CN103056365A - 大零件建造体的添加制造管理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大零件建造体的添加制造管理。具体地，一种添加制造机器包括基板，所述基板用于支持期望零件几何形状的制造。所述基板包括支持部分和开放区域，所述支持部分基于所述期望零件几何形状而被限定，所述开放区域包括多个开口，围绕所述支持部分。材料施用器将材料沉积到所述基板上并且能量引导装置引导能量以将沉积材料形成为期望的零件几何形状。通过限定围绕期望零件几何形状的周边的界限并且沿着所限定的界限和所述期望零件几何形状来形成保持壁以将多余材料保持在所形成的壁和所述零件之间，所述添加制造机器管理制造所述零件所需的大量材料。保持壁外侧的多余材料穿过开放区域落到基板下面并且被回收以便再次使用。

Description

大零件建造体的添加制造管理
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年10月21日提交的美国临时申请No. 61/549,868的优先权。
技术领域
本公开一般地涉及用于添加制造机器和过程的激光器构造。更具体地，本公开涉及用于在添加制造组件内的创建期间释放零件内的应力的构造。
背景技术
典型的制造方法包括各种从起始坯料去除材料以形成期望的完成零件形状的方法。通过从起始材料削减材料，此类方法采用切削工具来去除材料以形成孔、表面、总体形状等等。此类削减制造方法在完成零件的最终形状上给予了物理限制。添加制造方法通过一次添加一层来形成期望零件形状，因此提供了在采用传统削减制造方法构造的零件中不可行的零件形状和几何结构的成型。
添加制造采用了诸如激光束的热源来熔化粉末金属层以一层一层地形成期望的零件构造。激光器在粉末金属中形成了熔融池，该熔融池会固化。然后，另一层粉末材料被铺展在以前固化的零件上并且被熔化到以前熔化的层以一层一层地建造期望的零件几何结构。所施用的但未熔化成零件的一部分的粉末材料在零件的周围和内部聚集。对于较小的零件，多余的粉末材料并不显著。然而，随着能力的提高并且制造较大的零件，多余的粉末金属可能在零件制造能力和经济可行性两方面都变成重要的考虑因素。
发明内容
根据本公开的示例性实施例的一种添加制造过程包括如下步骤：限定围绕期望零件几何形状的周边的界限；将材料沉积到基板上；以及将能量引导到沉积材料的部分以便沿着所限定的界限和所述期望零件几何形状来形成保持壁。
在前述添加制造过程的进一步实施例中，沉积材料被保持在所述保持壁和所述零件的周边之间。
在前述添加制造过程中任一个的进一步实施例中，所述保持壁外侧的沉积材料被从工作空间移除。
在前述添加制造过程中任一个的进一步实施例中，包括回收所移除的沉积材料并且将所回收的材料沉积到所述零件和所述保持壁的至少一个上。
在前述添加制造过程中任一个的进一步实施例中，包括与所述零件一致地建造所述保持壁，使得所述保持壁的顶层和所述零件的顶层基本在公共平面内。
前述添加制造过程中任一个的进一步实施例，包括将所述零件和所述保持壁的至少一个加热到高于环境温度且低于熔化沉积材料所需温度的期望温度。
前述添加制造过程中任一个的进一步实施例，包括用散焦激光来加热所述保持壁。
前述添加制造过程中任一个的进一步实施例，包括用所述散焦激光来加热所述零件。
前述添加制造过程中任一个的进一步实施例，包括用加热元件来加热所述零件和所述保持壁的至少一个，所述加热元件被支撑成邻近所述保持壁。
前述添加制造过程中任一个的进一步实施例，包括用被发射穿过所述基板的热量来加热所述零件和所述保持壁的至少一个。
前述添加制造过程中任一个的进一步实施例，包括将所述基板切割成包括支撑部分和网格部分，所述支撑部分用于支撑所述保持壁和所述零件，所述网格部分用于排空多余的沉积材料。
根据本公开的示例性实施例的一种添加制造机器除了其他可能的特征外还包括：基板，所述基板用于支持期望零件几何形状的制造，其中，所述基板包括基于所述期望零件几何形状而被限定的支持部分和围绕所述支持部分的开放区域，所述开放区域包括多个开口；材料施用器，所述材料施用器用于将材料沉积到所述基板上；和能量引导装置，所述能量引导装置用于形成沉积材料的一部分。
在前述添加制造机器的进一步实施例中，所述开放区域包括开放到所述基板下面的空间的网格。
在前述添加制造机器中任一个的进一步实施例中，所述支持部分被成形为对应于所述期望零件几何形状的外周边和与所述期望零件几何形状的外周边间隔开的保持壁。
在前述添加制造机器中任一个的进一步实施例中，包括至少一个第二能量引导装置，所述至少一个第二能量引导装置发射散焦激光束以便加热所述零件和所述保持壁的至少一个的部分。
在前述添加制造机器中任一个的进一步实施例中，包括由壁限定的工作空间，所述壁包括用于调节所述工作空间内的温度的加热元件。
在前述添加制造机器中任一个的进一步实施例中，包括板包括用于在制造期间加热零件的加热元件。
在前述添加制造机器中任一个的进一步实施例中，所述再循环系统用于收集流动穿过所述基板的开放区域的多余材料。
尽管不同的示例在图示中示出了特定的部件，但是本发明的实施例并不限于那些特定组合。也可以使用来自这些示例之一的部件或特征中的一些以及来自这些示例中的另一个的特征或部件的组合。
通过以下说明书和附图可以最好地理解本文公开的这些及其它特征，其下面是简要说明。
附图说明
图1是示例性添加制造机器的示意图。
图2是用于该示例性添加制造机器的基板的示意图。
图3是该示例性添加制造机器的示意图，其包括材料回收系统。
具体实施方式
参照图1，添加制造机器10包括工作空间12，工作空间12支撑能量发射装置18和基板14，在制造期间，零件40被支撑在基板14上。在该示例中，能量发射装置18发射激光束20，激光束20使由材料施用器28沉积的材料30熔化。示例性的材料30是金属粉末，其在基板14上被施用而形成层，并且后续的层被施用以产生零件40的期望构造。激光束20引导能量，该能量将粉末材料熔化成形成期望零件尺寸的构造。
添加制造过程采用材料30，该材料30被施用而形成基板14的顶部上的多个层。所述层的选择性部分后续地被发射自激光束20的能量熔化。聚焦在零件40的顶层上的能量产生期望的热量以熔化粉末金属的一些部分。穿过零件的固化部分的热传导以及与周围环境的对流冷却使熔化部分固化以建造和生长零件40。熔化和固化过程一层一层地重复进行以建造零件40。
未被使用或熔化来形成零件40的粉末30沿着基板14并且围绕零件40聚集。在以前的添加制造系统中，多余材料的量并不显著。大尺寸的零件40的制造在工作空间12中聚集了显著量的多余的未使用材料，从而在经济和零件构造两方面都变成重要的考虑因素。
在所公开的示例性添加制造机器10中，基板14包括支撑部分34，支撑部分34支撑零件40和保持壁42。开放区域36围绕支撑部分34，材料30可穿过开放区域36落入基板14下面的空间中。
示例性的开放区域36包括多个通孔56。在该示例中，通孔56可以是被钻出的，被水射流切割器切割的，或者通过任何其他已知工艺形成的。孔56的数量和尺寸例如提供给支撑部分34足够的结构，具有足够刚性，而同时还允许粉末材料穿过基板14。而且，还可采用任何能够提供足够孔隙率以允许金属粉末从中穿过的方法或构造来制造基板14的开放区域36。
在零件40的制造期间，与零件40的外周边和几何形状一同制造保持壁42。保持壁42由与零件40相同的粉末材料形成并且被激光束20熔化。如箭头32所示，光束20扫过零件40和保持壁42。保持壁42被设置成在零件40和每个保持壁42的内周边之间维持间隙54，间隙54被填充有粉末材料30。壁42具有厚度52，厚度52被确定成提供为了保持零件40和保持壁42之间的松散材料所需的强度。在该示例中，保持壁约为0.25英寸（6.35 mm）厚，并且零件40和保持壁42之间的间隙54离开零件40的最外周边约0.5英寸（12.7 mm）。如应当理解的，不同厚度的以及与零件40的周边隔开不同距离的保持壁也在本公开的构想之中。
基板14包括支撑部分34，支撑部分34被切成对应于零件40的外周边的形状。开放部分36包括多个开口56以允许材料30从中落下。
参照图2并继续参照图1，示例性的支撑板14包括围绕支撑部分34的开放部分36。支撑部分34被设置成对应于期望零件构造的形状。保持壁42与零件40的外周边间隔开。宽度54限定了保持壁42和零件40之间的空间，粉末材料在该空间中聚集。
壁52的宽度被设置成保持为了支撑该壁以及零件和壁自身之间聚集的材料所需的强度。在该示例中，壁42具有均匀宽度52。然而，壁可以是渐缩的，使得宽度52可变化。此类渐缩的保持壁42可包括较宽的基部，其随着保持壁42和零件40在高度上生长而变薄。
零件40的制造在材料30施用在相继的各层上的情况下继续。零件40和保持壁42二者被保持在低于材料熔化温度且高于室温的温度，以促进零件40的部分的熔化和固化。而且，保持零件40的升高的温度能够帮助降低制造过程期间的应力累积。因此，所公开的添加制造机器10包括用于在制造期间将零件40和保持壁42二者加热到期望温度的特征。
再次参照图1，室12包括加热元件46，加热元件46被布置在壁16内，围绕工作空间12。加热元件46产生辐射热，其将整个工作空间12保持在期望温度。
所公开的添加制造机器10中还包括第二能量发射装置22和26。第二能量发射装置22的每一个包括了产生散焦激光的激光束产生装置，该散焦激光发射能量到保持壁42的外表面，如光束区24a所示。第二能量引导装置22还可将能量引导到零件40和保持壁42二者的顶表面上，如光束区24b所示。散焦激光在不熔化材料或干预零件40的制造的情况下提供了保持壁42内的零件40的加热和温度保持，零件40的制造由主能量发射装置18进行。这些特征的每一个均由控制器38控制，控制器38控制加热元件46以及能量发射装置18、22和26的操作。
示例性的添加制造机器10还包括加热器48，其在支撑部分34内提供加热流50。在制造期间，加热流50将支撑部分34保持在期望温度以帮助保持零件40的温度。加热流50将热量从底部向上传导穿过零件40，以保持制造所期望的温度。
采用所公开的示例性添加制造机器10的制造过程包括步骤：通过产生与期望零件几何形状的外周边对应的轮廓来限定支撑部分34。支撑部分34的对应尺寸还构造成容纳缓冲区以支撑将与零件40一同被制造的保持壁42。
一旦限定了示例性支撑部分34，则将其组装到添加制造机器10中并且可以开始制造。通过用施用器28将材料30散布到支撑部分34上来开始制造。能量发射装置18将激光束20发射到支撑部分34上以选择性地熔化材料30和/或零件40和/或支撑部分34。在冷却时，被熔化的材料、零件和/或支撑部分一体地熔融和/或固化。保持壁42和零件40被同时且彼此一致地制造。落在保持壁42和零件40之间的材料30在该区域中依然是松散的。保持壁42和零件40被加热到为了提供特定 的期望制造参数所需的温度。该温度将材料保持在加热条件以减小激光束20所进行的加热和冷却过程的效果。激光束20沿着由控制器38命令的箭头32所指示的方向扫过，以提供期望的零件几何形状。而且，控制器38还包括指令以限定零件40周围的保持壁42。
参照图3，示出了后续制造阶段期间的示例性添加制造机器10与零件40和保持壁42，其中，保持壁42和零件40二者具有较大的高度。随着保持壁42和零件40的尺寸增大，用于提供零件40的加热和温度保持的装置变得更加重要。在所公开的实施例中，外保持壁42的加热提供了穿过布置在间隙54中的松散材料44的热量传导，使得零件40被保持在期望温度。
在所公开的实施例中，该过程继续，同时制造围绕零件40的保持壁42以及零件40。多余材料30落在保持壁42和零件40之间并且被保持在保持壁42和零件40之间。落在保持壁42外侧的材料穿过开放区域36落下并且被捕捉装置60收集。捕捉装置60还包括返回线路62，使得穿过开放区域36被回收的材料能够被利用并且被发送回到施用器28，用于零件40和保持壁42的进一步使用和制造。一旦完成了零件40，则根据已知方法将零件40与保持壁42一起从支撑部分34移除。
所公开的示例性添加制造机器包括这样的特征，其用于在制造期间保持零件完整性而同时在制造过程期间管理被使用的且流动通过工作空间12的大量材料30。而且，该示例性添加制造系统包括这样的特征，其用于回收穿过开放区域36落入捕捉器60中的未使用粉末材料。捕捉器60是回收系统的一部分，该回收系统回收未使用的粉末材料以便用于后续操作，或者在所公开的实施例中用于零件的当前操作和制造。替代地，捕捉器60可与返回线路62一起使用，其立即通过施用器28来再次使用该材料。
尽管已公开了示例性实施例，但本领域普通技术人员会认识到在本公开的范围内可进行一定修改。为此，应研究所附权利要求以确定本发明的范围和内容。

Claims (18)

1.一种添加制造过程，包括：
限定围绕期望零件几何形状的周边的界限；
将材料沉积到基板上；
将能量引导到沉积材料的部分以便沿着所限定的界限和所述期望零件几何形状来形成保持壁。
2.如权利要求1所述的添加制造过程，包括将沉积材料保持在所述保持壁和所述零件的周边之间。
3.如权利要求1所述的添加制造过程，包括从工作空间移除被布置在所述保持壁外侧的沉积材料。
4.如权利要求3所述的添加制造过程，包括回收所移除的沉积材料并且将所回收的材料沉积到所述零件和所述保持壁的至少一个上。
5.如权利要求1所述的添加制造过程，包括与所述零件一致地建造所述保持壁，使得所述保持壁的顶层和所述零件的顶层基本在公共平面内。
6.如权利要求1所述的添加制造过程，包括将所述零件和所述保持壁的至少一个加热到高于环境温度且低于熔化沉积材料所需温度的期望温度。
7.如权利要求6所述的添加制造过程，包括用散焦激光来加热所述保持壁。
8.如权利要求7所述的添加制造过程，包括用所述散焦激光来加热所述零件。
9.如权利要求8所述的添加制造过程，包括用加热元件来加热所述零件和所述保持壁的至少一个，所述加热元件被支撑成邻近所述保持壁。
10.如权利要求7所述的添加制造过程，包括用被发射穿过所述基板的热量来加热所述零件和所述保持壁的至少一个。
11.如权利要求2所述的添加制造过程，包括将所述基板切割成包括支撑部分和网格部分，所述支撑部分用于支撑所述保持壁和所述零件，所述网格部分用于排空多余的沉积材料。
12.一种添加制造机器，包括：
基板，所述基板用于支持期望零件几何形状的制造，其中，所述基板包括基于所述期望零件几何形状而被限定的支持部分和围绕所述支持部分的开放区域，所述开放区域包括多个开口；
材料施用器，所述材料施用器用于将材料沉积到所述基板上；和
能量引导装置，所述能量引导装置用于形成沉积材料的一部分。
13.如权利要求12所述的添加制造机器，其中，所述开放区域包括开放到所述基板下面的空间的网格。
14.如权利要求12所述的添加制造机器，其中，所述支持部分被成形为对应于所述期望零件几何形状的外周边和与所述期望零件几何形状的外周边间隔开的保持壁。
15.如权利要求14所述的添加制造机器，包括至少一个第二能量引导装置，所述至少一个第二能量引导装置发射散焦激光束以便加热所述零件和所述保持壁的至少一个的部分。
16.如权利要求14所述的添加制造机器，包括由壁限定的工作空间，所述壁包括用于调节所述工作空间内的温度的加热元件。
17.如权利要求12所述的添加制造机器，其中，所述板包括用于在制造期间加热零件的加热元件。
18.如权利要求12所述的添加制造机器，包括再循环系统，所述再循环系统用于收集流动穿过所述基板的开放区域的多余材料。
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