плавить порошковый материал. Линзы используются для фокусировки двух энергетических пучков на слое порошкового материала. Горячие точки энергетических пучков устанавливаются на расстоянии, а энергетические пучки выстраиваются и располагаются таким образом, чтобы двигаться в унисон с контролируемой скоростью и следовать по субстрату в желаемом направлении, один за другим. Первый пучок энергии производит в субстрате зону расплава, а второй пучок энергии используется для последующего нагрева зоны расплава до температуры, которая ниже порога плавления. Это позволяет использовать второй пучок энергии для управления скоростью застывания зоны расплава. В случае, когда направление движения электронной пушки меняется на противоположное, второй пучок энергии используется для создания зоны расплава, а первый пучок энергии используется для последующего нагревания, чтобы контролировать скорость застывания зоны расплава. Данная система аддитивного производства позволяет изготавливать трехмерный объект послойно. Порошковый материал наносится на рабочий стол с помощью распределителя частиц.
Патентная заявка US 2016/0031156 А1 описывает устройство, состоящее из множества печатающих головок, расположенных в разных положениях в пространстве для экструзии материала в пространство. Устройство использует магнитную левитацию или звуковую левитацию для работы над особенностями детали, которая изготавливается в пространстве. Магнитная левитация осуществляется таким образом, что объект (деталь) охлаждается ниже температуры фазового перехода печатаемого вещества в сверхпроводящее состояние, в котором вещество ведет себя как идеальный диамагнит, а магнитная сила, действующая на вещество в магнитном поле, высока. Звуковая левитация деталей объекта осуществляется с помощью нескольких источников звука и соответствующих акустических отражателей, создающих в пространстве стоячую волну или трехмерный профиль стоячей волны. В устройстве использовано множество печатающих головок, размещенных в пространстве. Материал наносится на конечную печатную точку с использованием стандартных печатающих головок, положения которых определяют нанесение материала. Объект изготавливается путем комбинирования множества печатающих головок и изменения пространственной ориентации указанных печатающих головок относительно печатаемого объекта, или вращения указанного объекта и манипулирования им с использованием магнитной или акустической левитации. Печать объекта основана на добавлении материала, выдавливаемого из печатающих головок, в то время как объект левитирует при помощи магнитной или акустической силы. Согласно упомянутой патентной заявке, устройство является единственным приспособлением, которое позволяет изготавливать объект с нескольких направлений печати одновременно, но имеет ограничения при нанесении материала через печатающие головки. Это устройство позволяет изготавливать объекты точка-за-точкой.
Изобретение, рассматриваемое в настоящем документе, отличается от патентной заявки US 2016/0031156 А1 тем, что оно включает в себя либо два или более электронных пучков, либо пучки других обладающих массой частиц, которые применяются для плавления порошкового материала в заранее определенном, криволинейном объеме плавления; в то время как устройство, описанное в патентной заявке US 2016/0031156 А1, содержит множество печатающих головок. Изобретение, описанное в патентной заявке US 2016/0031156 А1, использует магнитную и акустическую левитацию для поддержки печатного объекта или составляющих его частей; в то время как изобретение, рассматриваемое в настоящем документе, описывает устройство и метод, в котором уже напечатанная деталь объекта поддерживается механически, а магнитная левитация используется для транспортировки и нанесения порошкового материала в заданный объем плавления.
Решение технической задачи
Описанные устройства и методы, делающие возможным аддитивное изготовление объектов с использованием пучков частиц, производят объект точка-за-точкой, область-за-областью и слой-за-слоем.
Обзор действующих патентов, патентных заявок или других документов на предмет плавления материала с использованием источников частиц показывает, что ни в одном из вышеперечисленных технических решений не используется сумма двух или более кластеров частиц, обладающих массой, которая бы выделялась из двух или более источников частиц и возникала бы в заранее заданное время и в заранее заданном трехмерном пространстве (далее объем) для плавления материала в заранее определенном криволинейном трехмерном объеме (далее объем плавления) - на что претендует изобретение, описанное в настоящем документе. Все перечисленные выше технологии (с использованием пучков частиц) позволяют изготавливать трехмерные объекты путем укладки и плавления одного тонкого, практически плоского, двумерного слоя поверх другого; а в пределах отдельного слоя осуществляется либо плавление точка-за-точкой, либо плавление последовательных участков поверхности отдельного слоя.
Изобретение, описанное в настоящем документе, отличается от всех вышеперечисленных технологий тем, что порошковый материал расплавляется с использованием суммы энергий двух или более кластеров частиц, которые по отдельности испускаются из множества источников обладающих массой частиц в заранее заданный, криволинейный, трехмерный объем плавления. Это означает, что материал будет плавиться только в тех объемных частях трехмерного пространства, где либо два или более кластера частиц накладываются друг на друга в пространстве и времени, либо пересекаются пучки, состоящие из указанных кластеров частиц, соответственно.
В объемах плавления энергия, выделяемая двумя или более источниками частиц, суммируется и превышает энергию, необходимую для плавления порошкового материала. Описаны некоторые иллюстративные варианты осуществления изобретения с использованием электронов (электронных пушек), но описываемое изобретение не ограничено использованием электронов, поскольку могут быть использованы любые частицы с массой, которые способны нагревать материал путем передачи кинетической энергии частиц порошковому материалу во время столкновения. Каждый источник частиц испускает пучок, состоящий из серии кластеров, включающих в себя множество кластеров частиц. Два или более источника частиц расположены в пространстве таким образом, что пучки, излучаемые указанными источниками частиц, пространственно пересекаются в одном или нескольких объемах. Пересечения пучков частиц образуют один или несколько криволинейных объемов пересечений в заданный момент времени. При помощи магнитной левитации, электрической силы или электростатического притяжения, соответственно, порошковый материал переносится в объемы пересечений кластеров частиц в пространстве. Порошковый материал плавится только в тех частях трехмерного пространства, которые отмечены как объем плавления, находящийся внутри объема пересечения и в котором кластеры частиц накладываются друг на друга в пространстве и времени таким образом, чтобы плотность и, следовательно, доступная кинетическая энергия превышала порог энергии, необходимый для плавления порошкового материала. Если заранее определить временные задержки между прибытием кластеров частиц, испускаемых как минимум двумя источниками частиц, которые находятся в разных положениях в пространстве, и, при необходимости, контролировать другие параметры источников частиц, можно изменять форму и расположение объема плавления и, таким образом, изменять форму и количество расплавляемого порошкового материала.
Описанные устройства и методы, делающие возможным аддитивное изготовление объектов с использованием пучков частиц, производят объект по принципу точечного, зонального и послойного изготовления. Описанное в настоящем документе изобретение делает возможным аддитивное изготовление трехмерных объектов произвольным способом, объем-за-объемом, с использованием двух и более источников частиц, излучающих отдельные кластеры частиц с массой, которые перекрываются в пространстве и времени контролируемым, заранее заданным способом. Согласно описанному здесь изобретению, изготовление трехмерных объектов не ограничивается постепенной укладкой тонких, двухмерных слоев или, соответственно, толщиной таких слоев, которая также определяет внешний вид объекта. Описанное здесь изобретение также не ограничивается количеством печатных объемов, которые могут быть напечатаны одновременно, так как два или более пучков частиц могут создать множество объемов пересечения и, следовательно, могут расплавить материал в многочисленных объемах плавления, расположенных в разных местах пространства одновременно. Изобретение, описанное в настоящем документе, позволяет осуществлять пространственно независимую печать, т.е. внутри объекта могут быть выполнены более крупные печатные объемы, и, таким образом, процесс печати становится быстрее, в то время как на поверхности могут быть произведены меньшие печатные объемы. Так достигается желаемое более высокое разрешение печати на поверхности объекта и, следовательно, лучший внешний вид объекта, тогда как печать деталей внутри объекта может быть выполнена быстрее за счет увеличения печатного объема, что достигается благодаря увеличению объема плавления. Согласно настоящему изобретению, устройство и метод также отличаются от всех других описанных выше устройств и методов тем, что для нанесения материала используется магнитная сила или электростатическое притяжение, действующие на порошковый материал. Это позволяет транспортировать или наносить порошковый материал в заранее определенные объемные части трехмерного пространства, где происходит изготовление печатных объемов объекта, поэтому предусмотренные настоящим изобретением метод и устройство не ограничиваются постепенной укладкой плоских двумерных слоев в третьем направлении z.
Здесь и далее фраза "обладающие массой частицы" будет сокращена до слова "частицы". Поскольку описанное здесь изобретение отличается от других известных изобретений, и поэтому используемые в нем термины являются новыми, ниже приводятся определения терминов, используемых в данном тексте. Терминология, используемая для описания настоящего изобретения, поясняется исключительно для четкого определения следующих терминов:
объем: понимается как определенное трехмерное пространство с пределами или внешней поверхностью, соответственно;
криволинейный объем: представляет собой трехмерный объем, в котором внешняя поверхность изогнута, а ее размер не ограничен (это означает, что криволинейный объем ограничен сам по себе, но при изготовлении может иметь различные размеры). Соответственно, криволинейный объем не является двухмерным слоем с определенной высотой, а также не является маленькой точкой с постоянно фиксированным размером. Соответственно, криволинейный объем - это термин, используемый для обозначения произвольного большого количества точек, описывающих внутренние части замкнутой криволинейной поверхности произвольного размера в трехмерном пространстве;
печатный объем: это криволинейный объем, в котором выполняются или должны выполняться все этапы процесса печати, от выпуска порошкового материала 102 через заслонку 103 в контейнере 101 до электрической разрядки уже распечатанной части (1000) объекта и, при необходимости, перемещения упомянутой части (1000) объекта с помощью многонаправленного механизма системы поддержки 110 или механизма 114. Термин "печатный объем" используется для обозначения а) виртуального печатного объема, созданного в симуляторе 8 или б) реального печатного объема внутри изготавливаемого реального объекта, например, объекта 3 (РИС. 14);
объем плавления: представляет собой криволинейный объем, в котором плотность импульса частиц, испускаемых по крайней мере двумя источниками частиц 11, 12, превышает порог плавления порошкового материала 102, который применяется для изготовления объекта, например, объекта 3, с использованием устройства 1 и метода, описываемых изобретением;
1
2
объем пересечения: представляет собой криволинейный объем, в котором пересекаются не менее двух пучков E, Е частиц, испускаемых не менее чем двумя источниками частиц 11, 12, и в котором образуется объем 280 плавления;
Термин "или" используется в настоящем документе как в альтернативном, так и в конъюнктивном смысле, если не указано иное.
Такие термины, как "а", "а" и "the", не предназначены для обозначения только одного единственного объекта, а включают общий класс, конкретный пример которого может быть использован для иллюстрации. Указанная здесь терминология используется для описания конкретных воплощений изобретения, но ее использование не определяет границы изобретения за исключением случаев, когда это указано в заявке.
Краткое описание чертежей
Таким образом, поскольку изобретение описано выше в общих чертах, далее будут упомянуты сопроводительные чертежи, которые необязательно составлены в масштабе, и в которых
РИС. 1 показывает пример воплощения основного принципа работы метода и устройства, оборудованного двумя источниками частиц, испускающими кластеры частиц, которые одновременно поступают в область, окружающую точку пересечения геометрических осей упомянутых источников частиц, и таким образом создают определенный объем пересечения;
РИС. 2 показывает влияние временной задержки между кластерами частиц, излучаемых из первого и второго источника частиц, на местоположение, форму и сумму плотности частиц в объеме пересечения;
РИС. 3 показывает влияние расширения отдельных кластеров частиц на размер объема пересечения за счет увеличения длительности импульсов и увеличения расхождения;
РИС. 4 показывает влияние изменения расхождения источников частиц и изменения угла между геометрическими осями источников частиц на объем пересечения, собранный из множества меньших объемов пересечения в данном примере;
РИС. 5 дает иллюстративный пример воплощения принципа, лежащего в основе метода и работы устройства, оборудованного двумя источниками частиц, испускающими кластеры частиц, которые движутся одна по направлению к другой, а угол между геометрическими осями указанных источников частиц составляет 180 градусов;
РИС. 6 дает иллюстративный пример воплощения принципа, лежащего в основе метода и работы устройства, оборудованного шестью источниками частиц, расположенными попарно таким образом, чтобы частицы, излучаемые внутри отдельной пары источников частиц, двигались навстречу друг другу, а угол между геометрическими осями источников частиц в отдельной паре составлял 180 градусов. Отдельные пары расположены таким образом, чтобы все геометрические оси упомянутых источников пересекались в одной точке;
РИС. 7 дает иллюстративный пример воплощения устройства, оборудованного двумя источниками частиц, системой магнитной левитации порошкового материала, системой электростатического притяжения порошкового материала и системой опоры для изготавливаемого объекта;
РИС. 8 дает иллюстративный пример воплощения устройства, которое оборудовано двумя источниками частиц и системой магнитной левитации порошкового материала, в котором источники частиц расположены таким образом, чтобы оси пучков лежали в плоскости, перпендикулярной геометрическим осям обмоток;
РИС. 9 дает иллюстративный пример воплощения устройства для аддитивного изготовления трехмерных объектов, оборудованного тремя независимыми пульсирующими источниками частиц, системой магнитной левитации порошкового материала и тремя независимыми линейными механизмами для источников частиц;
РИС. 10 дает иллюстративный пример воплощения устройства для аддитивного изготовления объектов, оборудованного тремя независимыми пульсирующими источниками частиц, системой магнитной левитации порошкового материала и круговым механизмом для одного из источников частиц;
РИС. 11 дает иллюстративный пример воплощения устройства для аддитивного изготовления объектов, оборудованного четырьмя независимыми пульсирующими источниками частиц, системой магнитной левитации порошкового материала и системой дозирования порошкового материала; при этом изображенный пример воплощения устройства отображает геометрию тетраэдра;
РИС. 12 показывает иллюстративный пример воплощения устройства для аддитивного изготовления объектов, оборудованного шестью независимыми пульсирующими источниками частиц, системой магнитной левитации порошкового материала и системой дозирования порошкового материала; при этом изображенный пример воплощения устройства отображает кубическую геометрию;
РИС. 13 содержит схематическое изображение блок-схемы метода аддитивного производства в соответствии с настоящим изобретением;
РИС. 14 содержит схематическое изображение поперечного сечения изготавливаемого объекта-образца и пространственное деление такого объекта на последовательность отдельных печатных объемов, которые в данном примере представлены сферами и оболочками. Такой пример пространственного деления может быть реализован с использованием иллюстративного варианта воплощения устройства, оборудованного шестью источниками частиц. На изображенном примере объем плавления имеет форму, похожую на сферу или оболочку. Также изображены последующие печатные объемы;
РИС. 15 показывает пример пространственного деления объекта-образца на последовательность печатных объемов и схематически изображает основные возможные направления одновременной печати;
РИС. 16 показывает принцип добавления порошкового материала на уже напечатанную деталь объекта с использованием двух пучков частиц и системы электростатического притяжения порошкового материала на поверхность уже напечатанной части объекта.
Подробное описание изобретения
Теперь различные варианты осуществления настоящего изобретения будут более подробно описаны ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых показаны некоторые, но не все варианты осуществления изобретения. Действительно, изобретение может быть воплощено во многих различных формах, и не следует считать, что они ограничены изложенными здесь вариантами осуществления изобретения. Скорее, эти варианты осуществления изобретения предоставлены таким образом, чтобы настоящее описание удовлетворяло применимым юридическим требованиям.
1
2
1
1
2
2
1
РИС. 1 изображает принцип, лежащий в основе метода и работы устройства согласно настоящему изобретению, в варианте осуществления изобретения, в котором электроны являются теми частицами, которые используются для плавки материала с целью изготовления трехмерного объекта. На рис. 1 показана часть устройства согласно настоящему изобретению, оборудованная первым источником 11 частиц и вторым источником 12 частиц, оба из которых излучают электроны, поэтому в данном примере упомянутые источники 11, 12 частиц являются электронно-лучевыми пушками. Источник 11 частиц испускает пучок E частиц в направлении геометрической оси 13 данного источника частиц 11. Источник 12 частиц Источник 12 частиц испускает пучок частиц Е в направлении геометрической оси 14 данного источника частиц 12. Источник 11 частиц оснащен системой магнитных линз 18, используемых для формирования радиуса r, расхождения α и отклонения пучка E относительно направления геометрической оси 13. Источник 12 частиц Источник 12 частиц оснащен системой магнитных линз 19, используемых для формирования радиуса r, расхождения β и отклонения пучка Е относительно направления геометрической оси 14. Геометрическая ось 13 источника частиц 11 и геометрическая ось 14 источника частиц 12 расположены в пространстве под углом Ω относительно друг друга и пересекаются в точке пересечения 15. Источником 11 частиц управляет блок управления БУ 1, на который устройство посылает управляющий сигнал У ИР 1, а источником 12 частиц управляет блок управления БУ 2, на который устройство посылает управляющий сигнал УПР 2.
1
1
1
1
1
2
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Управляющие сигналы УПР 1, УПР 2, контролирующие источники 11, 12 частиц, синхронизированы во времени, и в данном примере воплощения нет временной задержки между кластерами, излучаемыми первым источником 11 частиц, и кластерами, излучаемыми вторым источником 12 частиц. Источник 11 частиц испускает серию кластеров 16, которая образуется в результате пульсации источника частиц 11 во времени. Источник 12 частиц испускает серию кластеров 17, которая создается в результате пульсации источника частиц 12 во времени. Интенсивность серии кластеров 16 или количество частиц, проходящих через воображаемую поверхность S за единицу времени (т.е. поток), соответственно, либо постоянна во времени, либо изменяется во времени. На РИС. 1 показан пример воплощения, в котором поток частиц изменяется во времени от нуля j=0 до определенного произвольного значения j, определяемого плотностью частиц g и их скоростью перемещения v. Изменение потока частиц может быть как периодическим во времени, так и иметь любую другую предопределенную зависимость от времени. Таким образом, излучение импульсов или (лучше сказать) серии кластеров 16, 17, соответственно, осуществляется из источников 11, 12 частиц; при этом упомянутые серии кластеров 16, 17 состоят из множества отдельных кластеров частиц, следующих друг за другом в заранее определенные промежутки времени. Отдельные кластеры частиц в серии кластеров 16 имеют скорости перемещения v, длины L, и следуют друг за другом на расстояниях D, которые являются длинами объемных частей без частиц. Отдельные кластеры частиц в серии кластеров 17 имеют скорости перемещения v, длины L, и следуют друг за другом на расстояниях D, которые являются длинами объемных частей без частиц. Длина L отдельного кластера частиц в серии кластеров 16 определяется длительностью испускания частиц источником частиц и скоростью движения частицы v. Длина L отдельного кластера в серии кластеров 17 определяется длительностью испускания частиц источником 12 частиц источником 12 частиц и скоростью движения частицы v. Все сборочные детали и параметры для работы с источниками частиц 11, 12 включают в себя, но не ограничиваются следующими: пульсация, создающая длины L, L и расстояния D, D; определение скоростей перемещения частиц v, v путем манипулирования ускоряющими напряжениями частиц U, U в источниках частиц 11, 12; определение потока частиц j, j; управление расхождениями α, β и отклонениями пучков E, Е с помощью систем магнитных линз 18, 19.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Кроме того, на РИС. 1 показано мгновенное изображение двух источников 11, 12 частиц, излучающих серии кластеров 16, 17 в направлении геометрических осей 13, 14 указанных источников 11, 12, в которых упомянутые серии кластеров 16, 17 таким образом взаимно расположены в пространстве и времени, что два заранее заданных кластера частиц, излучаемых разными источниками частиц 11, 12, прибывают и перекрываются в одно то же время в объемной части вокруг точки пересечения 15 указанных геометрических осей 13, 14. Очевидно, что перемещающиеся кластеры из серий кластеров 16 и 17 позволяют создать сумму плотностей частиц g в объеме 28 пересечения пучков E, Е в конкретно заданном интервале времени, в течение которого накладываются плотности g, g кластеров частиц, собирающих пучки E, Е. РИС. 1 дает иллюстративный пример воплощения принципа, лежащего в основе метода и работы устройства в момент, когда сумма g плотностей частиц g, g в объеме 28 пересечения имеет максимальное значение. Прибавление плотности частиц в объеме 28 пересечения будет продолжаться во времени и будет повторяться за счет наложения двух следующих последовательно групп частиц с длинами L, L и расстояниями D, D между ними. Так создается пространственно локализованная сумма потока частиц j=j+j, пульсирующего во времени. Отдельные кластеры в серии кластеров 16 имеют вектор скорости , а отдельные кластеры в серии кластеров 17 имеют вектор скорости ; следовательно, объем 28 пересечения имеет вектор скорости , который равен геометрической сумме векторов скорости  и . В случае, когда указанные векторы скорости  и  равны по скорости, а отдельные кластеры из обеих серий кластеров 16, 17 имеют один и тот же поток частиц (j=j), направление, в котором создается объем 28 пересечения, находится в направлении линии симметрии между пучком E и пучком Е.
1
2
1
2
1
2
Здесь и далее при описании РИС. 1 следует пояснить, что в процессе печати 100 (РИС. 13) на устройстве 1 добавляется порошковый материал 102 (FIG. 7), который должен быть расплавлен, а источники 11, 12 частиц начинают излучать частицы, вызывающие пространственно локализованное суммирование g (РИС. 1, указанная область) плотности частиц g, g в объеме 28 пересечения. Благодаря суммированию g плотностей (g+g) обоих пучков E, Е, испускаемых источниками 11, 12 частиц, плотность кинетической энергии в части объема 28 пересечения достаточно высока, чтобы преодолеть энергетический порог, необходимый для плавления порошкового материала, находящегося в объеме 280 плавления, в течение интервала времени, на протяжении которого перекрываются кластеры электронов. При столкновении частиц, испускаемых источниками 11, 12, с порошковым материалом 102, частицы превращают свою кинетическую энергию в тепло и поэтому заставляют порошковый материал плавиться в той части объема 28 пересечения, который отмечен как объем 280 плавления.
ƒ
1
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
ƒ
ƒ
ƒ
1
2
Пример воплощения основного принципа работы устройства и метода, изображенный на РИС. 2, показывает влияние временной задержки t между серией кластеров 16, испускаемой источником 11 частиц, и серией кластеров 17, испускаемой источником 12 частиц. РИС. 2 показывает два расположенных в пространстве источника 11, 12 частиц, оба из которых оснащены собственной системой магнитных линз, 19, и оба из которых испускают пульсирующие пучки E, Е частиц  надлежащих форм в направлении геометрических осей 13, 14 указанных источников 11, 12 частиц. Геометрические оси 13, 14 источников 11, 12 частиц пересекаются в точке пересечения 15. Источник 11 частиц пульсирует во времени и производит пучок E, частиц, состоящий из серии кластеров 16, состоящих в свою очередь из отдельных кластеров 160, 161, 162, 163, 164 с расстояниями D между ними. Источник 12 частиц пульсирует во времени и производит пучок частиц Е, состоящий из серии кластеров 17, состоящих в свою очередь из отдельных кластеров 170, 171, 172, 173, 174 с расстояниями D между ними. В данном примере длина L равна длине L, а скорость движения частиц v равна v. Серии кластеров 16, излучаемые источником 11 частиц, имеют такую временную задержку по отношению к сериям кластеров 17, излучаемым источником 12 частиц, что отдельные кластеры 160, 161, 162, 163, 164 прибывают в точку пересечения 15 с временной задержкой t (фазовый сдвиг) по отношению к прибытию кластеров 170, 171, 172, 173, 174, излучаемых источником 12 частиц. Вследствие этого временная задержка t вызывает пространственное смещение ΔD. Задержка серии кластеров 16 по сравнению с серией кластеров 17 с временной задержкой t существенно влияет на сумму g плотностей частиц в объеме 28 пересечения пучков Е, Е частиц. На РИС. 2 показано мгновенное изображение серии кластеров 16, 17, перекрывающихся в определенный момент, и отмечен текущий объем пересечения.
ƒ
1
2
Пространственное смещение серий кластеров 17 относительно серий кластеров 16 достигается с использованием временной задержки t и приводит к разности траекторий перемещения, которая влияет на положение и форму объема 28 пересечения пучков E, Е и вызывает пространственное смещение указанного объема 28 пересечения в направлении, направленном наружу от точки пересечения 15.
ƒ
1
2
Кроме того, утверждается, что при использовании временных задержек t между отдельными кластерами, такими как 160, 170 в серии 16, 17, и при использовании контролируемого расхождения α, β пучков E, Е можно манипулировать направлением, в котором перемещается объем 28 пересечения. Как показано на FIG. 1, скорость движения и направление максимума локальной плотности частиц g в объеме 28 пересечения равны геометрической сумме векторов скоростей движения  отдельных кластеров 160, 170 в сериях 16, 17.
1
2
1
2
Положением и формой объема 28 пересечения можно дополнительно управлять при помощи систем магнитных линз 18, 19 источников 11, 12 частиц 11, 12. Поэтому системы магнитных линз 18, 19 применяются для контроля расхождения α, β и отклонений пучков Е, Е. Несмотря на то, что, в соответствии с описанием изобретения, отклонение представляет собой составную часть устройства и метода работы, отклонение пучков E, Е не изображено отдельно ни на одном из РИС. из-за сложности данного применения.
3
1
1
3
1
1
4
2
1
4
2
2
3
1
4
1
1
1
3
1
4
2
На РИС. 3 показан пример воплощения основного принципа работы устройства и метода, при котором отдельные группы частиц, которые собираются в серии 16, 17, излучаемые источниками частиц 11, 12, длиннее и шире чем те, которые показаны на РИС. 1 и РИС. 2. Соответственно, в данном иллюстративном примере воплощения считается, что: длина L отдельных кластеров в серии 16 больше, чем длина L, изображенная на РИС. 1, расхождение α шире, чем расхождение α, изображенное на РИС. 1, диаметр r (РИС. 3) пучка E шире, чем радиус r, изображенный на РИС. 1, длина L (РИС. 4) кластеров в серии 17 больше, чем длина L, изображенная на РИС. 1, расхождение β шире, чем расхождение β, изображенное на РИС. 1, и диаметр r (РИС. 3) пучка Е шире, чем радиус r, изображенный на РИС. 1 (L>L, L>L, α>α, β>β, r>r и r>r).
1
2
1
1
ƒ
Части управляющих сигналов УПР 1 и УПР 2, которые контролируют ускоряющее напряжение U,U (РИС. 3) и приводят к эмиссии отдельных кластеров с определенной длиной L в серии кластеров 16,17, испускаемых из источников частиц 11,12, являются пульсирующими. На РИС. 3 указанные пульсирующие части управляющих сигналов УПР 1, УПР 2 реализованы с использованием более длинных импульсов, чем в примере воплощения, показанном на РИС. 1. Расхождения α, β контролируются другими выделенными частями управляющих сигналов УПР 1, УПР 2 для определения расхождения α, β; они больше в примере, изображенном на РИС. 3, чем расхождения α, β, изображенные на РИС. 1. Таким образом, объем 28 пересечения кластеров частиц пространственно увеличен, но он остается в центре (т.е. его центральная точка совпадает с точкой пересечения 15), так как в данном примере воплощения отсутствует временная задержка t между сериями кластеров 16 и 17.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Длина объема 28 пересечения в направлении геометрических осей 13, 14 может быть увеличена путем увеличения длительности отдельных импульсов (понижения частоты пульсаций) в выделенных частях управляющих сигналов УПР 1, УПР 2, которые контролируют ускоряющее напряжение U, U, и с помощью которых достигается излучение серий 16, 17, состоящих из кластеров длин L, L. С помощью постепенного увеличения расхождений α, β можно достичь более широкого объема 280 плавления в направлении, перпендикулярном геометрическим осям 13, 14. Объем 280 плавления представляет собой трехмерную часть объема 28 пересечения, определяемую как объемная часть, в которой приложенная кинетическая энергия находится выше порога энергии, необходимого для плавления материала, и где по этой причине указанная энергия вызывает плавление порошкового материала 102 (РИС. 7). Объем 280 плавления и объем 28 пересечения отмечены отдельно, поскольку возможно, что не все объемные части объема 28 пересечения будут удовлетворять энергетическим условиям, необходимым для плавления порошкового материала 102 (РИС. 7), но для описания настоящего изобретения обычно используется термин объем 28 пересечения, чтобы описывать объем 280 плавления. На РИС. 3 показан объем 280 плавления, размер которого тот же, что и размер объема 28 пересечения. При увеличении длин L при том, что указанные длины L являются длинами отдельных кластеров из серий кластеров 16, 17, испускаемых из множества источников 11, 12 частиц 11, 12, одновременно увеличивается суммарная прилагаемая энергия в объеме 28 пересечения. Размер объема 280 плавления (указанной области 280) может быть точно задан контролируемым способом при помощи настройки длин L отдельных кластеров в сериях кластеров 16, 17 или путем настройки расхождений α, β пучков E, Е частиц. Расхождения α, β пучков E, Е частиц контролируются с помощью систем магнитных линз 18, 19, которые управляются выделенными частями управляющих сигналов УПР 1, УПР 2 через блоки управления БУ 1, Б У 2. Соответственно, управляющие сигналы УПР 1, УПР 2 собраны из указанных различных частей управляющих сигналов, каждый из которых содержит синхронизированные элементы управления, выраженные в виде временных функций, и используются для управления всеми составными частями источников 11, 12 частиц в желаемое время во время процесса печати; соответственно, указанные части управляющих сигналов УПР 1, УПР 2 содержат скорректированные по времени элементы управления для контроля расхождения α, β, отклонения, векторных скоростей частиц , , плотности частиц g, g и ускоряющих напряжений частиц U, U, используемых для создания кластеров частиц.
1
1
1
Здесь и далее объясняется, как угол Ω между геометрическими осями 13, 14 двух источников частиц 11, 12 влияет на форму, развитие формы и направление движения объема 28 пересечения во времени. Для большей ясности, на РИС. 4 показан иллюстративный пример воплощения принципа, лежащего в основе метода и работы установки, которая оснащена двумя пульсирующими источниками частиц 11, 12, размещенными на общей плоскости (плоскости РИС. ), где угол Ω между геометрической осью 13, 14 источника частиц 11, 12 в данном случае Ω<90 градусов.
ƒ
1
2
1
2
1
РИС. 4 показывает два источника частиц 11, 12 излучающих серии кластеров 16, 17, которые синхронизированы и не имеют между собой никакой временной задержки t. С помощью систем магнитных линз 18, 19 достигнуто расхождение обоих пучков E, Е на определенное значение таким образом, чтобы они расширялись в объемных частях, окружающих точку пересечения 15. Становится очевидным из РИС. 4, что объем 28 пересечения пучков E, Ечастиц делится на множество меньших объемов пересечения, которые в данном случае последовательно пронумерованы как 45, 46, 47, 48, 49 и 410. Поскольку серии кластеров 16 и 17 движутся с векторными скоростями  и , а угол Ω между их геометрическими осями 13, 14 присутствует как есть, то из РИС. 4 становится очевидно, что объем 28 пересечения и меньшие составляющие его объемы пересечения 45, 46, 47, 48, 49 и 410 будут перемещаться с векторной скоростью  в направлении линии симметрии между геометрическими осями 13, 14. В любой заданный момент времени может быть достигнуто множественное число меньших составляющих объемов пересечений 45, 46, 47, 48, 49, 410, которые движутся в направлении векторной суммы , являющейся суммой индивидуальных векторных скоростей , .
ƒ
1
2
1
2
1
2
1
2
В случае применения временной задержки t между как минимум двумя соответствующим образом пульсирующими пучками E, Е частиц, которые имеют одинаковую частоту пульсации (т.е. длина L равна длине L, а расстояние D равно расстоянию D), векторная скорость  меньших составляющих объемов пересечения 45, 46, 47, 48, 49, 410 может быть изменена в произвольном направлении наружу от линии симметрии между геометрическими осями 13 и 14. Кроме того, утверждается, что направлением вектора скорости  меньших составляющих объема пересечения 45, 46, 47, 48, 49, 410 можно управлять путем изменения потока частиц j и j, испускаемых источниками частиц 11, 12.
1
2
1
1
2
1
1
2
1
1
1
2
Отдельные меньшие составляющие объема пересечения 45, 46, 47, 48, 49, 410, как показано на РИС. 4, могут иметь форму удлиненных, сплюснутых, трехосных эллипсоидов. Максимальная длина А меньшего составляющего объема пересечения 48 определяется длинами L, L отдельных кластеров частиц 160, 170, которые в данном примере накладываются под углом Ω. Максимальная ширина В - это ширина меньшей составляющей объема пересечения 48, которая определяется поперечным перекрытием пучков E, Е, испускаемых двумя источниками частиц 11, 12 под углом Ω. Максимальная ширина В зависит от величины расхождения α, β, которая определяет максимальные радиусы r, r кластеров частиц 160, 170, перекрывающихся под углом Ω в определенный момент времени t, и таким образом создает в данном случае указанную, меньшую по размерам составляющую объема пересечения 48. Высота или третья ось такого эллипсоида 48, соответственно, почти не видна здесь: она направлена в глубину изображения, и также определяется углом Ω, расхождением α, β и длинами L, L.
1
2
1
1
2
1
2
1
2
Форма таких отдельных меньших по размеру составляющих объема пересечения 45, 46, 47, 48, 49, 410, которые в совокупности составляют общий объем 28 пересечений, изображена на РИС. 4 как сходная с эллипсоидами. Она однозначно определяется расхождениями α, β пучков E, Е частиц, углом Ω между геометрическими осями 13, 14 источников 11, 12 частиц, а также формой элементов управления в частях управляющих сигналов УПР 1, УПР 2, которые определяют пульсацию пучков E, Е посредством ускоряющих напряжений U, U в источниках частиц 11, 12 в течение времени t и, следовательно, создают отдельные кластеры 160, 170 в сериях кластеров 16, 17, и которые имеют предопределенные длины L, L.. Упомянутые части управляющих сигналов УПР 1, УПР 2 могут иметь форму различных временных функций (синусоидальных, квадратных волн или любой другой формы). РИС. 1, 2 и 3 показывает примеры воплощений, в которых упомянутые части управляющих сигналов УПР 1, УПР 2, определяющих пульсацию источников 11, 12 частиц, имеют форму квадратных волновых функций времени, тогда как на РИС. 4 эта форма является синусоидой.
1
2
ƒ
ƒ
1
2
1
2
1
1
2
Здесь и далее описан пример воплощения, изображенный на РИС. 5. РИС. 5 показывает мгновенное изображение двух серий кластеров 16, 17, испускаемых двумя источниками частиц 11, 12, которые расположены так, что они испускают отдельные кластеры 160, 170 одинаковой длины (L=L) по направлению один к другому, так что угол Ω составляет 180 градусов, и где указанный угол Ω - это угол между геометрическими осями 13, 14 указанных источников 11, 12. Серии кластеров 16, 17 синхронизированы между собой, и между ними не применяется какая-либо временная задержка t, что означает, что отдельный кластер частиц 160 в серии кластеров 16, испускаемой из источника частиц 11, и отдельный кластер частиц 170 в серии кластеров 17, испускаемой из источника частиц 12, одновременно прибывают в объемную часть, окружающую точку пересечения 15. Расстояние 20 обозначает расстояние от источника частиц 11 до точки пересечения 15, а расстояние 21 - расстояние от источника частиц 12 до точки пересечения 15. Если расстояние 20 не совпадает с расстоянием 21, то синхронное прибытие отдельных кластеров 160, 170 может быть достигнуто с соответствующей временной задержкой t, которая может быть использована для компенсации разницы между расстояниями 20 и 12 или разницы между скоростями движения v и v. В таком примере воплощение, как видно из РИС. 5, форма объема 28 пересечения может быть похожа на цилиндр в течение всего времени, когда кластеры перекрываются, если отдельные перекрывающиеся кластеры 160, 170 имеют цилиндрическую форму. Длина такого цилиндрического объема 28 пересечения будет изменяться в течение времени, когда кластеры перекрываются, при этом максимальная длина такого объема 28 пересечения будет равна длинам L, L отдельных кластеров 160, 170, которые создают такой объем 28 пересечения. Поперечное сечение отдельных кластеров частиц 160, 170 в этом примере является круглым; поэтому изображенный объем 28 пересечения представляет собой цилиндр с радиусом r. Используя соответствующую модуляцию интенсивностей потоков j, j или расхождений α, β можно добиться того, чтобы отдельные кластеры 160, 170 имели любую другую форму; вместо цилиндрического объема кластеров 160, 170 отдельные кластеры 160, 170 могут быть оформлены, например, в виде половины синусоидальной волны, как показано на РИС. 4, или любым другим заранее заданным образом. Для большей ясности при изображении объема 28 пересечения на РИС. 1-3 и РИС. 5 показано использование для пульсации частей управляющих сигналов, которые имеют форму квадратной волновой функции, в то время как расхождения α, β не изменяются во время пульсации, так как таким образом легче изобразить границы между высокой и низкой плотностью частиц. Но в случае, когда для пульсации используются части управляющих сигналов в форме синусоиды, объем 28 пересечения двух кластеров в форме синусоиды, движущихся навстречу друг другу, будет иметь форму вращательно-симметричного объекта в форме тактоида. Поперечное сечение такого тактоида представляет собой круг. Если синусоидальная функция используется в то же время и для модуляции расхождений α, β, то отдельные кластеры 160, 170 могут иметь сферическую форму, и поэтому объем 28 пересечения такого множества кластеров может также иметь форму сферы.
ƒ
На основе РИС. 5 также легче представить себе местоположение объема 28 пересечения (РИС. 1-3) в случае, когда отдельные кластеры 160, 170, испускаемые источниками частиц 11, 12 и перекрывающиеся в объеме 28 пересечения, имеют задержку по времени. Если серия кластеров 16, испускаемая источником 11 частиц, будет перемещаться впереди серии кластеров 17, испускаемой источником 12 частиц, и расстояние 20 от источника частиц 11 до точки пересечения 15 будет равно расстоянию 21 от источника частиц 12, то серии частиц 16, 17 будут накладываться в объемной части, которая находится ближе к источнику частиц 12. Отдельный кластер 160 из серии кластеров 16 будет двигаться впереди и уже пройдет точку пересечения 15, в то время как отдельный кластер 170 из серии кластеров 17 еще не прибудет в точку пересечения 15. Таким образом, местоположение объема 28 пересечения может определяться с использованием заранее заданных временных задержек t, применяемых между отдельными кластерами 160, 170 в сериях кластеров 16, 17, испускаемых из двух отдельных источников 11, 12 частиц.
1
2
3
4
5
6
ƒ
1
6
1
2
3
4
5
6
РИС. 6 изображает пример воплощения, состоящий из шести источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, которые расположены в пространстве таким образом, что они создают 3 пары источников частиц. В каждой паре отдельные составляющие источники частиц обращены друг к другу (находятся лицом друг к другу), и указанные пары являются следующими: первая пара, состоящая из источников частиц 11 и 12, вторая пара, состоящая из источников частиц 61 и 62, и третья пара, состоящая из источников частиц 63 и 64. Управление указанными источниками частиц осуществляется с помощью управляющих сигналов УПР 1, УПР 2, УПР 3, УПР 4, УПР 5, УПР 6 через блоки управления БУ 1, БУ 2, БУ 3, БУ 4, БУ 5, БУ 6. Блоки управления БУ 1, БУ 2, БУ 3, БУ 4, БУ 5, БУ 6 управляют источниками 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц в соответствии с управляющими сигналами и, следовательно, управляют такими параметрами, как длины L, L, L, L, L, L отдельных кластеров частиц, временной задержкой t, расхождениями α- α, энергией, которая определяется ускоряющими напряжениями U, U, U, U, U, U, векторными скоростями  и плотностями g..
1
2
3
На РИС. 6 показаны 3 пары источников частиц, которые взаимно расположены таким образом, что все геометрические оси упомянутых источников пересекаются в одной точке пересечения 15, а геометрические оси пар источников частиц пересекаются под углами Ω, Ω и Ω. Все источники частиц 11, 12, 61, 62, 63, 64 индивидуально оснащены системами магнитных линз 18, 19, 69, 70, 71, 72, синхронизированы между собой и испускают серии кластеров 16, 17, 65, 66, 67, 68 одновременно в направлении векторов скорости , так что каждый источник частиц испускает серии кластеров по направлению к другому источнику частиц в каждой паре источников частиц. Соответственно, в первой паре источников частиц источник 11 частиц испускает серию кластеров 16 в направлении противоположного источника частиц 12, а этот источник 12 частиц источник 12 частиц испускает серию кластеров 17 в направлении источника частиц 11, в результате чего указанные серии кластеров 16 и 17 движутся в направлении друг к другу. Аналогично, во второй первой паре источников частиц источник частиц 61 испускает серию кластеров 65 в направлении противоположного источника частиц 62, а этот источник частиц 62 испускает серию кластеров 66 в направлении источника частиц 61, в результате чего указанные серии кластеров 65 и 66 движутся в направлении друг к другу. Аналогичным образом, в третьей паре источников частиц источник частиц 63 испускает серию кластеров 68 в направлении источника частиц 64, а источник частиц 64 испускает серию кластеров 67 в направлении источника частиц 63, в результате чего указанные серии кластеров 67 и 68 движутся в направлении друг к другу. Заранее определенные кластеры частиц из серий кластеров 16, 17, 65, 66, 67, 68 поступают одновременно в объемные части, окружающие точку пересечения 15, которая равномерно отделена от всех шести источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц. В примере воплощения, изображенном на РИС. 6, расхождения пучков, испускаемых источниками 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, являются одинаковыми; кроме того, утверждается, что указанные расхождения могут быть разными. Более того, утверждается, что отклонения могут быть разными, когда указанные отклонения относятся к одному из различных пучков, испускаемых источниками 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, и вызваны системами магнитных линз 18, 19, 69, 70, 71, 72.
1
6
Понятно, что в примере воплощения, где используются управляющие сигналы соответствующей формы, объем 28 пересечения всех серий кластеров 16, 17, 65, 66, 67, 68 может быть сферой с диаметром 2R и центром в точке пересечения 15. Утверждается, что диаметр 2R объема 28 пересечения может быть изменен путем манипулирования теми частями управляющих сигналов УПР 1-6, которые определяют расхождения α - α и форму пульсации отдельных пучков, излучаемых источниками 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц. В примере воплощения, показанном на РИС. 6, для пульсации указанных пучков используются импульсы в форме квадратной волны, а объем 28 пересечения имеет форму между сферой и кубом, сходную со сферой. Кроме того, в примере воплощения, показанном на РИС. 6, отчетливо видна пространственная симметрия объема 28 пересечения во всех направлениях векторных скоростей , выходящих за точку пересечения 15.
Более того, утверждается, что возможны примеры воплощения принципа, лежащего в основе установки и метода работы, когда геометрические оси множества источников частиц, например, источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, пересекаются во множестве точек пересечения в пространстве. К тому же утверждается, что возможны примеры воплощения установки и метода, когда геометрические оси множества источников частиц, таких как 11, 12, 61, 62, 63, 64, пересекаются под разными углами Ω, которые также могут изменяться в процессе печати.
Описание вариантов реализации изобретения
Здесь и далее, на основе РИС. 7, 8, 9, 10, 11, 12 будут подробно описаны некоторые примеры воплощений устройства для аддитивного изготовления трехмерных объектов.
РИС. 7 показывает пример воплощения устройства для аддитивного изготовления трехмерных объектов, оснащенного двумя источниками частиц 11, 12, которые расположены в пространстве таким образом, что их геометрические оси 13, 14 пересекаются в точке пересечения 15. Устройство оснащено двумя обмотками 105, 106, индивидуально несущими электрический ток I, используемый для создания магнитного поля В. Обмотки 105 и 106 имеют общую геометрическую ось 107. Каждая из обмоток 105, 106 по отдельности соединена с блоками управления БУВ1, БУВ2, которые контролируются управляющими сигналами УГГРВ1, УПРВ2. В печатном пространстве 2 устройства с помощью обмоток 105, 106 может быть достигнуто варьируемое по времени и пространственно неоднородное магнитное поле В, так что магнитная левитация и транспортировка порошкового материала 102 осуществляется с помощью магнитной силы в заранее определенное положение в объеме 28 пересечения, где порошковый материал 102 плавится в процессе печати 100 (РИС. 13), что используется для изготовления заранее определенного трехмерного объекта, например, объекта 3. Печатное пространство 2 установки 1 является самой большой областью внутри установки 1, где возможно транспортировать и расплавлять порошковый материал 102, и поэтому отмечает все пространство внутри вакуумной камеры 116, где возможно изготовление.
1
2
Блоки управления БУ 1 и БУ 2 управляются сигналами УПР 1 и УПР 2, и используются для настройки параметров пучков E, Е испускаемых источниками частиц 11 и 12. Сигнал управления УПР В1 от блока управления БУ В1 и сигнал управления УПР В2 от блока управления БУ В2 определяют амплитуды и направления электрических токов I, протекающих по обмоткам 105, 106 в процессе печати 100 (РИС. 13) для перемещения порошкового материала 102 в камеру плавления 280 (РИС. 3). Соответствующее магнитное поле В, которое обеспечивает транспортировку порошкового материала 102 в нужную часть в пределах объема 28 пересечения, создается путем изменения направления или модуляции амплитуд или фаз электрических токов I, протекающих через обмотки 105, 106.
1
2
1
2
1
2
Порошковый материал 102, который используется для изготовления трехмерного объекта, такого, как объект 3 (РИС. 14), во время процесса печати 100 (РИС. 100), хранится в контейнере 101 (РИС. 7) до процесса печати 100. Дозировка порошкообразного материала 102 (РИС. 7) осуществляется с помощью пробки 103, расположенной на выходе из контейнера 101. Пробка 103 открывается и закрывается с помощью управляющего сигнала УПР С1 от блока управления БУ С1 во время процесса печати 100 (РИС. 13), таким образом обеспечивая подачу определенного количества порошкового материала 102. Обмотки 105, 106, создающие магнитное поле В, могут быть расположены как внутри, так и за пределами вакуумной камеры 116. Поддержка уже напечатанной части объекта, например, 1000 (РИС. 16), выполняется с помощью полого цилиндра или опорного стержня 109 соответственно, который изготовлен из тугоплавкого материала или из материала, температура плавления которого значительно выше, чем температура плавления порошкового материала 102 (РИС. 7), который используется для изготовления объекта, например объекта 3 (РИС. 14) соответственно. Электропроводящая игла 115 находится в центре опорного стержня 109 и достигает точки пересечения 15 (РИС. 7) с одной стороны, а с другой стороны проводящая игла 115 подключена к переключателю 111, переключателю 112 и переключателю 113, которые управляются с пульта управления УПР F1 с помощью блока управления БУ F1. Переключатель 111 заземляет проводящую иглу 115 во время удаления избытка заряженных частиц, переключатель 112 соединяет проводящую иглу 115 с более высоким электрическим потенциалом W(+) по сравнению с электрическим потенциалом источников частиц 11, 12, а переключатель 113 соединяет проводящую иглу с более низким электрическим потенциалом W (-), по сравнению с электрическим потенциалом источников частиц 11, 12. Проводящая игла 115 и источники частиц 11, 12 создают замкнутую электрическую цепь, которая подключается через вакуум или аналогичную среду в вакуумной камере 116, таким образом проводящая игла 115 может снимать отрицательный или положительный электрический заряд частиц, которые могут накапливаться на поверхности изготовленного объекта и передавать указанный заряд на проводящую иглу 115. Проводящая игла 115, которая находится в центре опорного стержня 109, электрически подключена к поверхности уже напечатанной части объекта, например, уже напечатанной части (1000) объекта, изображенного на РИС. 16 в процессе добавления порошкового материала. Когда такой образец уже напечатанной части (1000) объекта увеличивается в процессе печати 100 (РИС. 13) и при необходимости, механический привод 114 (РИС. 7) внешнего опорного стержня 109 позволяет убрать упомянутый опорный стержень 109 от уже напечатанной части (1000) объекта на такое расстояние, которое все еще позволяет стержню 109 обеспечивать механическую опору для уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 16) в данном примере. Механический привод 114, как показано на РИС. 7, управляется блоком управления БУ D1 с помощью сигнала управления УПР D1. Многонаправленный механический привод системы опоры 110 уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 16) обеспечивает перемещение опорного стержня 109 (РИС. 7), проводящей иглы 115, и уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 16) с целью изменения пространственного положения относительно источников частиц 11, 12 (РИС. 7) во время процесса печати 100 (РИС. 13). Уже напечатанная часть (1000) объекта, изображенная на РИС. 16, увеличивается в процессе печати 100 (РИС. 13) и таким образом создает определенные области в машинном печатном пространстве 2 с затрудненным доступом для пучков E, Е, и которые расположены в тени, созданной пучеками E, Е и за упомянутой частью (1000) напечатанного объекта (РИС. 16.) Много направленная механизированная система опор 110 изображена на РИС. 7 и обеспечивает перемещение уже напечатанного объекта 1000, проводящей иглы 115 и опорного стержня 109 с целью минимизации затененных областей уже напечатанного объекта. Таким образом, проблема недоступных затененных участков уже напечатанной части объекта, например, уже напечатанной части (1000) объектα, βешается с помощью много направленной механизированной системы 110 (РИС. 7), что позволяет проводить последовательность желаемых объемов печати и изготовление объектов желаемого объема печати в любом направлении. Кроме того, много направленная механизированная система 110 позволяет печатать объекты, подобные объекту 1000, как показано на РИС. 16, которые будут вращаться вокруг осей опорного стержня 109.
На РИС. 8 показан пример исполнения машины 1 (РИС. 7) для аддитивного производства трехмерных объектов, состоящей из двух источников частиц 11, 12 и двух обмоток 105, 106. Геометрические оси 13, 14 источников частиц 11, 12 перпендикулярны общей геометрической оси 107 обеих обмоток 105, 106. Таким образом, утверждается, что геометрические оси 13, 14, 107 составных частей машины 1 (РИС. 7) могут быть индивидуально расположены в пространстве без какой-либо взаимной зависимости в различных примерах исполнения машины 1, аналогичных изображенному на РИС. 7-РИС.12.
На РИС. 9 показан пример исполнения машины 1 (РИС. 7), состоящей из трех источников частиц 11, 12, 61 (РИС. 9), двух обмоток 105, 106, и трех независимых линейных механических приводов 117 для источников частиц 11, 12, 61. Независимые линейные механические приводы 117 источников частиц 11, 12, 61 позволяют направлять источники частиц вверх и вниз в дополнение к горизонтальной печати от центра наружу. Сигналы УПР Н управляют линейными механическими приводами 117 с помощью блока управления БУ Н.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Порошковый материал 102 хранится в контейнере 101 с управляемой подачей через пробку 103. Мелкодисперсный порошковый материал 102 транспортируется в нужные части объема 28 пересечения пучков E, Е, Е с использованием переменного во времени и пространственно неоднородного магнитного поля 5, создаваемого обмотками 105, 106. Путем увеличения рассеивания пучков E, Е, Е частиц, плавление порошкового материала 102 может происходить в по краям областей перекрывания таких широко рассеянных пучков Е, Е, Е, таким образом, дальше от точки пересечения 15 геометрических осей источников частиц 11, 12, 61 (РИС. 9). Если такие более широко рассеянные пучки частиц оказываются слишком слабыми для плавления материала, длительность плавления увеличивается, или дефлекторы в системе магнитных линз используются для направления пучков E, Е, Е в детали, которые находятся дальше от точки пересечения 15. Этот принцип учитывается при генерации контрольных сигналов УПР перед процессом печати 100 (РИС. 13). Таким образом, сообщение достаточного количества кинетической энергии частицам, необходимого для плавления порошкообразного материала 102 (РИС. 9) достигается во время заданного интервала времени даже в тех частях пересечения пучков E, Е, Е, которые находятся дальше от точки пересечения 15.
На РИС. 10 показан пример исполнения машины 1 (РИС. 7), состоящей из трех источников частиц 11, 12, 61 (РИС. 9), двух обмоток 105, 106 и циркулярного механического привода 118. Круговая механизация 118 вращать первый источник 11 частиц относительно двух других источников частиц 12, 61, в плоскости, перпендикулярной осям двух других источников частиц 12, 61. Утверждается реализуемость что примеров исполнения машины 1 (РИС. 7-12), в которых ось одного из источников частиц, например источника частиц 11 (РИС. 10), может вращаться относительно к других источников частиц, например, источников частиц 12 и 61, во время процесса печати 100 (РИС. 13). Циркулярный механический привод 118 управляется сигналом УПР G с помощью блока управления БУ G.
На РИС. 11 изображен пример исполнения машины 1, состоящей из четырех источников частиц 11, 12, 61, 62, и четырех обмоток 105, 106, 205, 206. Машина 1 имеет тетраэдрическую симметрию, а геометрические оси отдельных источников частиц 11, 12, 61, 62 направлены по трем осям тетраэдра и пересекаются в общей точке пересечения 15 в центре указанного тетраэдра. Машина 1 имеет четыре обмотки 105, 106, 205, 206 для создания переменного во времени и пространственно неоднородного магнитного поля В, которое создает движение порошкового материала 102 в заранее определенный объем плавления. Порошковый материал 102 хранится и дозируется таким же образом, как и в описанных ранее примерах исполнений, в контейнере 101 с пробкой 103. Объект, например объект 3 (РИС. 14), постепенно изготавливается с первоначальным перекрытием кластеров, которые собирают пучки в частях, окружающих точку пересечения 15 (РИС. 12), где проводящая игла 115 (РИС. 7) также расположена на вершине многонаправленной системы механизации 110 и там, где начинается процесс печати 100 для изготовления указанных объектов.
Далее описан метод аддитивного изготовления трехмерных объектов, соответствующий данному изобретению на примере изготовления объекта 3. Весь метод аддитивного производства трехмерных объектов согласно настоящему изобретению делится на два основных процесса, схематично изображенных на РИС. 13, а именно на процесс подготовки к печати 5 и процесс печати 100. Во-первых, подробно изложен главный процесс под названием «подготовка к печати 5».
Большинство методов аддитивного изготовления трехмерных объектов требуют подготовки цифрового файла изготавливаемого 3D-объекта. В настоящее время известно несколько форматов цифровых файлов, содержащих информацию о форме такого трехмерного объекта, например, стереолитография (сокращенно.stl), файл object (сокращенно.obj) и другие. Они обычно создаются с использованием программных комплексов САПР (система автоматизированного проектирования). Такого рода цифровой файл трехмерного объекта обычно содержит описание внешнего слоя или соответствующей формы, и подготовлен для использования в программном обеспечении, которое создает файл управления, который распознается 3D-принтером, и соответственно написан на языке программирования, совместимом с 3D-принтером. Одним из примеров из широко используемых форматов таких управляющих файлов является G-code, который представляет собой файловый формат, обычно используемый в стандартных бытовых 3D-принтерах и созданный на языке программирования, использующем числовые элементы управления (Numeric Control Programming Language)
В соответствии с настоящим изобретением и в процессе под названием «подготовка к печати 5» генерируется файл управления 10, содержащий запись всех синхронизированных временных функций контрольных сигналов УПР 1-УПР Н (РИС. 7, 8, 9), которые управляют всеми блоками управления БУ 1 - БУ Н машины 1, и следовательно всей работы машины 1 в процессе печати 100 (РИС. 13). Чтобы иметь возможность выполнить процесс печати 100 с помощью машины, например, машины 1 (РИС. 7) согласно настоящему изобретению, во-первых, создается файл управления 10 (РИС. 13) на этапе подготовки к печати 5; упомянутый файл управления, который в некотором роде совместим с G-code, но при этом упомянутый файл управления 10, который значительно отличается от G-code в связи с тем, что процесс печати 100 с использованием машины 1 в соответствии с настоящим изобретением выполняется в заранее определенных искривленных трехмерных печатных объемах. Метод и машина согласно настоящему изобретению отличаются от всех известных до сих пор машин и методов тем, здесь печать объекта осуществляется не плоскими двумерными печатными объемами, или слоями.
е
b
Цифровой файл 4 трехмерного объекта 3, содержащий информацию о форме или внешней поверхности трехмерного объекта соответственно, во-первых, считывается и импортируется в систему для подготовки печати 5, которая является составной частью машины 1 в согласно настоящему изобретению. Во-вторых, спецификации 6 печати и машинные спецификации 7 определяются в системе подготовки печати 5. Спецификации 6 печати содержат всю информацию, влияющую на процесс печати 100 (РИС. 13), например информация о порошковом материале (102), определенная полнота печатного объекта (объект может быть заполнен на 100% или может иметь определенную трехмерную структуру, создающую некоторое количество пустот внутри), определенная толщина наружной стенки, разрешение печати наружной стенки, направления печати, начальная точка печати 151 (РИС. 14) позиция и другая необходимая информация. Спецификации 7 машины содержат все параметры машины 1, описывающие различия между отдельными вариантами исполнения машины 1 и влияющие на процесс печати 100 (РИС. 13). Спецификации 7 машины ниже содержат следующую информацию: количество источников частиц n, взаимное пространственное расположение указанных источников частиц, включая расстояния 20, 21 (РИС. 5) до точки пересечения 15 и углы Ω между геометрическими осями источников частиц; количество электрических обмоток n для магнитной левитации и взаимного пространственного расположения указанных обмоток, включая расстояния до точки пересечения 15 и углы между их геометрическими осями; размер контейнера 101 (РИС. 7), содержащего порошковый материал 102; рабочие параметры механизации источников частиц 117, 118 (РИС. 9,10), многонаправленный механический привод опор 110 (РИС. 7), и механический привод опорных стержней 114, который является опорой для изготовленного объекта.
На следующем этапе вышеуказанный цифровой файл 4 (РИС. 13) трехмерного объекта, спецификации 6 печати и спецификации 7 машины импортируются в симулятор 8 процесса печати, где пространственное разделение 50 цифрового файла 4 трехмерного объекта выполняется с помощью моделирования процесса печати 100 в соответствии с приведенным примером исполнения машины 1.
В симуляторе 8 (РИС. 13), цифровой файл 4 (РИС. 13) трехмерного объекта пространственно расположен так, что начальная точка печати 151 (РИС. 14) располагалась в трехмерном объекте, встроенном в цифровой файл. В системе координат симулятора 8 машины 1, начальная точка печати 151 (РИС. 14) может совпадать с точкой пересечения 15 внутри реального пространства машины 1 (РИС. 7-12), выполняющей процесс печати 100 (РИС. 13), где пересекаются по крайней мере две геометрические оси 13, 14 как минимум двух источников 11, 12 частиц в отдельном примере исполнения машины 1, аналогичные изображенным на РИС. 7-12. При использовании примера исполнения машины 1, который имеет несколько точек пересечений 15 геометрических осей, пример которых изображен на РИС. 9-12, начальная точка печати в системе координат симулятора 8 (РИС. 13) может располагаться в одной из этого множества точек пересечения.
На следующем этапе генерируется последовательность 51 отдельных печатных объемов 1, 2, 3…Z (РИС. 13) с пространственным разделением 50 в симуляторе 8, имитирующем процесс печати, и упомянутая последовательность 51 печатных объемов 1, 2, 3…Z состоит из количества Z отдельных печатных объемов. Отдельные объемы печати, как показано на РИС. 13 и 14 - это отдельные объемы печати 152, 153, 154……2000. В описанном примере процесса печати 100 с использованием машины 1 (РИС. 7-12), трехмерный объект 3 (РИС. 14), постепенно изготавливается путем последовательной печати отдельных объемов 1, 2, 3…Z (РИС. 13) в последовательности 51. Во время пространственного разделения 50 цифрового файла трехмерного объекта 4 в последовательность 51 отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z, симулятор 8 максимизирует объем каждого отдельного объема печати 1, 2, 3…Z таким образом, чтобы объем печати 1, 2, 3…Z был ограничен только количеством энергии плавления и количеством порошкового материала 102 (РИС. 7), которое может быть расплавлено машиной 1 в заданное время. Объем 28 пересечения (РИС. 3) и, следовательно, объем 280 плавления, таким образом, значительно увеличиваются, например, внутри объекта 3 (РИС. 14), который используется для данного описания, поскольку процесс печати 100 позволяет изготавливать объемы печати внутри объекта 3, не влияющие на внешний вид (разрешение печати поверхности) готового объекта 3.
В симуляторе 8 каждый отдельный объем печати 1, 2, 3…Z в последовательности 51 определяется и приравнивается определенному объему 28 пересечения или объему 280 плавления множества источников частиц 11, 12 в соответствии с приведенным примером исполнения машины, например, машина 1 (РИС. 7-12), и в соответствии с данным шагом процесса печати 100 (РИС. 13). Отдельный объем печати 1, 2, 3…Z может быть изготовлен и собран с использованием множества объемов 28 пересечения (РИС. 4) как уже было описано, что машина 1 позволяет плавить материал в нескольких направлениях и в большом количестве меньших составных объемов пересечений 45, 46, 47, 48, 49, 410 одновременно.
Используя симуляцию производства отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z (РИС. 13), симулятор 8 отводит необходимое количество источников частиц для каждого отдельного объема печати 1, 2, 3…Z, а также регулирует расхождение, отклонение, пульсацию и все другие необходимые параметры источников частиц. Таким образом, в дальнейшем, в процессе печати 100 (РИС. 13) образуются скопления частиц, например, 160, 170 (РИС. 2) и эти скопления 160, 170, которые необходимы для плавления материала в каждом отдельном объеме печати 1, 2, 3…Z в заданном интервале времени. Таким образом, симулятор 8 назначает и определяет все необходимые параметры машины 1 для процесса печати 100 каждого отдельного объема печати 1, 2, 3…Z - последовательно. В симуляторе 8 (РИС. 13) процесс назначения и присвоения необходимых параметров машины 1 повторяется для каждого объема печати 1, 2, 3…Z по отдельности и таким образом, чтобы создавалась последовательность 51 печатаемых объемов 1, 2, 3…Z и генерировались сигналы УПР 1 - УПР Н для изготовления объекта, аналогичного объекту 3 (РИС. 14), с помощью процесса печати 100. При генерации последовательности 51 (РИС. 13) объемов печати 1, 2, 3…Z, симулятор 8 берет объемные детали, затененные примером уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 16) при выполнении каждого заданного этапа процесса печати 100 (РИС. 13) во внимание. При генерации последовательности 51 отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z, также можно заранее определить параметры так, чтобы поверхность объекта была изготовлена с высоким разрешением печати, а внутренние части объекта - с менее высоким разрешением. На поверхности объекта, аналогичного объекту 3 на РИС. 14, меньшие объемы могут быть напечатаны с высоким разрешением, а крупные объемы можно печатать внутри объекта.
На следующем этапе в генераторе 9 и на основе последовательности 51 объемов печати 1, 2, 3…Z, полученных с помощью симуляции, генерируется файл управления 10, содержащий все необходимые сигналы управления, например, сигналы управления УПР 1 - УПР Н (РИС. 7-10) подаваемые на блоки управления БУ 1 - БУ Н машины 1 (РИС. 6, 12), используемые позже в данном примере процесса печати 100 (РИС. 13) объекта, аналогичного объекту 3 (РИС. 14). Указанный файл управления 10 (РИС. 13) хранит различные временные функции и синхронизированные сигналы управления УПР 1 - УПР Н (РИС. 7-10), подаваемые на управляющие устройства БУ 1 - БУ Н в процессе печати 100 (РИС. 13) с помощью машины 1. При генерации окончательного файла управления 10 (РИС. 13), длительность всех сигналов управления УПР 1 - УПР Н определяется согласно температуре плавления материала и мощности используемого примера исполнения машины 1.
1
2
В генераторе 9 осуществляется создание и синхронизация всех других управляющих сигналов, например, управляющего сигнала УПР С1 (РИС. 7), управляющего пробкой 103 на контейнере, и приводом 104, сигнала УПР F1, управляющего подключением проводящей иглы 115 к заземлению, к заранее заданному более высокому потенциалу W, или к более низкому W, сигнала УПР D1, управляющего механическим приводом 114 опорного стержня 109, сигнала УПР Е1, управляющего многонаправленной механической системой опор 110, сигнала УПР Н (РИС. 9), управляющего линейным приводом 117, сигнала УПР G (РИС. 10), управляющего циркулярным приводом 118 и других необходимых контрольных сигналов. После завершения процесса подготовки к печати 5 (РИС. 13), файл управления 10 используется для выполнения процесса печати 100 с помощью одного из примеров исполнения машины 1, например из те, что изображены на РИС. 7-12.
е
b
Здесь и ниже приводится подробное описание процесса печати 100 (РИС. 13) на примере процесса изготовления трехмерного объекта 3, изображенного на РИС. 14 и с использованием примера исполнения машины 1, состоящей из шести источников частиц (n=6) и шести обмоток (n=6), изображенного на РИС. 6 и РИС. 12. В приведенном примере реальный трехмерный объект 3 (РИС. 14) будет изготовлен с использованием процесса печати 100 (РИС. 13) на машине 1, где указанный объект 3 (РИС. 14) является одним из объектов, для которых цифровой файл 4 (РИС. 13) был определен на этапе подготовки к печати 5, и который в этом примере имеет очертания кошки.
На РИС. 14 изображено поперечное сечение примера пространственного деления 50 цифрового файла трехмерного объекта 4 (РИС. 13) в симуляторе 8, и в то же время изображена последовательность 51 отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z, изготовление которых приведет к последовательному изготовлению объекта 3 (РИС. 14) в процессе печати 100 (РИС. 13) в реальном пространстве.
1
6
1
2
3
4
5
6
На этапе подготовки к печати 5 (РИС. 13) форма, содержащаяся в цифровом файле 4 трехмерного объекта, позиционируется в системе координат симулятора 8 машины 1 (РИС. 12) так, чтобы позже объем печати 1 152 (РИС. 14), имеющий форму сферы в реальном пространстве, можно было изготовить в процессе печати 100. Таким образом, объем печати 1 152 является начальной точкой печати 151, которая может совпадать с точкой пересечения 15 геометрических осей источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц в случае, когда используется пример исполнения машины 1, изображенной на РИС. 12. Острие проводящей иглы 115 также достигает исходной точки печати 151 (РИС. 14). Как показано на примере исполнения машины 1, изображенной на РИС. 6 и РИС. 12, использование заранее определенных сигналов БУL 1 - УПР Н позволяет задать объему 28 пересечения форму сферы диаметром 2R, указанным объемом 28 всех шести источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц в данном случае. Диаметр 2R созданной сферы может произвольно изменяться путем индивидуального управления углами рассеивания α- α пучков и длин L, L, L, L, L, L отдельных скоплений частиц в кластерных сериях 16, 17, 65, 66, 67, 68.
e
Здесь и далее подробно изложены, во-первых, этапы процесса печати 100 (РИС. 13) изготовления отдельного объема печати 1,2,3…Z в последовательности 51, генерируемой с пространственным делением 50 на этапе подготовки к печати 5. Описание приводится на примере изготовления объекта 3. В рамках первого этапа процесса печати 100 для изготовления печатного объема 1 152, который формируется как сфера в этом примере исполнения, порошковый материал 102 (РИС. 7) вносится в печатное пространство 2 машины 1 таким образом, чтобы в течение определенного времени пробка 103 была открыта на контейнере 101, который управляется сигналом УПР С1 и используется для хранения порошкового материала 102. Таким образом в печатное пространство 2 машины 1 вносится заданное количество порошкового материала 102. В рамках данного этапа процесса печати 100 (РИС. 13) также обеспечивается, чтобы проводящая игла 115 (РИС. 7) была расположена так, чтобы она достигала начальной точки печати 151 (РИС. 14). При необходимости движение проводящей иглы 115 (РИС. 7) и опорного стержня 109 осуществляется с помощью многонаправленного механического привода системы опор 110. При необходимости включается механический привод 104 (РИС. 7) для порошкового материала 102, указанный привод 104 управляется сигналом УПР С1 с помощью блока управления С1, который предотвращает агрегацию порошкового материала 102 в более крупные частицы при выходе в печатное пространство 2 через выход, регулируемый пробкой 103. На следующем этапе закрывается пробка 103 для выпуска порошкового материала 102 в печатную зону 2, а система генерации магнитного поля В с обмотками 105, 106, 205, 206, 207, 208, которая управляется сигналами УПР B1 - В6 с помощью блоков управления БУ B1 - В6 и позволяет переносить порошковый материал 102 в желаемый объем плавления, включается (здесь означает появление магнитного поля В). В рамках данного этапа процесса печати 100 (РИС. 13) теперь мелко рассеянный порошковый материал 102 (РИС. 7) переносится в заранее определенный объем печати 1 152, окружающий область начальной точки печати 151 (РИС. 14) с помощью магнитных сил. Проводящая игла 115 (РИС. 7) уже располагается в начальной точке печати 151 (РИС. 14); запускается изготовление первого печатного объема 1 152 в форме сферы, которая окружает начальную точку печати 151. Когда порошковый материал 102 (РИС. 7) располагается в заданном объеме печати 1 152, окружающем исходную точку печати 151, источники 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц (РИС. 12) включаются (что означает начало испускания кластеров частиц), а обмотки 105, 106, 205, 206, 207, 208 выключаются (что означает, что электрическое поле В принимает нулевое значение). Если магнитное поле В не мешает движению частиц из источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц в окружение начальной точки печати 151, то машина учитывает, что частицам нужно некоторое время 4, чтобы переместиться от источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц (РИС. 12) в начальную точку печати 151 (РИС. 14), поэтому магнитное поле В может принимать нулевое значение в момент времени t, следующий непосредственно за выключением источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, следовательно в тот момент, когда известно, что частицы находятся либо вблизи, либо внутри объема печати 1 152 (РИС. 14).
Заранее определенные скопления частиц в кластерных группах 16, 17, 65, 66, 67, 68 (РИС. 6, 12) таким образом синхронно перекрывают друг друга в объеме печати 1 152 (РИС. 14), одновременно представляющий собой объем 28 пересечения (РИС. 6) и окружающий точку пересечения 15 геометрических осей источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц (РИС. 6,12).
В тот момент, когда частицы, испускаемые из множества источников 1, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, поступают в объем 28 пересечения и имеют индивидуально предопределенные векторные скорости , создается объем 280 плавления, в котором общая, высокая плотность кинетической энергии частиц приводит к тому, что порошковый материал 102 плавится в пределах объема 28 пересечения, при условии, что общая, высокая плотность кинетической энергии частиц превышает порог, необходимый для расплава порошкового материала. Порошковый материал 102 плавится внутри объема 280 плавления, в результате создается расплав порошкового материала 1020, как показано на РИС. 16.
При столкновении частиц (упругом и неупругом) с порошкообразным материалом обеспечивается сохранение общего линейного и углового импульса. В случае неупругих столкновений между частицами, испускаемыми из источников частиц, и порошковым материалом, весь импульс частиц будет перенесен на порошкообразный материал, и следовательно, сохранение общего импульса используется таким образом, в котором на расплавленный порошковый материал 1020 оказывается сила, которая заставляет порошковый материал двигаться с определенной скоростью после столкновения с частицами. Благодаря сохранению импульса сила, прилагаемая к частицам, испускаемым из источников частиц, может эффективно использоваться для перемещения расплавленного порошкового материала 1020 в желаемое, окончательное положение на уже напечатанной части (1000) объекта.
1
1
При надлежащей синхронизации отдельных скоплений частиц из всех серий кластеров, например, 16, 17, 65, 66, 67, 68 (РИС. 6), возможно явление, при котором перенос импульса частиц задает направление окончательному нанесению расплавленного порошкового материала 1020 (РИС. 16) на уже напечатанную часть (1000) изготавливаемого объекта. В описанном примере, где изготавливается первый объем печати 1 152 (РИС. 14), имеющий форму сферы, капли расплавленного материала 1020 наносятся на проводящую иглу 115. В дополнение к сообщению импульса частиц расплавленному порошковому материалу 1020 во время столкновений, можно использовать разность электрических потенциалов; эта разность потенциалов возникает или между частицами и уже напечатанной частью (1000) объекта, или, в случае изготовления первого объема печати 1, между частицами и проводящей иглой 115 (РИС. 16). Это осуществляется с помощью переключателя 112 для электрического соединения уже напечатанной частью (1000) объекта с проводящей иглой 115, или, во время начального этапа изготовления, подключения только проводящей иглы 115 (РИС. 16) к более высокому электрическому потенциалу W внешнего источника напряжения. Электрический потенциал W внешнего источника напряжения может быть и низким. На ранее приведенном этапе предварительного определения и генерации сигналов УПР 1-6 (РИС. 6), управляющих пульсацией, во-первых, были определены и сгенерированы части управляющих сигналов, предназначенных для плавления порошкового материала, а во-вторых, мог быть дополнительно сгенерирован сигнал, обеспечивающий перенос расплавленного порошкового материала 1020 (РИС. 16) в окончательное, желаемое положение.
В рамках следующего этапа процесса печати 100 (РИС. 13) после того, как расплавленный порошковый материал 1020 нанесен на уже напечатанную часть (1000) объекта, источники 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц выключаются (то есть испускание частиц останавливается), и возможно включение заземляющего переключателя 111 (то есть создается контакт), и таким образом осуществляется излишка частиц с поверхности или внутреннего объема части (1000) уже напечатанного объекта (РИС. 16). Опорный стержень 109, окружающий проводящую иглу 115 (РИС. 16) всегда достигает части (1000) уже напечатанного объекта, и таким образом обеспечивает дополнительную механическую опору. После выполнения описанных этапов процесса печати 100 (РИС. 13), расплавленный порошковый материал 1020 остывает и затвердевает, таким образом создавая твердый шар, который поддерживается опорным стержнем 109 (РИС. 16) и имеет в себе проводящую иглу 115. В процессе печати 100 (РИС. 13) объекта 3 проводящая игла 115, таким образом, становится частью уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 14), и более широкий опорный стержень 109 (РИС. 16) можно постепенно удалять от части (1000) уже напечатанного объекта (РИС. 16) на расстояние, достаточное для того, чтобы указанная проводящая игла 115 сохраняла контакт с поверхностью уже напечатанной части (1000) объекта, а указанный опорный стержень 109 служил механической опорой уже напечатанной части (1000) объекта. При необходимости на следующем этапе процесса печати 100 (РИС. 13) уже напечатанная часть (1000) объекта (РИС. 16) перемещается с помощью многонаправленного механического привода системы опоры 110 (РИС. 7) в нужное положение для изготовления следующего объема печати из последовательности 51 (РИС. 13) с последующим повторением приведенных выше этапов процесса печати 100, позволяющих изготовить печатный объем 1 152 (РИС. 14) для производства следующего объема печати из последовательности 51 (РИС. 13). В приведенном примере реализации, показанном на РИС. 14, следующий объем печати в последовательности 51 представляет собой объем печати 2 153 и имеет форму оболочки.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Изготовление печатного объема 2 153 осуществляется таким образом, что сигналы БУR 1-6 (РИС. 6), которые управляют источниками 11, 12, 61, 62, 63, 64 частиц, увеличивают диаметры г пучков E, Е, Е, Е, Е, Е с использованием заранее определенных расхождений α, α, α, α, α, α; расположение объема 28 пересечения поддерживается в центре системы, что означает, что ее центр совпадает с точкой пересечения 15, которая совпадает с начальной точкой печати 151 (РИС. 14) в данном случае. На данном этапе печати процесс 100 позволяет изготовить следующий объем печати 2 153 (РИС. 13, 14), в данном случае имеющий форму оболочки корпуса и являющийся следующим объемом печати в последовательности, где скопления частиц перекрываются в большем объеме 28 пересечения (РИС. 3) и объеме 280 плавления, оба из которых на данном этапе имеют больший диаметр. Это приводит к плавлению порошкового материала в указанном большем объеме печати 2 153 (РИС. 13, 14), имеющем форму оболочки и концентрическом по отношению к первому, уже изготовленному объему печати 1 151 в форме сферы. На следующем этапе повторяется вышеописанная последовательность процесса печати, и следующий объем печати 3 154, который также формируется как оболочка, изготавливается с использованием более широких пучков.
В примере реализации пространственного разделения 50 (РИС. 13), процесс печати 100 схематически изображены на РИС. 14, все описанные этапы процесса печати 100, позволяющие изготовление отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z с использованием машины 1 (РИС. 6, 12), повторяются для каждого отдельного объема печати 1, 2, 3…Z (РИС. 13) в последовательности 51. В процессе печати 100 все вышеперечисленные этапы, обеспечивающие изготовление отдельного объема печати 1 152, повторяются, включая все этапы от внесения порошкового материала путем открывания пробки 103 (РИС. 7) на контейнере 101 в зону печати 2 машины 1 вплоть до разрядки уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 16) с помощью переключателя 111, и при необходимости, перемещения уже напечатанной части (1000) объекта в заранее определенное положение с использованием многонаправленного механического привода системы поддержки 110 (РИС. 7).
Последующее производство отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z (РИС. 13), которые в данном примере реализации формируются как оболочки, продолжается до момента, когда поверхность части (1000) уже напечатанного объекта (РИС. 16) приближается к поверхности объекта изготавливаемого 3, где уже напечатанная часть (1000) объекта представляет собой очередную внутреннюю часть объекта 3 (РИС. 14). В примере реализации, описанной здесь и изображенной на РИС. 14 и 15, крупнейшая внутренняя составная часть примера объекта 3 (РИС. 14) представляет собой крупнейший напечатанный объем 155, имеющий форму оболочки и формирующий шар, состоящий из шариков, созданных печатью объема 1 152, объема 2 153 и объема 3 154, таким образом напоминая первое приближение примера объекта 3. В приведенном примере все внутренние объемы требуемого объекта 3 изготавливаются с помощью последовательности более крупных и толстостенных объемов печати, которые не влияют на внешний вид объекта 3 в форме кошки (РИС. 14) в данном примере.
Как упоминалось ранее, в симуляторе 8 (РИС. 13) последовательность 51 объемов 1, 2, 3…Z, определяется таким образом, чтобы позже во время каждого последующего этапа процесса печати 100, который обеспечивает изготовление отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z в последовательности 51, тень, которая создается уже напечатанной частью (1000) объекта (РИС. 16), сводится к минимуму. В качестве примера: при изготовлении объема печати 3 155 (РИС. 14) в форме оболочки учитывается тень, создаваемая объемом печати 2 152.
Приведенные выше этапы повторяются во время изготовления каждого отдельного объема печати 1, 2, 3…Z (РИС. 13) в последовательности 51, и включают в себя все этапы от первоначального выпуска порошкового материала 102 (РИС. 7) в печатное пространство 2 машины 1 путем открывания пробки 103 на контейнере 101, до разрядки уже напечатанной части (1000) объекта (РИС. 16) с помощью переключателя 111 и, при необходимости, механического перемещения объекта с помощью много направленного механического привода опор 110.
На следующем этапе процесса печати 100 центр объема 28 пересечения (РИС. 1) перемещается в две новые точки, 156 и 1560 (РИС. 14). В рамках данных этапов процесса печати 100 (РИС. 13), позволяющих изготовить следующий объем печати из последовательности 51, порошковый материал 102 (РИС. 7) плавится в объеме 28 пересечения так, чтобы оба объема печати 157 и 1570 создавались одновременно. Объем печати 157 и объем печати 1570 создаются на поверхности оболочки объема печати 155 и изготавливаются наружу от этих новых начальных точек печати 156 и 1560 во все возможные направления одновременно. Каждый из отдельных объемов печати 1, 2, 3…Z (РИС. 13), таким образом, может быть собран из множества объемов печати в зависимости от мощности примера исполнения машины 1, используемой для процесса печати 100 (РИС. 13), где указанное множество составляет объемы печати, аналогичные объему печати 157 и объему печати 1570 (РИС. 14) в данном примере. После печати объема 157 и объема 1570 осуществляется одновременная печать объема 158 и 1580, а затем одновременная печать объема 159 и объема 1590. Постепенное увеличение размеров составных частей конечного объекта печати 3 (РИС. 14) обеспечивается такими последовательными этапами процесса печати 100 (РИС. 13), позволяя печатать объемы один за другим. Таким образом, в процессе печати 100 можно одновременно изготовить множество объемов печати, которые расположены в различных пространственных точках и соответствующих РИС. 14 с помощью объемов печати 158 и 1580. Таким образом, машина 1 позволяет осуществлять печать в различных направлениях одновременно, в зависимости от мощности примера исполнения машины 1, используемой для печати. В примере, изображенном на РИС. 14, объем 157, который формируется как оболочка, можно изготовить одновременно с объемом 1570, если указанные объемы 157 и 1570 создаются на противоположных сторонах уже напечатанной оболочки объема 155, используя для этого другие источники частиц.
На РИС. 15 приведено схематическое изображение процесса печати 100 (РИС. 13) во времени, а также схематическое изображение последовательности 51 (РИС. 13) отдельных объемов печати. Жирная линия указывает на основные возможные направления одновременной печати от центра наружу в процессе печати 100.
Учитывая вышеописанные этапы производства, становится понятно, что весь процесс печати 100 (РИС. 13) осуществляется таким образом, что добавление, плавление и выгрузка материала осуществляется последовательно для каждого отдельного объема печати 1, 2, 3…Z в последовательности 51. Эти этапы процесса печати 100, которые позволяют изготовить каждый из объемов печати, таким образом, повторяются для каждого из следующих объемов печати в последовательности 51. После каждого очередного этапа процесса печати 100, позволяющего изготовить следующий объем печати в последовательности 51, вновь изготовленная часть добавляется на уже напечатанную часть объекта, например, 1000 (РИС). 16) в данном примере. Во время дальнейшего последовательного выполнения этапов процесса печати (РИС. 13), форма такой уже напечатанной части (1000) объекта будет становиться все более и более похожей на форму требуемого объекта, который в данном примере имеет форму кошки. Очевидно, что разрешение печати может улучшаться по мере приближения к поверхности требуемого объекта или к форме требуемого объекта соответственно. Разрешение печати определяется диаметром 2R (РИС. 6) объема 28 пересечения пучков Е, и в этом примере исполнения он равен диаметрам 2R сфер и оболочек, создаваемых плавлением порошкового материала перекрывающимися пучками частиц.
1
2
1
2
1
1
На РИС. 16 показано, что уже пример исполнения машины 1 (РИС. 7), состоящий из двух пучков частиц E, Е, позволяет создавать объекты путем печати отдельных объемов 1, 2, 3…Z по сравнению с изготовлением такого объекта путем последовательного укладки тонких двухмерных слоев в высоту z, как это делается другими известными машинами в данной области. На РИС. 16 изображены два пучка частиц E, Е, геометрические оси которых пересекаются на острие проводящей иглы 115. В данном примере объем 28 пересечения представляет собой тело сложной формы, частично окружающее уже напечатанную часть (1000) объекта. Расплавленный порошковый материал 1020 наносится на поверхность уже напечатанной части (1000) объекта с помощью статического электричества. Упомянутый статический заряд создается путем подключения иглы 115 с помощью переключателя 112 к более высокому электрическому потенциалу W на заданный промежуток времени. Продолжительность подключения проводящей иглы 115 к более высокому электрическому потенциалу W может определять количество (толщину) порошкового материала 102, который собирается на поверхности уже напечатанной части (1000) объекта.