CN102549178A - 用于形成物体的方法、装置、计算机可读的存储介质和计算机程序 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成物体的方法，包括：至少提供具有在第一温度下的熔点的第一材料和具有在第二温度下的熔点的第二材料；在高于所述第一温度和第二温度下对所述第一材料和第二材料的至少一部分进行加热，从而形成基本熔融的合金，所述熔融合金具有在第三温度下的凝固点，所述第三温度低于所述第一温度和所述第二温度；向所述熔融合金的至少一部分提供基本固体的另外的材料，所述另外的材料具有在大于所述第三温度的温度下的熔点；以及在高于所述另外的材料的熔点的温度下对所述基本固体的另外的材料的至少一部分进行加热。

Description

用于形成物体的方法、装置、计算机可读的存储介质和计算机程序
技术领域
本发明的实施方式涉及用于形成物体(对象，目标，object)的方法、装置(设备)、计算机可读的存储介质(计算机可读存储介质)和计算机程序。
背景技术
实体自由成形制造(SFF)是能够通过材料(例如，粉末形式)的连续层状成形和凝固来生产3D实体部件的一组制造技术。可以由计算机辅助设计(CAD)模型直接获得部分几何数据并对其进行处理以形成物体而不需要任何模具或工具。可以根据所用的方法对各种材料以及诸如塑料、蜡、金属和陶瓷的材料的组合进行处理。
在单一步骤中生产具有高密度的全功能部件通常需要粉末颗粒(粒子)的完全熔化。这可以利用高能量密度(例如，激光束或电子束)实现，所述高能量密度可产生能够将创建熔体池的粉末颗粒完全液化的温度。一旦从新产生的熔体池中除去热，则熔融材料凝固而形成大的块体，所述大的块体通常在其结构中产生有新的晶粒(细粒，grains)。
当应用至金属粉末时，上述方法通常诱导材料的快速熔化和再凝固，这导致大的内部热应力，所述大的内部热应力可能在凝固期间和在凝固之后导致部件翘曲。由于翘曲，特定的几何形状(如在模型中比较常见的悬垂/无载体(无支撑)特征)需要利用在建筑期间制造的锚而强制压向基底(衬底，基板，substrate)。这些锚通常由用于生产部件的相同金属制成，并且在制造部件之后除去通常麻烦且耗时或不可能。锚的除去还可以损坏组件，从而导致部件不稳定。
因此，期望提供用于形成物体的替代方法和装置。
发明内容
根据各方面但不必根据全部方面，本发明的实施方式是提供用于形成物体的方法，所述方法包括：至少提供具有在第一温度下的熔点的第一材料和具有在第二温度下的熔点的第二材料；在高于所述第一温度和第二温度下对所述第一材料和第二材料的至少一部分进行加热，从而形成基本熔融的合金，所述熔融合金具有在第三温度下的凝固点，所述第三温度低于所述第一温度和所述第二温度；向所述熔融合金的至少一部分提供基本固体的另外的材料(基本固体的其他材料)，所述另外的材料具有在大于所述第三温度的温度下的熔点；以及在高于所述另外的材料的熔点的温度下对所述基本固体的另外的材料的至少一部分进行加热。
当向所述熔融合金的至少一部分提供基本固体的另外的材料时，所述基本熔融的合金可以具有这样的温度，在高于所述温度下，合金化材料基本上不翘曲。
所述方法还可以包括重复提供所述另外的材料和加热所述另外的材料的步骤以形成物体。
所述物体可以是基本熔融的且所述方法还可以包括控制所述物体的冷却从而形成包含受控的微结构的凝固物体。控制所述物体的冷却可形成包含单晶的凝固物体。
所述方法还可以包括控制所述基本熔融的合金的加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一和第二材料的熔点温度。
所述方法还可以包括检测所述熔融合金的温度并使用所检测的温度控制所述熔融合金的加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一和第二材料的熔点温度。
所述方法还可以包括在提供所述第一材料之前，将所述第一材料加热至低于所述第一温度的温度和/或在提供所述第二材料之前，将所述第二材料加热至低于所述第二温度的温度和/或将所述另外的材料加热至低于所述另外的材料的熔点温度的温度。
可以以层的形式提供所述第一材料和所述第二材料且可以以层的形式提供所述另外的材料。所述层可以通过未混合材料的依次沉积和/或混合材料的沉积而形成。
可以以粉末的形式提供所述第一材料、所述第二材料和所述另外的材料。
所述基本固体的另外的材料可以至少包含所述第一材料和所述第二材料。
可以以形成共晶混合物(低共熔混合物)的比例提供所述第一材料和所述第二材料并且加热所述第一和第二材料可以形成基本熔融的共晶合金(低共熔合金)。
可以以使得加热所述第一和第二材料形成基本熔融的过共晶合金或基本熔融的亚共晶合金的比例提供所述第一材料和所述第二材料。
根据各方面但不必根据全部方面，本发明的实施方式是提供用于形成物体的装置(设备)，所述装置包括：沉积器，所述沉积器包括具有在第一温度下的熔点的第一材料和具有在第二温度下的熔点的第二材料，所述沉积器被构造成至少沉积所述第一材料和所述第二材料；加热器，所述加热器被构造成在高于所述第一和第二温度下对所述第一和第二材料的至少一部分进行加热，从而形成基本熔融的合金，所述熔融合金具有在第三温度下的凝固点，所述第三温度低于所述第一温度和所述第二温度；且其中所述沉积器被构造成向所述熔融合金的至少一部分提供基本固体的另外的材料，所述另外的材料具有在大于所述第三温度的温度下的熔点。
当向所述熔融合金的至少一部分提供基本固体的另外的材料时，所述基本熔融的合金可具有这样的温度，在高于所述温度下，合金化材料基本上不翘曲。
所述加热器可以被构造成在高于所述另外的材料的熔点的温度下对所述基本固体的另外的材料的至少一部分进行加热。
所述装置还可以包括控制器，所述控制器被构造成控制通过所述装置生产的物体的冷却从而形成包含受控的微结构的凝固物体。所述控制器可被构造成控制冷却从而形成包含单晶的凝固物体。
所述装置还可以包括其他加热器，所述其他加热器被构造成对所述基本熔融的合金进行加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一和第二材料的熔点温度。
所述装置还可以包括检测器和控制器，所述检测器被构造成检测所述熔融合金的温度，所述控制器被构造成使用所检测的温度控制所述熔融合金的加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一和第二材料的熔点温度。
所述装置还可以包括另一加热器，所述另一加热器被构造成在提供所述第一材料之前，将所述第一材料加热至低于所述第一温度的温度和/或在提供所述第二材料之前，将所述第二材料加热至低于所述第二温度的温度和/或将所述另外的材料加热至低于所述另外的材料的熔点温度的温度。
所述沉积器可被构造成以层的形式提供所述第一材料和所述第二材料且可以被构造成以层的形式提供所述另外的材料。所述层可通过未混合材料的依次沉积或混合材料的沉积而形成。
可以以粉末的形式通过所述沉积器来提供所述第一材料、所述第二材料和所述另外的材料。
所述基本固体的另外的材料可以包含所述第一材料和所述第二材料。
可以以形成共晶混合物的比例提供所述第一材料和所述第二材料并且加热所述第一和第二材料可以形成基本熔融的共晶合金。
可以以使得加热所述第一和第二材料形成基本熔融的过共晶合金或基本熔融的亚共晶合金的比例提供所述第一材料和所述第二材料。
根据各方面但不必根据全部方面，本发明的实施方式是提供计算机可读的存储介质，其以如下指令编码：当通过控制器执行时，进行如在前述段落的任一个中所述的方法。
根据各方面但不必根据全部方面，本发明的实施方式是提供计算机程序，所述程序当通过控制器执行时，进行如在前述段落的任一个中所述的方法。
根据各方面但不必根据全部方面，本发明的实施方式是提供用于形成物体的方法，所述方法包括：通过重复地沉积材料并在高于所述材料的熔点的温度下对所述材料的至少一部分进行加热而形成基本熔融的物体；以及控制所述熔融物体的冷却以形成包含受控的微结构的凝固物体。
可以以定向(直接)的方式进行控制冷却(受控冷却)。
所述方法还可以包括以使得所述固化物体或凝固物体的受控微结构遵循晶种的微结构的方式提供与所述基本熔融的物体接触的晶种。所述晶种可以是具有预定微结构的固体物体(固态物体，实心物体)。所述晶种可以是其上附着有材料的平台(platform)。
可以在所述基本熔融的物体的制造期间或者在其制造之后，将所述晶种提供至所述基本熔融的物体。
所述控制冷却可以从所述基本熔融的物体上的单个点开始。所述控制冷却可以确保，所述基本熔融的物体的凝固仅源自(emanates from)所述晶种且所述凝固并不源自不是晶种的点。
所述方法还可以包括以使得固化物体或凝固物体的受控微结构遵循晶种的微结构的方式提供与所述基本熔融的物体接触的多个晶种，且其中所述控制冷却可以从所述基本熔融的物体上的多个点开始。
所述控制冷却可以确保，所述基本熔融的部件的凝固仅源自所述多个晶种且所述凝固并不源自不是晶种的点。
所述熔融物体的控制冷却可以形成包含单晶的凝固物体。
附图说明
为了更好地理解本发明实施方式的各个实施例，现在将参考附图仅通过举例来进行说明，在附图中：
图1示出了根据本发明的各实施方式的装置的示图；
图2示出了根据本发明各实施方式的形成物体的方法的流程图；
图3示出了当使它们合金化时，在不同的材料比例范围内两种不同材料的熔点温度的曲线图。
图4示出了显示差示扫描量热法(DSC)图上的关键点的示意图，所述差示扫描量热法(DSC)图示出了Bi、Zn以及Bi-Zn合金的熔点；
图5示出了根据本发明各实施方式的控制熔融合金的温度的方法的流程图；以及
图6示出了根据本发明各实施方式的形成物体的另一种方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于形成物体的装置10，包括：沉积器20，所述沉积器20包括具有在第一温度下的熔点的第一材料和具有在第二温度下的熔点的第二材料，所述沉积器20被构造成至少沉积所述第一材料和所述第二材料；加热器22，所述加热器被构造成在高于所述第一和第二温度的温度下对所述第一和第二材料的至少一部分进行加热，从而形成基本熔融的合金，所述熔融合金具有在第三温度下的凝固点，所述第三温度低于所述第一温度和所述第二温度；并且其中所述沉积器20被构造成向所述熔融合金的至少一部分提供基本固体的另外的材料，所述另外的材料具有在大于所述第三温度的温度下的熔点。
在以下描述中，词“连接”和“结合(couple)”及其衍生物是指操作性地连接/结合。应理解，可以存在任何数量的中间组件或其组合(包括无中间组件)。
图1示出了根据本发明各实施方式的用于形成物体的装置10的示图。所述装置10包括控制器12、存储器14、支持体16、基底(衬底，基板)18、壁19、沉积器20、第一加热器22、检测器24和第二加热器26。
控制器12的实施可以仅在硬件(例如电路、处理器等)中、在仅包括固件的软件中具有特定方面或者可以为硬件和软件(包括固件)的组合。可以使用如下指令来实施控制器12，所述指令例如通过在通用或专用处理器中，使用可执行的计算机程序指令而使得能够实现硬件功能，所述通用或专用处理器可以存储在将被这种处理器执行的计算机可读的存储介质(硬盘、存储器等)中。
控制器12被构造成从存储器14读取和写入至存储器14。所述控制器还可以包括输出界面和输入界面，通过所述输出界面，通过控制器12将数据和/或命令输出，通过所述输入界面，将数据和/或命令输入到控制器12中。
存储器14可以是任何合适的存储器且可以是例如永久的嵌入式存储器如闪速存储器(闪存)或者其可以是可拆式存储器如硬盘、安全数字(SD)卡或微型驱动器。存储器14存储包括计算机程序指令的计算机程序28，所述计算机程序指令在载入到控制器12中时控制装置10的操作。计算机程序指令28提供逻辑和程序(例程，routines)，所述逻辑和程序使得装置10能够进行图2和图5中所示的方法的至少一些步骤。通过读取存储器14的控制器能够装载并执行计算机程序28。
计算机程序可通过任何合适的传送机构30到达装置10。所述传送机构30可以是例如计算机可读的存储介质、计算机程序产品、存储装置、记录介质如蓝光光盘、CD-ROM、DVD或者使计算机程序28可触知地具体化的制造的任何物体(物品)。所述传送机构可以是被构造成可靠地传输计算机程序28的信号。装置10可以作为计算机数据信号来传播或传送计算机程序28。
尽管将存储器14示出为单一组件(部件)，但是可以以一种或多种单独的部件来实施其，所述组件的一些或全部可以是一体化的/可拆除的和/或可以提供永久存储/半永久存储/动态存储/超高速缓冲存储。
参考“计算机可读的存储介质”，应该将“计算机程序产品”、“使计算机程序可触知地具体化”等或者“控制器”、“计算机”、“处理器”等理解为不仅包括具有不同构造如单/多处理器构造和连续/平行构造的计算机，而且还包括专用电路如现场可编程门阵列(FPGA)、专用电路(ASIC)、信号处理装置和其他装置。参考计算机程序，应该将指令、代码等理解为包括用于可编程的处理器或固件的软件，诸如例如硬件装置的可编程内容，不管是用于处理器的指令还是用于固定功能装置、门阵列或可编程的逻辑装置等的配置设定。
支持体16具有用于支持基底18的基本水平的平坦上表面。所述支持体16可以具有任何合适的形状且可以具有例如基本矩形的横截面和深度。所述支持体16可以包括在相对高温(例如高于700℃)下保持固体的任何合适材料且例如可包含陶瓷。在各实施方式中，支持体16可以被称为处理台。
基底18被支持体16支持且被布置为从沉积器20接收材料。所述基底18可以具有与支持体16类似的形状，且可以具有例如基本矩形的横截面和深度。所述基底18可以包括在相对高温(例如高于700℃)下保持固体的任何合适材料且例如可包含陶瓷。
在各实施方式中，装置10可以不包括基底18。在这些实施方式中，可以通过首先沉积未合金化/接合的多个(n)层，然后将其沉积在层(n+1)上来形成物体，所述装置10开始图2中所示的方法并在以下段落中进行讨论。
壁19绕支持体16的外周的至少一部分布置并且从所述支持体16和基底18垂直延伸。布置所述壁19以防止沉积的材料从所述基底18上掉落。
支持体16通过使所述支持体16能够相对于壁19垂直移动的机构(在图中未示出)而结合至壁19。从以上说明应理解，支持体16、基底18和壁19形成了其中可以形成物体的容器。
沉积器20包括用于存储待沉积的材料的存储构件以及一个或多个用于使存储的材料沉积的孔(apertures)。控制器12可以被构造成控制沉积器20在基底18上的移动，使得沉积器20可以在基底18的至少一部分上沉积材料。在其他实施方式中，沉积器20可以通过装置10的使用者来手动操作。沉积器20还可以被构造成使沉积材料的表面平坦。例如，沉积器可以包括在表面各处散布材料的刀片(blade)。
第一加热器22被构造成为沉积在基底18上的材料提供热。第一加热器22可以是用于在期望的温度之上(例如600℃)加热材料的任何合适的加热器且可以为例如激光器、电子发射器、红外灯或电感加热器。控制器12可以被构造成控制第一加热器22在基底18上的移动，使得对沉积材料的至少一部分进行加热。例如，控制器12可以从存储器14读取数据(例如，计算机辅助设计(CAD)文件)且将所述数据用于控制第一加热器22，使得形成的物体表示CAD文件中的模型。在其他实施方式中，第一加热器22可以通过装置10的使用者来手动操作。
检测器24被构造成检测沉积在基底18上的材料的温度并对用于处理的控制器12提供检测的温度。例如，所述检测器24可以是电子温度计或热电偶或高温计或红外热成像摄像机。在本实施方式中，将检测器24示出为定位在装置10的壁19的一个中。在其他实施方式中，检测器24可以位于其他地方(例如在基底18上，或者在沉积的材料上方)，且在其他实施方式中，装置10可以包括可位于装置10的不同位置(例如在壁19上和在基底18上)的多个检测器24。
第二加热器26被构造成对沉积在基底18上的材料提供热并且还可以对支持体16和/或基底18和/或壁19进行加热。所述第二加热器26可以是用于将沉积在基底18上的材料的温度保持在期望温度下的任何合适的加热器。控制器12被构造成处理从检测器24接收的检测温度并且使用所述检测温度控制第二加热器26。在本实施方式中，将第二加热器26示出为设置在装置10的壁19的一个中。在其他实施方式中，第二加热器26可以位于其他地方(例如在基底18)，且在其他实施方式中，装置10可以包括可位于装置10的不同位置(例如在壁19上和在基底18上)的多个第二加热器26。在各实施方式中，第二加热器26可以通过装置10的使用者来手动操作。所述第二加热器可通过辐射(例如，在沉积的材料上方使用红外线加热器)来提供热。
在各实施方式中，装置10可以不包括第二加热器10。在这些实施方式中，沉积在基底18上的材料可具有相对低的凝固点温度并且可以不需要加热。此外，第一加热器22可以被构造成提供与第二加热器26相同的功能(即，对沉积在基底18上的材料提供热)。例如，第一加热器22可以提供电子束，所述电子束可以快速地扫过沉积材料以保持沉积材料的温度而不使所述材料接合/合金化。可以根据需要利用不同的速度/功率等来对沉积材料进行扫描以将沉积材料接合/合金化。
现在将参考图1、图2、图3和图4对用于形成物体的装置10的操作进行描述。
在处理开始时(步骤32)，对装置10进行设置，使得支持体16靠近壁19的顶部垂直定位。沉积器20在基底18上提供至少第一材料和第二材料且使第一材料和第二材料平坦而与壁19的顶部基本齐平(通过沉积器20将额外的材料从装置10扫除)。如上所述，装置10可以不包括基底18且可以开始反而沉积材料的多个未合金化层，然后在所述多个层上提供第一材料和第二材料。
在本实施方式中，通过沉积器20以粉末的方式提供第一材料且通过沉积器20以粉末的方式提供第二材料。可以将第一材料和第二材料预混合并一起沉积。可替换地，可以依次沉积第一材料和第二材料，使得将第一材料沉积为第一层并在第一层上沉积第二材料以形成第二层。在其他实施方式中，第一和第二材料可以为与粉末不同的形式(例如，块或线状)。
应当理解，在步骤32中可以与第一和第二材料一起沉积任何数目的不同材料。例如，步骤32可以包括沉积第一和第二材料以及另外的第三和第四材料。
参考图3和图4，在以下段落中讨论用于第一和第二材料的材料的选择和这些材料的相对比例。
通常，第一和第二材料为可以以形成凝固点温度低于第一材料的熔点温度和第二材料的熔点温度的合金的比例提供的任何材料。
图3示出了具有横(X)轴42、纵(Y)轴44和迹线46的曲线图，所述横轴42用于作为总合金化材料的百分比的第一材料(曲线图中的标记材料A)和第二材料(图中的标记材料B)的比例，所述纵轴44用于第一和第二材料的温度，所述迹线46表示当以不同比例将第一和第二材料合金化时它们的凝固点。图3基本上是相图，且线46实际上是固相线。线46之上的温度表示基本上为液体的材料，而线46之下的温度不是基本为液体并且可以包括诸如半液体或固体的状态。
迹线46开始于仅对应于第一材料的熔点/凝固点的第一温度。随着沿X轴的位置增大，迹线46具有负梯度，直至在迹线46上形成最低点的特定材料比例(在本实施例中为50％)。然后，随着沿X轴的位置增大，迹线46具有正梯度且终止于仅对应于第二材料的熔点/凝固点的第二温度。
从图3中应理解，在第一和第二材料的特定比例(在本实施例中为50％)下，迹线46具有最低点(即，合金化的第一和第二材料的最低熔点/凝固点)。该最低点通常被称为“共晶点”且材料的这种组合通常被称为共晶合金。共晶点具有低于第一材料的熔点温度和第二材料的熔点温度的熔点/凝固点。
在一个实施方式中，第一材料可以为具有在271℃下的熔点的铋(按重量计全部组合物的97％)，并且第二材料可以为具有在419℃下的熔点的锌(全部组合物的3％)。图4示出了指示在DSC图上的关键点的示意图，所述DSC图为这两种材料以及它们因在419℃之上进行加热而随后形成的共晶合金的DSC图。所述示意图包括用于温度的横(X)轴和用于热流的纵(Y)轴。所述曲线图示出了，在加热时，铋在271℃下熔化且锌在419℃下熔化。然而，在冷却时，共晶的铋-锌合金在253℃下发生凝固。
在另一个实施方式中，第一材料可以为具有660℃的熔点的铝(所述组合物的32.3％)，并且第二材料可以为具有649℃的熔点的镁(所述组合物的67.7％)。在660℃之上加热时，铝和镁形成凝固点温度为437℃的共晶铝-镁合金。
从图3中还应理解，存在其中合金化的第一和第二材料的凝固点温度低于第一材料的熔点温度和第二材料的熔点温度的第一和第二材料的比例范围。根据与特定的共晶合金组合物相比，组合物中的每种材料是多还是少，通常将第一和第二材料的这些组合物称为过共晶或亚共晶。在这些实施方式中，应当理解，合金化的第一和第二材料的凝固点温度是所形成合金的固相线。
例如，铝(组合物的65％)和镁(组合物的35％)的合金形成熔点为451℃的亚共晶合金。应理解，该亚共晶合金的凝固点温度低于铝和镁两者的熔点温度。
因此，第一材料和第二材料可以是以形成凝固点温度低于第一材料的熔点温度和第二材料的熔点温度的合金的比例提供的任何材料。
回到图2，在步骤34时，控制器12控制第一加热器22以对沉积在基底18上的第一和第二材料的至少一部分提供热。第一加热器22在第一和第二材料各自的熔点温度之上对它们进行加热，使得它们熔化并形成熔融合金。如上文所详细描述的，所述合金具有低于第一材料和第二材料的熔点温度的凝固点温度。
当步骤32包括提供另外的不同材料(例如第三材料、第四材料等)时，应理解，所述另外的不同材料的至少一些可以具有低于合金化的第一和第二材料的凝固点温度的熔点温度。例如，第一材料可以为铝，第二材料可以为镁，且在步骤32中提供的第三材料可以为锂。锂具有180℃的熔点温度，其低于形成的铝、镁、锂合金的最低凝固点温度(约450℃，取决于材料的比例)。本发明人认为，这会将锂符合逻辑地熔化，但是当以非常小的比率提供锂时，这可仍然使得制备部件并从未通过加热器22合金化的周围材料中释放。
还应理解，在步骤32中提供的所述另外的不同材料的至少一些可以具有相对高的熔点温度且当在步骤34中提供热时可以不熔化。
在步骤36时，控制器12控制沉积器20以在基底18上提供基本固体的另外的材料并由此将其提供至熔融合金的至少一部分。支持体16也垂直向下移动，使得所述基本固体的另外的材料与装置10的壁19齐平。所述另外的材料具有大于熔融合金的凝固点温度的熔点温度。因此，当沉积在基本熔融的合金上时所述基本固体的另外的材料仍然为固体。
当对基本熔融的合金提供另外的材料时，应理解，所述基本熔融的合金可以为液体、半液体、部分熔融或部分凝固的(例如熔融合金的顶面可以形成凝固膜)。在各实施方式中，合金化的材料应不冷却至如下温度，在低于所述温度时，热诱导的应力会造成充分的翘曲而导致物体不合格(例如，使合金化材料显著/破裂地卷起)。因此，所述基本熔融的合金应保持在其可能显著/破裂地翘曲的温度之上。
在被沉积在熔融合金上之前，可以将所述另外的材料加热至小于所述另外的材料的熔点温度的温度。这可以提供以下优势：向熔融合金添加所述另外的材料可以基本上不冷却所述熔融合金。
所述另外的材料可包含第一材料和/或第二材料且可以为粉末。在其他实施方式中，所述基本固体的另外的材料可以包含与第一和第二材料不同的一种材料/多种材料且可以为与粉末不同的形式(例如，块或线状)。在各实施方式中，步骤36可以包括提供与所述另外的材料不同的另外的一种或多种材料。在步骤36包括提供多于一种材料的情况下，可以将沉积的材料预混合并以层的方式提供或者可以依次提供。所述另外的一种或多种材料可以具有低于所述熔融合金的凝固点温度的熔点温度。所述另外的一种或多种材料可以具有相对高的熔点温度且在物体的形成期间可以保持固体。
在步骤38时，控制器12控制第一加热器22以对所述基本固体的另外的材料的至少一部分提供热。所述第一加热器22在高于所述另外的材料的熔点温度对所述基本固体的另外的材料进行加热，从而使所述另外的材料熔化。如果将熔融的另外的材料布置在于步骤34中形成的熔融合金的顶部上，则所述熔融的另外的材料与所述熔融合金接合。
然后，重复步骤36和38，直至从受热的材料形成期望的物体。应理解，可以通过对材料的各连续层的不同区域进行加热和熔化来形成具有相对复杂三维形状的物体而不需要锚。如图1中所示，步骤32至38可以在基底18上形成粉末状材料的多个层52(通常称为粉末层)和物体54。未被加热和熔化的包围物体54的材料保持为粉末。一旦通过第一加热器22将物体的所有层合金化，则在所述一个或多个部件的冷却和完全凝固之前将多个层沉积在所述一个或多个部件的顶部上可以是有利的。
装置10可另外包括用于将物体54冷却并凝固的冷却器(例如风扇)。一旦冷却并凝固，则可以将物体54从基底18除去(如果附着至基底18)且可以将在所述多个层52中的残留材料丢弃或者保存以用于形成另外的物体。在其他实施方式中，物体54可以在步骤32至38期间至少部分凝固且一旦沉积了材料的最终层，则可不需要冷却。
在本发明的各实施方式中且如图5中所示，控制器12可以从检测器24接收在步骤32、34、36和38期间的熔融合金的检测温度(步骤56)。所述控制器可以从未熔融的材料接收检测温度。然后，所述控制器12可以控制第二加热器26以对熔融合金提供热，从而将熔融合金的温度保持在高于熔融合金的凝固点温度，但是小于所述另外的材料的熔融点温度下(步骤58)。可以重复步骤56和58，直至形成物体54并准备将其冷却。
控制器12可以控制第二加热器26和冷却器，使得在从物体的一端到另一端(例如，从顶部到底部)的控制方向上将熔融物体54定向(直接)冷却并凝固。定向(直接)冷却使得能够控制凝固/重结晶正面，使得能够控制晶粒结构的形成，且控制晶粒结构可使得能够形成期望的晶粒结构(例如单晶结构)。因此，这种定向(直接)冷却形式可使得装置10能够形成包含单晶的物体54(步骤40)。所述一个或多个部件的控制冷却还可以使得形成不是单晶的其他结构。单晶金属的形成在冶金领域中是已知的并且因此在此不再更详细地进行描述。
图6示出了根据本发明各实施方式的用于形成物体的另一种方法的流程图。图6中所示的方法与图2中所示的方法类似且在步骤类似的情况下，使用相同的附图标记。图6中所示的方法提供了如何可以形成具有期望晶粒结构的物体的示例性实施方式。
图6中所示的方法与图2中所示的方法的不同之处在于，所述方法还包括以使得固化物体或凝固物体的受控微结构遵循晶种的微结构的方式提供与所述基本熔融的物体接触的晶种。所述晶种是具有预定/已知微结构的固体物体且可以具有任何合适的形状。
可以在步骤32之前，在步骤60中提供晶种并因此提供其上附着有材料的平台(platform)。可替换地，可以在基本熔融的物体的制造期间(步骤62，在步骤34与36之间或者在步骤36与38之间)或者在基本熔融的物体的制造之后(步骤64，在步骤38与40之间)向所述基本熔融的物体提供晶种。
当提供单一晶种时，控制冷却从所述基本熔融的物体上的单个点开始。所述控制冷却确保了，所述基本熔融的物体的凝固仅源自所述晶种并且所述凝固并不源自不是晶种的点。
当提供多个与基本熔融的物体接触的晶种时，所述固化物体或凝固物体的受控微结构遵循所述晶种的微结构。在本实施方式中，所述控制冷却从所述基本熔融的物体上的多个点开始。再次，所述控制冷却确保了，所述基本熔融的部件的凝固仅源自所述多个晶种且所述凝固并不源自不是晶种的点。
本发明的实施方式提供了几个优势。一个这样的优势是，因为熔融合金具有较低的熔点温度，所以延迟了物体54的凝固且可以在物体/部分完成的物体凝固之前沉积大量厚度的材料。这可以在凝固时帮助降低材料的翘曲并获得与CAD文件中的模型更加相似的成形物体。检测器24和第二加热器26的操作可帮助将物体保持为熔融形式，直至完成物体。
由于降低了材料的翘曲，所以在模型中可以不必包括锚结构以将物体的悬垂部分强制固定在适当的位置。因此，本发明的实施方式可降低随后的后处理操作如对物体进行加工以除去这种支持结构。
图2、图5和图6中所示的块(blocks)可表示方法中的步骤和/或计算机程序28中的代码部分。对块的特定顺序的说明不是必须指对于所述块存在必需的或优选的顺序，且可以改变所述块的排列。此外，可以省略一些步骤。
尽管已经参考各实施例在前述段落中对本发明的实施方式进行了描述，但是应理解，在不背离如所要求的本发明的范围的情况下，可以对给定的实施例进行修改。例如，可以在图2的步骤32和36中提供多于两种材料以形成共晶/过共晶/亚共晶合金。
所述第一材料可以是元素(例如铝)或合金。所述第一材料可以是纯的或者可以包含杂质。所述第二材料可以是元素(例如镁)或合金。所述第二材料可以是纯的或者可以包含杂质。所述另外的材料可以是元素(例如镁)、材料(例如铝粉末和镁粉末)的组合或合金。所述第二材料可以是纯的或者可以包含杂质。所述第一材料、第二材料和所述另外的材料可包含金属、聚合物、陶瓷和/或有机组分。
在本发明的各实施方式中，装置10可通过重复沉积材料并在高于所述材料的熔点下对所述材料的至少一部分进行加热而形成基本熔融的物体。所述材料可包含任何金属材料且可不必包含共晶合金、过共晶合金或亚共晶合金。所述装置10可被构造成控制熔融物体的冷却(例如，通过使用冷却器如风扇和如上所述的其他加热器)以形成包含期望晶粒结构(例如，单晶)的凝固物体。如在上述段落中所描述的，所述凝固物体可以由一个或多个晶种形成。
除了明确描述的组合之外，还可以组合使用在前述说明中描述的特征。
尽管已经参考特定特征对功能进行了描述，但是可以通过描述或未描述的其他特征来实施这些功能。
尽管已经参考特定实施方式对特征进行了描述，但是不管是否进行了描述，在其他实施方式中也可以存在这些特征。
尽管在上述描述中努力关注了认为具有特殊重要性的本发明的那些特征，但是应理解，申请人要求保护在上文中提及的和/或在图中示出的任何可取得专利的特征或特征的组合，不管是否对它们进行了特殊强调。

Claims (44)

1.一种用于形成物体的方法，包括：
至少提供具有在第一温度下的熔点的第一材料和具有在第二温度下的熔点的第二材料；
在高于所述第一温度和第二温度下对所述第一材料和第二材料的至少一部分进行加热，从而形成基本熔融的合金，所述熔融合金具有在第三温度下的凝固点，所述第三温度低于所述第一温度和所述第二温度；
向所述熔融合金的至少一部分提供基本为固体的另外的材料，所述另外的材料具有在大于所述第三温度的温度下的熔点；以及
在高于所述另外的材料的熔点的温度下对所述基本为固体的另外的材料的至少一部分进行加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当向所述熔融合金的至少一部分提供所述基本为固体的另外的材料时，所述基本熔融的合金具有以下温度，在高于所述温度下，合金化材料基本上不翘曲。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括重复提供另外的材料和加热所述另外的材料以形成物体的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述物体是基本熔融的并且所述方法还包括控制所述物体的冷却以形成包括受控的微结构的凝固物体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，控制所述物体的冷却形成包括单晶的凝固物体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括控制所述基本熔融的合金的加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一材料和第二材料的熔点的温度。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括检测所述熔融合金的温度并使用所检测的温度控制所述熔融合金的加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一材料和第二材料的熔点的温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在提供所述第一材料之前，将所述第一材料加热至低于所述第一温度的温度和/或在提供所述第二材料之前，将所述第二材料加热至低于所述第二温度的温度和/或将所述另外的材料加热至低于所述另外的材料的熔点温度的温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以层的形式提供所述第一材料和所述第二材料并且以层的形式提供所述另外的材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述层通过未混合材料的依次沉积和/或混合材料的沉积而形成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以粉末的形式提供所述第一材料、所述第二材料和所述另外的材料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基本为固体的另外的材料至少包含所述第一材料和所述第二材料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以形成共晶混合物的比例提供所述第一材料和所述第二材料，并且加热所述第一材料和第二材料形成基本熔融的共晶合金。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，以使得加热所述第一材料和第二材料形成基本熔融的过共晶合金或基本熔融的亚共晶合金的比例提供所述第一材料和所述第二材料。
15.一种基本上如参考附图在上文中所描述的和/或如在附图中所示出的方法。
16.一种用于形成物体的装置，包括：
沉积器，所述沉积器包括具有在第一温度下的熔点的第一材料和具有在第二温度下的熔点的第二材料，所述沉积器被构造成至少沉积所述第一材料和所述第二材料；
加热器，所述加热器被构造成在高于所述第一温度和第二温度下对所述第一材料和第二材料的至少一部分进行加热，从而形成基本熔融的合金，所述熔融合金具有在第三温度下的凝固点，所述第三温度低于所述第一温度和所述第二温度；并且
其中，所述沉积器被构造成向所述熔融合金的至少一部分提供基本为固体的另外的材料，所述另外的材料具有在大于所述第三温度的温度下的熔点。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，当向所述熔融合金的至少一部分提供所述基本为固体的另外的材料时，所述基本熔融的合金具有以下温度，在高于所述温度下，合金化材料基本上不翘曲。
18.根据权利要求16或17所述的装置，其中，所述加热器被构造成在高于所述另外的材料的熔点的温度下对所述基本为固体的另外的材料的至少一部分进行加热。
19.根据权利要求16、17或18所述的装置，还包括控制器，所述控制器被构造成控制通过所述装置生产的物体的冷却从而形成包括受控的微结构的凝固物体。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述控制器被构造成控制冷却从而形成包含单晶的凝固物体。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的装置，还包括其他加热器，所述其他加热器被构造成对所述基本熔融的合金进行加热从而将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一材料和第二材料的熔点的温度。
22.根据权利要求21所述的装置，还包括检测器和控制器，所述检测器被构造成检测所述熔融合金的温度，所述控制器被构造成使用所检测的温度控制所述熔融合金的加热以将所述熔融合金的温度保持在高于所述第三温度并且低于所述第一材料和第二材料的熔点的温度。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的装置，还包括另一加热器，所述另一加热器被构造成在提供所述第一材料之前，将所述第一材料加热至低于所述第一温度的温度和/或在提供所述第二材料之前，将所述第二材料加热至低于所述第二温度的温度和/或将所述另外的材料加热至低于所述另外的材料的熔点温度的温度。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的装置，其中，所述沉积器被构造成以层的形式提供所述第一材料和所述第二材料并且以层的形式提供所述另外的材料。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述层通过未混合材料的依次沉积或混合材料的沉积而形成。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的装置，其中，以粉末的形式通过所述沉积器来提供所述第一材料、所述第二材料和所述另外的材料。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的装置，其中，所述基本为固体的另外的材料包含所述第一材料和所述第二材料。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的装置，其中，以形成共晶混合物的比例提供所述第一材料和所述第二材料并且加热所述第一材料和第二材料形成基本熔融的共晶合金。
29.根据权利要求16至28中任一项所述的装置，其中，以使得加热所述第一材料和第二材料形成基本熔融的过共晶合金或基本熔融的亚共晶合金的比例提供所述第一材料和所述第二材料。
30.基本上如参考附图在上文中所描述的和/或如在附图中所示出的装置。
31.一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质以下述指令编码：当通过控制器执行时，进行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
32.一种计算机程序，当通过控制器执行时，所述计算机程序进行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
33.一种用于形成物体的方法，包括：
通过重复地沉积材料并在高于所述材料的熔点下对所述材料的至少一部分进行加热来形成基本熔融的物体；以及
控制所述熔融物体的冷却以形成包括受控的微结构的凝固物体。
34.根据权利要求33中任一项所述的方法，其中，所述控制冷却以定向方式进行。
35.根据权利要求33或34所述的方法，还包括提供与所述基本熔融的物体接触的晶种，使得固化物体或凝固物体的受控微结构遵循所述晶种的微结构。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述晶种是具有预定微结构的固体物体。
37.根据权利要求35或36所述的方法，其中，所述晶种是其上附着有所述材料的平台。
38.根据权利要求35或36所述的方法，其中，在所述基本熔融的物体的制造期间或者制造之后，将所述晶种提供给所述基本熔融的物体。
39.根据权利要求33至38中任一项所述的方法，其中，所述控制冷却从所述基本熔融的物体上的单个点开始。
40.根据权利要求35至39中任一项所述的方法，其中，所述控制冷却确保了，所述基本熔融的物体的凝固仅源自所述晶种且凝固并不源自不是晶种的点。
41.根据权利要求33或34所述的方法，还包括提供与所述基本熔融的物体接触的多个晶种，使得固化物体或凝固物体的受控微结构遵循所述晶种的微结构，并且其中所述控制冷却从所述基本熔融的物体上的多个点开始。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述控制冷却确保了，所述基本熔融的部件的凝固仅源自所述多个晶种且凝固并不源自不是晶种的点。
43.根据权利要求33至42中任一项所述的方法，其中，控制所述熔融物体的冷却形成包含单晶的凝固物体。
44.包括所公开的新颖主题的任何新颖主题或组合，不管是否在与前述权利要求相同的发明的范围内或者涉及与前述权利要求相同的发明。
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