CN106457385A - 使用静电粉末沉积的选择性激光处理的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括：将粉末(10)静电粘附至基底(12)的表面(30)，其中，粉末包括包含介电助熔剂(16)的颗粒(14)；以及指引能量束(70)扫过粉末以选择性地使粉末熔融，以在上覆熔渣下形成合金图案(72)。

Description

使用静电粉末沉积的选择性激光处理的方法

技术领域

本发明涉及包含介电助熔剂的静电沉积粉末的选择性激光处理。

背景技术

增材制造通常开始于将要制造的对象的三维表示切成非常薄的层，从而创建每层的二维图像。为了形成每一层，流行的激光增材制造技术，比如选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)，涉及在水平面上机械预置精确厚度的金属粉末薄层。在放置粉末之后，使用擦拭器对该层进行刮平，然后根据用于相应层的固体材料的二维图案指引能量束(比如激光)扫过粉末层。在完成对相应层的指引操作之后，沉积材料的水平面降低并且重复该处理直到完成三维部件为止。为了保护细金属颗粒的薄层免受污染物和湿气吸收的影响，在惰性气体如氩气或氮气的气氛下执行操作。这些处理的局限在于：它们需要必须被竖直调节的平坦的水平表面、它们限于二维激光处理、它们需要机械可调节的擦拭器(其擦拭移动限制了如何构建部件)以及它们需要惰性气氛。因此，本领域仍有改进的空间。

附图说明

在下面的描述中根据附图说明本发明，附图示出：

图1是在基底上静电沉积粉末的处理的示意图；

图2是由介电助熔剂和合金组成的颗粒的示意图；

图3是在图1的处理期间指引能量束扫过沉积在基底上的粉末的处理的示意图；

图4是在图1的处理期间指引能量束扫过沉积在基底上的粉末的处理的示意图。

具体实施方式

本发明人设想了一种用于在增材制造工艺如选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)中对粉末进行选择性激光处理的改进方法。具体地，发明人提出形成充分绝缘以保持静电电荷的颗粒。然后将由该颗粒组成的粉末静电粘附至基底。颗粒可以仅由助熔剂材料组成，或者由助熔剂材料和合金组成。然后选择性地指引能量束(比如作为例子的激光)扫过粉末以形成部分熔融或完全熔融的合金(即，被处理的合金)的图案。在颗粒仅包括助熔剂的情况下，被处理的合金(图案)是可能正在修复的基底再熔融部分。在颗粒包括助熔剂和合金的情况下，被处理的合金包括颗粒中的合金。

当通过增材制造工艺构建部件时，图案可以是三维对象的二维切片，如在常规工艺中的情况。替选地并且有利地，图案可以是三维对象的三维局部。这是可能的，因为与现有技术不同，静电电荷将粉末粘附至基底，而不管基底表面的取向。覆盖在被处理的合金图案上方的是熔渣的匹配图案，该熔渣的匹配图案由在熔融过程期间保护被处理的合金图案免受气氛影响的介电助熔剂形成。

在完成相应的指引操作之后，除去上覆的熔渣图案，将新的粉末层静电粘附至基底和前一个被处理的合金图案，并且开始另一能量束指引操作。重复该处理，直到完成三维对象为止。粉末对基底表面的静电粘附有效地消除了重力对粉末的影响。因此，处理不限于水平表面，而是可以发生在实际上处于任何取向的表面上。此外，由于介电助熔剂和所产生的熔渣还保护被处理的合金免受环境影响，因此不需要惰性气体，这允许更大的移动自由度和成本的降低。因此，该处理非常适合于零重力或可忽略的重力环境，比如在空间站上等。

图1示出了使用静电沉积的添加制造工艺的示例性实施方式，其中粉末10被静电沉积到基底12上。在该示例性实施方式中，粉末10由颗粒14组成，每个颗粒14包括介电助熔剂16和合金18。然而，在再熔融修复处理期间，颗粒14可以仅包括介电助熔剂16。基底12经由地20接地。颗粒14必须配置成使得它们保持足够强并且持续足够长的静电电荷以允许随后的能量束处理。仅由合金18组成的颗粒不满足要求，因为作为强导体的合金会过快地逸出任何所赋予的电荷。然而，焊接中使用的许多助熔剂材料不是导电的。相反，这些助熔剂材料中许多是充分介电的，使得它们可以在必需的时间里保持必需的静电电荷持续。由于颗粒14由介电助熔剂16和合金18的混合物组成，因此必须达到平衡，使得所产生的颗粒14充分介电以在必需的时间里获得必需的静电电荷。

此外，必须限制每个颗粒中的合金18的重量，使得其不超过在同一颗粒14中的介电助熔剂16可以实现的保持力。换句话说，平均而言，颗粒必须被配置成使得它们施加的粘附力足以克服颗粒14中合金18(和介电助熔剂16)上的重力。粘附力与赋予介电助熔剂16的静电电荷的大小相关联。因此，颗粒的配置必须使得其针对给定量的静电电荷施加足够的粘附力。将静电电荷量增加到高于颗粒的设计电荷将增加粘附力，这是可以接受的，只要获得了最小的粘附力。

所需的粘附力的量可以变化。例如，如果基底12的表面30水平取向(即，垂直于重力方向32)，则需要最小量的粘附力，因为重力将帮助将颗粒14保持在适当位置。然而，如果表面34不垂直于重力方向32，则将需要相对较大量的粘附力。

调节施加的粘附力的量可以有无数的方法。只要所产生的颗粒14是充分介电的，使用哪种方式无关紧要。对于给定物理和化学组成的颗粒14，在该处理期间可以简单地通过调节赋予颗粒14的静电电荷的大小来调节粘附力。这可以周期性地和/或连续地进行，并且可以进行为使得赋予的静电电荷对应于在处理中的那一时刻颗粒14所粘附的、不垂直于重力方向32的表面34的取向。例如，粘附至竖直表面36的颗粒14与粘附至水平表面30的颗粒14相比需要更大的最小粘附力。因此，当能量束处理发生在竖直表面36上时，赋予要处理的颗粒14的静电电荷量可以增加。同样，粘附至悬空表面38的颗粒与粘附至竖直表面36的颗粒14相比可能需要更大的最小粘附力。因此，当能量束处理发生在悬空表面38上时，赋予粘附至悬空表面38的颗粒14的静电电荷量可以增加。相反，当从不垂直于重力方向32的表面34返回到水平表面30时，可以减少赋予颗粒14的静电电荷量。

静电电荷可以根据需要调节多次，包括在将粉末10单次施加到基底12期间调节多次，以及针对多次施加粉末10中的每次施加都进行调节。例如当基底12包括要在其上熔融合金18的不同取向的表面时，在向基底12单次施加粉末10期间可以增加电荷以适应局部表面取向。同样，可以基于例如要在其上处理(熔融)粉末10的最困难表面所需的最大静电电荷量来针对每次将粉末10施加至基底12设定静电电荷量。例如，如果要在悬空表面38上处理合金18，则可以针对粉末10的施加设定静电电荷量以适应将粉末10粘附至悬空表面的需要。如果在粉末10的另一施加期间仅存在总体上水平的表面，则与处理悬空表面38时所需的静电电荷量相比针对该次施加的静电电荷量可以降低。

将这种介电粉末施加到接地的金属表面的技术的示例包括形成离子轰击的电晕喷枪和通过静电摩擦使粉末带电的摩擦枪(tribo gun)。粉末的流化床也可以被充以静电，以及在接地部件穿过带电的颗粒云时将粉末覆盖于之上。粉末的示例性电阻率具有至少100微欧姆.厘米。

或者，可以调节颗粒14的物理组成，并且该调节还可以在整个处理中周期性地和/或连续地发生。例如，可以增加或减少每个颗粒中的介电助熔剂16的量以增加或减少每个颗粒14施加的粘附力的量。这可以进行成使得粘附力对应于颗粒14粘附到其上的表面的取向。在处理期间可以将对粉末10的选择(每个具有不同物理组成的颗粒14)保留在手边，以便在处理期间能够调整颗粒14的物理组成。每个颗粒14中的合金18的示例性重量百分比包括最大百分之五十(50)。

还可以控制介电助熔剂16和合金18在颗粒14内的分布，以控制粘附量。例如，如图2所示(其是颗粒14的横截面)，可以优选配置颗粒14使得在颗粒14的外表面50上不存在合金18。外表面50是暴露于环境的外部表面。暴露的合金(即，具有作为外表面50的一部分的表面的合金)倾向于导电并且不产生表面电荷。也就是说，介电电荷将以更快的速率逸出。因此，如图2所示的那样，颗粒14可以被配置成使得介电助熔剂16完全包裹合金18。或者，颗粒14可以被配置成使得外表面50的不超过阈值百分比的表面区域可以为合金18。此外，如在再熔融修复操作的情况下，颗粒可以被配置为仅包括助熔剂。

每个颗粒14可以包括一个或更多个合金体52。合金体52的物理组成可以相同，或者可以在给定颗粒14内变化以及在给定粉末10内从颗粒14到颗粒14变化。例如，合金体54可以是完全致密化冶金产品。或者，合金体56可以部分烧结。如果部分烧结，则合金体56可以具有大至百分之八十(80)的孔隙率。每个颗粒14可以可选地包括可以减少颗粒14的重量的孔隙58，这在克服重力方面对粘附力有帮助。具有孔隙的颗粒14可以例如呈现大至百分之八十(80)的孔隙率。还可以控制颗粒14的整体尺寸以产生最佳结果。例如，颗粒14可以被配置成使得最大尺寸小于50微米。限制颗粒14的尺寸可以增加粉末10内的表面积与质量之比。这可以改善粘附性并且允许粉末10更好地流入基底12的受限几何形状中，从而改善粉末10在基底12上的覆盖。

图3示出了能量束70，该能量束70被指引扫过粉末10以形成部分熔融或完全熔融然后固化的合金图案72，在该合金图案72上面有熔渣图案74。合金图案72由被能量束70部分熔融或完全熔融的合金体56组成，并且熔渣图案74由被能量束70熔融的介电助熔剂16组成。合金图案72采用具有厚度76的形状，该厚度76通常垂直于测量厚度76处的基底12或其被施加至的先前图案而取向。同样，熔渣图案74也具有厚度78，该厚度78垂直于测量厚度78处的合金图案。

在常规处理中，合金图案的所有位置处的厚度将平行于重力方向32取向。因此，认为合金图案72沿着X轴和Z轴在两个维度上延伸。然而，如可以看到的，在该附图中形成的合金图案72不限于这种方式。替代地，合金图案72的第一部分90沿着X轴和Z轴延伸，但是合金图案72的第二部分92沿着Y轴和Z轴延伸。第一部分90和第二部分92在彼此垂直的方向上延伸。同样，第一部分90的厚度76在第一方向94上延伸，在这种情况下，第一方向94平行于重力方向32。第二部分92的厚度76在第二方向96上延伸，并且第一方向94和第二方向96彼此不平行。因此，该合金图案72形成三维图案98，其不能使用现有技术进行。

如图所示，第一部分90和第二部分92可以彼此连接，从而形成一体的合金图案72。或者，第一部分90和第二部分92可以彼此分立，从而形成由多个部分90、92组成的合金图案72。

除了在所有三个维度上指引能量束70之外，基底12可以沿着所有三个轴X、Y和Z移动和/或围绕所有三个轴X、Y和Z旋转。同样地，在处理期间能量束70和基底12两者均可以沿着所有三个轴X、Y和Z相对于彼此移动和/或围绕所有三个轴X、Y和Z相对于彼此旋转。基底12可以在指引操作之前、指引操作期间和/或指引操作之后移动，同时粉末10保持粘附至基底12。只要赋予粉末10足够的静电电荷，下述情况是可能的：粉末10继续粘附至基底12而不管基底12如何旋转。例如，施加到水平表面的粉末10可以具有赋予它的、足以将粉末10粘附至悬空表面38的静电电荷。这样，不管基底12在指引操作之前、指引操作期间和/或指引操作之后如何移动，粉末10继续粘附至基底12。

图4示出了在若干个粘附和指引操作之后的基底12。在所示的指引操作期间，至少一个能量束70形成第一部分90和第二部分92，该第一部分90和第二部分92一起形成三维合金图案72，该三维合金图案72具有由彼此不连接的多个部分90、92组成的相关联的三维表面102。指引操作可以被认为是在去除熔渣图案74并且粘附用于后续处理的更多粉末10之前进行的所有指引。对于任何给定位置，构建的方向104类似于在给定位置处的厚度76的取向。因此，在一个指引操作期间可以沿着三个轴X、Y和Z中的任何轴和所有轴来构建基底。在该附图中，正在形成的部件110包括基底12和一个或更多个合金图案72。独特地，部件110在一个指引操作期间可以沿着两个不同的方向构建，并且这在随后的指引操作期间可以重复发生。此外，可以看出，能量束70向上取向以在位于竖直面和悬空面之间的拐角处的表面上形成第二部分92。使用常规处理技术不可能进行这些操作。

从前述可以看出，发明人设想了一种简单、巧妙并容易实施的增材制造工艺，其与现有工艺相比实现显著更高的灵活性和更少的复杂性。具体地，可以处理所有表面几何形状，而不仅仅是平坦的表面几何形状。此外，可以处理任何取向的表面。不使用擦拭臂(wiper arm)，因此部件特征不限制涂覆处理。该处理避免了机械加工。部件可以保持静态，或者激光可以是静态的并且部件移动，或者两者可以相对于彼此移动。此外，不需要惰性气体，因为介电助熔剂在能量束处理期间提供必要的屏蔽。因此，这表现了本领域的改进。

虽然本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但是明显的是，这样的实施方式仅作为示例提供。在不脱离本文中本发明的情况下，可以做出许多变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

将粉末静电粘附至基底的表面，其中，所述粉末包括包含介电助熔剂的颗粒；以及

指引能量束扫过所述粉末以选择性地熔融所述粉末，以在上覆熔渣下形成合金图案。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粉末具有至少100微欧姆.厘米的电阻率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒的最大尺寸小于50微米。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括在使用所述能量束之前或同时绕X轴和Z轴中的至少一个旋转所述基底，其中，所述X轴和所述Z轴两者均是水平的并且彼此成直角，以及在旋转所述基底时提供足够的静电电荷以保持所述粉末粘附至所述表面。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括重复所述粘附步骤和所述指引步骤，以及调节赋予所述颗粒的静电电荷的大小以与所述基底的、所述介电助熔剂和所述合金所粘附的表面的取向对应。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒还包括合金。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述颗粒中的合金的重量百分比小于百分之五十(50)。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述合金包括完全致密化冶金产品。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述合金具有大至百分之八十(80)的孔隙率。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述合金包括部分烧结冶金产品。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述部分烧结冶金产品具有大至百分之八十(80)的孔隙率。

12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述图案的表面形成三维形状。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述合金图案包括第一部分和与所述第一部分分立的第二部分，其中，各个部分的表面形成所述三维形状。

14.根据权利要求6所述的方法，还包括重复所述粘附操作和所述熔融操作，以及调节所述介电助熔剂和所述合金的组成以与所述基底的、所述介电助熔剂和所述合金所粘附的表面的取向对应。

15.根据权利要求6所述的方法，还包括重复所述粘附操作和所述指引操作以形成包括所述基底和至少一个合金图案的部件，以及在所述能量束的一个指引期间在两个不同的维度上构建所述部件。

16.一种方法，包括：

对介电助熔剂进行静电充电；

将所述介电助熔剂粘附至基底的表面；以及

利用能量束熔融所述介电助熔剂和合金。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述介电助熔剂为颗粒形式，并且其中，所述合金被结合进所述助熔剂颗粒中。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所熔融的合金的表面具有三维形状。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述基底的表面是悬空表面。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括在使用所述能量束之前或同时绕X轴和Z轴中的至少一个旋转所述基底，其中，所述X轴和所述Z轴两者均是水平的并且彼此成直角，以及确保所述介电助熔剂在所述旋转期间保持附着于所述基底的表面。