CN107052335A - 用于添加式制造的方法及可断裂支撑 - Google Patents

Abstract

本公开的发明名称是“用于添加式制造的方法及可断裂支撑”。本公开一般涉及在构建对象（200）的过程中利用可断裂结构（210）的用于添加式制造（AM）的方法以及将在这些AM过程内使用的新型可断裂支撑结构。支撑结构包括弱化部位（216），并且，对象包括出口（206）。所述方法包括使可移除的支撑结构在弱化部位断裂成至少两个部分。

Description

用于添加式制造的方法及可断裂支撑

技术领域

本公开一般涉及在构建对象的过程中利用支撑结构的用于添加式制造（AM）的方法以及将在这些AM过程内使用的新型支撑结构。

背景技术

与删减式制造方法形成对照，AM过程一般涉及将一个或更多材料积聚（buildup）以制作净成形或近净成形（NNS）对象。虽然“添加式制造”是行业标准术语（ASTM F2792），但AM包含以包括自由成形制作、3D打印、快速原型制作/工具作业等的各种名称已知的各种制造及原型制作技术。AM技术能够由多种多样的材料制作复杂的构件。一般，能够由计算机辅助设计（CAD）模型制作独立式对象。特定的类型的AM过程使用能量束，例如，电子束或诸如激光束之类的电磁辐射，以烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，在该对象中，粉末材料的颗粒粘结在一起。使用不同的材料体系，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属以及陶瓷。激光烧结或熔融是值得注意的用于快速制作功能原型和工具的AM过程。应用包括复杂的工件、用于熔模铸造的图案、用于注射模塑和压铸的金属模具以及用于砂型铸造的模具和型芯的直接制造。在设计周期的期间制作原型对象以增强概念的交流和试验的方案是AM过程的其它常见的用法。

选择性的激光烧结、直接激光烧结、选择性的激光熔融以及直接激光熔融是用于指通过将激光束用于烧结或熔融微细的粉末而生产三维（3D）对象的常见的行业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确的是，烧结使在低于粉末材料的熔融点的温度下使粉末的颗粒熔合（凝聚）成为必要，然而，熔融使充分地熔融粉末的颗粒以形成固体均质体成为必要。与激光烧结或激光熔融相关联的物理过程包括热传递至粉末材料，且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结及熔融过程能够应用于大范围的粉末材料，但未充分地理解生产流程的科学及技术方面，例如，烧结或熔融速率和处理参数对层制造过程的期间的显微结构演化的影响。该制作方法伴有多种模式的热量、质量和动量传递以及化学反应，这导致过程非常复杂。

图1是示出用于直接金属激光烧结（DMLS）或直接金属激光熔融（DMLM）的示范性的常规系统100的截面图的示意图。设备100通过使用诸如激光器120之类的源所生成的能量束136来烧结或熔融粉末材料（未示出），从而以逐层的方式构建对象，例如部分122。将通过能量束而熔融的粉末由储存器126供给，并且，使用沿方向134行进的再涂敷器臂（recoaterarm）116来均匀地散布于构建板114上，从而将粉末维持在水平118，并且，将在粉末水平118的上方延伸的过量粉末材料移除至废物容器128。在检流计扫描器132的控制之下，能量束136烧结或熔融正在构建的对象的截面层。使构建板114下降，并且，使另一层粉末散布于构建板和正在构建的对象上，接下来通过激光器120而连续熔融/烧结粉末。重复该过程，直到部分122完全地由熔融/烧结后的粉末材料而积聚。可以由包括处理器和存储器的计算机系统控制激光器120。计算机系统可以针对各层而确定扫描图案，并且，根据扫描图案而控制激光器120来照射粉末材料。在完成部分122的制作之后，可以将各种后处理程序应用于部分122。后处理程序包括通过例如吹气或真空处理而移除通路粉末。其它后处理程序包括应力释放过程。另外，热及化学后处理程序能够用于对部分122进行精加工。

在激光烧结/熔融过程的期间，由于在构建对象时再涂敷另外的多层粉末，因而三维对象受到大量的应力。本发明的发明人已发现，例如空心结构之类的某些AM结构倾向于经历变形。在某些情况下，变形可能与再涂敷器臂在它移动经过正在构建的对象时的移动有关。鉴于上文，能够意识到，存在与AM技术相关联的问题、缺陷或缺点，并且，如果可获得改进的支撑对象的方法和支撑结构，则将是理想的。

发明内容

下文提出一个或更多方面的简化概要，以便提供对此类方面的基本理解。本概要不是对所有的预期的方面的广泛的综述，并且，旨在既不识别所有的方面的核心或关键要素，也不描绘任何方面或所有的方面的范围。其目的是，以简化的形式提出一个或更多方面的一些概念，以作为稍后提出的更详细的描述的序言。

在一个方面中，本公开提供一种用于在粉末床中制作对象的方法，包含以下步骤：（a）照射粉末床中的粉末的层，以形成熔合的区域；（b）通过使再涂敷器臂从粉末床的第一侧在粉末床上经过，在粉末床上提供粉末的后续层；以及（c）重复步骤（a）和（b），直到在粉末床中形成对象和至少一个支撑结构，其中支撑结构包含弱化（weakened）部位，并且对象包含出口；以及（d）使可移除的支撑结构在弱化部位断裂成至少两个部分。

本发明的这些及其它方面在回顾随后的详细描述时，将变得更充分地被理解。

本公开由此提供以下技术方案：

1．一种用于在粉末床中制作对象的方法，包含以下步骤：

（a）照射所述粉末床（112）中的粉末的层，以形成熔合的区域；

（b）通过使再涂敷器臂（116）从所述粉末床的第一侧在所述粉末床上经过，在所述粉末床上提供粉末的后续层；

（c）重复步骤（a）和（b），直到在所述粉末床中形成所述对象（200）和至少一个支撑结构（210），其中所述支撑结构包含弱化部位（216），并且所述对象包含出口（206）；以及

（d）使所述可移除的支撑结构在所述弱化部位断裂成至少两个部分。

2．如技术方案1所述的方法，其中，所述弱化部位包含缺口（220）。

3．如技术方案2所述的方法，其中，所述弱化部位包含与所述缺口对准的穿孔（218）。

4．如技术方案3所述的方法，其中，所述穿孔从所述支撑结构的第一端部延伸至相对的第二端部。

5．如技术方案1所述的方法，其中，所形成的对象包含出口。

6．如技术方案5所述的方法，其中，在经由所述弱化部位而使所述支撑结构断裂之后，所述支撑结构能够穿过所述出口。

7．如技术方案5所述的方法，其中，在经由所述弱化部位而使所述支撑结构断裂之前，所述支撑结构不能够穿过所述出口。

8．如技术方案1所述的方法，进一步包含：

（e）将所述支撑结构的所述两个部分中的至少一个从所述对象通过使该部分穿过所述对象的所述出口而移除。

9．如技术方案1所述的方法，其中：

所述对象包含具有第一直径的第一部位和具有第二直径的第二部位，

所述支撑结构有具有第一宽度的第一部位和具有第二宽度的第二部位，并且

所述支撑结构的所述第一宽度大于所述对象的所述第二直径。

10．如技术方案9所述的方法，其中，所述第一宽度的一半比所述第二直径更小。

11．如技术方案9所述的方法，其中：

所述出口被设置于所述对象的所述第二部位的端部，并且

所述开口具有与所述第二直径相等的直径。

12．如技术方案9所述的方法，其中：

所述对象的具有所述第一直径的所述第一部位围绕所述支撑结构的具有所述第一宽度的所述第一部位，并且

所述对象的具有所述第二直径的所述第二部位围绕所述支撑结构的具有所述第二宽度的所述第二部位。

13．如技术方案1所述的方法，其中，所述对象为空心的。

附图说明

图1是示出用于添加式制造的常规设备的示例示意图。

图2图示由根据本发明的方面的支撑结构支撑的对象的示例的透视图。

图3图示根据本发明的方面的对象透明的状态下的图2的示例对象和支撑结构的透视图。

图4图示根据本发明的方面的图2的示例支撑结构的正视图。

图5图示根据本发明的方面的图2的示例支撑结构的使支撑结构断裂之后的正视图。

图6图示根据本发明的方面的图2的示例支撑结构的部位在断裂且从图2的示例对象被部分移除之后的透视图。

具体实施方式

在下文中结合附图而阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示可以实践本文中所描述的概念的唯一的配置。出于提供对各种概念的透彻理解的目的，该详细描述包括具体细节。然而，将对本领域技术人员显而易见，可以不利用这些具体细节就实践这些概念。

图2和图3图示围绕示例支撑结构210的示例对象200。图3透明地示出对象200，以便对象200内的支撑结构210是可见的。图4示出支撑结构210的正视图，为了清楚起见而省略对象200。可以根据AM过程而制造支撑结构210和对象200。例如，可以使用图1的设备100和上述的方法。在这种AM过程中，通过在形成对象200的区域中选择性地烧结或熔融粉末区，从而逐层构建对象200。通过在支撑结构210的位置熔融或烧结另外的粉末区域，从而与对象200同时地构建支撑结构210。图2和图3中的箭头205表示在对象的构建的各阶段，再涂敷器臂在它提供新的一层粉末时的方向。优选的是，支撑结构210沿着再涂敷器臂的方向位于对象200内。

一完成AM过程，就将支撑结构210从对象200移除。在一个方面中，将支撑结构210与对象一起附接至构建板，并且，可以将支撑结构210从构建板拆卸而丢弃。可以不将支撑结构210作为粉末床内的独立的对象而附接至构建板，就备选地形成支撑结构210。另外，支撑结构可以包括与对象200的附接点，一旦完成AM过程，就可以容易地使该附接点断开。这可以通过提供断开式结构-将对象200和支撑结构210联接的一小片金属来完成。断开式结构还可以类似于具有将对象200和支撑结构210联接的若干个金属部位的穿孔。

可以一将对象从粉末床移除，就立即将支撑结构210从对象200移除，或在将对象从粉末床移除的期间，将支撑结构210从对象200移除。备选的是，可以在后处置步骤中的任一个之后，将支撑结构移除。例如，对象200和支撑结构210可以受到后退火处置和/或化学处置，且因而随后从对象200和/或构建板移除。如将在下文中更详细地讨论的，作为移除过程的部分，可以使支撑结构210断裂成多块（例如，2个或更多）。

本发明的发明人已发现，支撑结构210在形成具有诸如球形形状之类的空心内部空间的对象200中是特别地理想的。在图2至图6中所图示的示例方面，对象200可以包括较宽的第一部位202，第一部位202过渡成较窄的第二部位204。例如，如图2中所图示的，较宽的第一部位202可以是具有第一直径的球形形状的部位，并且，较窄的第二部位204可以是具有第二直径的圆柱形部位，其中，第一直径大于第二直径。对象200的第一部位202和第二部位204中的每个可以为空心的（图3）。由于对象200可以为空心的，因而作为对象制造过程的部分，可以在内部沿着再涂敷器方向使用支撑结构210来支撑对象200。对象210可以进一步包括出口206。出口206可以定位于对象200的第二部位204的端部。

如图3中所图示的，支撑结构210可以具有全等的几何结构，以与对象200的内侧形状匹配。例如，支撑结构210可以包括第一部位212，第一部位212配合于对象200的第一部位202的内侧表面内且与该内侧表面接触，并且，支撑结构210可以包括第二部位214，第二部位214配合于对象200的部位204的内侧表面内且与该内侧表面接触。如图3中所图示的，支撑结构210的第一部位212和第二部位214不需要覆盖对象200的第一部位202和第二部位204的整个内侧表面。例如，支撑结构210的第一部位212可以具有圆盘形状，而不是球形状。第一部位212可以具有与对象200的第一部位202的直径近似相等的宽度。然而，第一部位212的厚度可以比对象200的第一部位202的直径更小许多倍。例如，对象200的第一部位202的直径与支撑结构210的第一部位212的厚度的比可以为50:1至5:1、40:1至10:1或30:1至20:1。可以使用足以在内部支撑对象200的空心的第一部位202的支撑结构210的第一部位212的任何尺寸。关于支撑结构210的第二部位214，可以具有薄的矩形形状，而不是圆柱形形状。矩形形状可以具有与对象200的第二部位204的直径近似相等的宽度。然而，支撑结构210的第二部位214的厚度可以比对象200的第二部位204的直径更小许多倍。例如，对象200的第一部位202的直径与支撑结构210的第二部位214的厚度的比可以为50:1至5:1、40:1至10:1或30:1至20:1。可以使用足以在内部支撑对象200的空心的第二部位204的支撑结构210的第二部位214的任何尺寸。这同样可应用于支撑结构210的第二部位214。

支撑结构210可以进一步包括弱化部位216。如图3和图4中所图示的，弱化部位可以包括缺口220和穿孔218。缺口220可以设置于支撑结构210的第二部位214的外周处。术语缺口旨在包括结构的边界中的充当断裂和/或撕裂的起始点的任何中断。因而，术语缺口包括刻痕、狭缝、狭槽、裂缝、砍痕、切口、分界线等。在形状上，缺口可以为三角形。如图4中所示出的，三角形缺口可以如此取向，以致于缺口的点直接地指向支撑结构210的第二部位214。具有此类取向的三角形缺口允许操作人员在三角形缺口的顶点处容易地开启断裂/撕裂线。然而，能够使用任何形状的缺口或其等效物这一状况属于本发明的范围内。例如，缺口可以是能够将断裂/撕裂线引入支撑结构210中的狭缝或任何其它形状。一般，缺口大至足以允许操作人员通过将断裂/撕裂力施加于缺口处而开启断裂/撕裂线。穿孔218可以起始于缺口220的顶点，并且，沿着支撑结构210的整个高度/长度一直延伸，终止于支撑结构210的第一部位212的端部。穿孔218可以包括用于促进穿过支撑结构210的断裂/撕裂线的穿孔线、划线、部分划线、不连续的切割线或任何其它一系列的孔、变形部、凹痕、凹陷或减小的厚度的点。

如图3中所图示的，由于支撑结构210的几何结构和对象200的几何结构，且更具体地由于支撑结构210的第一部位212的几何结构具有比支撑结构210、对象200的第二部位204的直径更大的宽度，因而不可能将整个支撑结构210直接地向下穿过开口206而移除。例如，如果人们尝试不使支撑结构210断裂/撕裂，就将支撑结构210向下穿过出口206而拉动，则支撑结构210的第一部位212将防止移动。然而，通过经由弱化部位216而使支撑结构210断裂成更小的两块（图5），从而然后，操作人员能够通过出口206而一次移除一块。图5示出沿着穿孔218分裂的支撑结构210。图6示出在使支撑结构210断裂之后通过出口206而移除的支撑结构210的一半。

虽然图2-6示出示例几何结构，其中，在使支撑结构断裂之后，支撑结构可以穿过对象的出口，但可以选择支撑结构和对象的任何种类的几何结构。一般，支撑结构和对象将具有全等的几何结构。此外，虽然图2-6示出用于使支撑结构断裂成两块的单个缺口和单个穿孔线，但可以实现任意数量的缺口（例如，2、3、4、5等）及对应的穿孔，以使支撑结构断裂成多块。支撑结构210给对象提供机械支撑，以防止由于应力或再涂敷器接触而导致的畸变。

虽然未图示，但支撑结构210可以进一步包括与对象200整体地连接的一个或更多连接肋（rib）。连接肋将从支撑结构的表面延伸至对象200的内表面。连接肋可以沿着支撑结构210的高度递增地形成。连接肋可以在期望时形成允许将支撑结构210从对象200移除的断开式结构。

在变得有必要将支撑结构210从对象200移除时，在存在连接肋时，操作人员可以施加力，以使支撑结构断开。可以通过诸如扭转、断裂、切削、磨削、锉削或抛光之类的机械程序而移除支撑结构。另外，热及化学后处理程序可以用于精加工对象。当在制造的期间已将粉末放置于对象与支撑结构之间时，能够仅仅通过例如吹气而移除粉末。然后，操作人员可以进一步经由缺口220而施加撕裂或断裂力，以沿着穿孔218赋予断裂或撕裂。力的施加可以应用于导致支撑结构210一直沿着穿孔218（图5）撕裂/断裂。一旦断裂成块，然后，操作人员就可以通过对象200的出口206而一次移除一块（图6）。

虽然已提供支撑结构和对象的若干个示例，但应当显而易见，可以根据本公开而构建其它对象。例如，具有高的纵横比和厚壁的任何对象可以由所公开的支撑结构中的一个或更多支撑。在一方面中，所公开的支撑结构用于制造飞机的部分。例如，可以使用本文中所公开的支撑结构来制造与美国专利号9188341中所公开的燃料喷嘴类似的燃料喷嘴。

在一方面中，上述的多个支撑可以组合而用于支持对象的制作、防止对象的移动且/或控制对象的热性质。即，使用添加式制造来制作对象可以包括使用以下的一个或更多：台架（scaffolding）、栓紧式支撑、断开式支撑、横向支撑、共形支撑、连接支撑、围绕式支撑、键槽支撑、可断裂支撑、前缘支撑或粉末移除口。下文的专利申请包括这些支撑及其使用方法的公开：

美国专利申请号[ ]，名称为“METHOD AND CONFORMAL SUPPORTS FOR ADDITIVEMANUFACTURING”，带有代理人案卷号037216.00008，并且被提交于2016年2月11日；

美国专利申请号[ ]，名称为“METHOD AND CONNECTING SUPPORTS FOR ADDITIVEMANUFACTURING”，带有代理人案卷号037216.00009，并且被提交于2016年2月11日；

美国专利申请号[ ]，名称为“METHODS AND SURROUNDING SUPPORTS FOR ADDITIVEMANUFACTURING”，带有代理人案卷号037216.00010，并且被提交于2016年2月11日；

美国专利申请号[ ]，名称为“METHODS AND KEYWAY SUPPORTS FOR ADDITIVEMANUFACTURING”，带有代理人案卷号037216.00011，并且被提交于2016年2月11日；

美国专利申请号[ ]，名称为“METHODS AND LEADING EDGE SUPPORTS FOR ADDITIVEMANUFACTURING”，带有代理人案卷号037216.00014，并且被提交于2016年2月11日；以及

美国专利申请号[ ]，名称为“METHOD AND SUPPORTS WITH POWDER REMOVAL PORTSFOR ADDITIVE MANUFACTURING”，带有代理人案卷号037216.00015，并且被提交于2016年2月11日。

这些申请中的每个申请的公开整体地合并于本文中而达到公开能够与本文中所公开的支撑结构联合而用于制作其它对象的另外的支撑结构的程度。

另外，台架包括构建于对象的底下而给对象提供竖直支撑的支撑。台架可以由互相连接的支撑例如以蜂窝的模式形成。在一方面中，台架可以为固体或包括固体部位。台架在各种位置处接触对象，从而为将在台架的上方构造的对象提供承载支撑。支撑结构与对象之间的接触还防止对象的横向移动。

栓紧式支撑防止相对薄的扁平对象或对象的至少第一部位（例如，第一层）在构建过程的期间移动。相对薄的对象易于翘曲或剥离。例如，散热可能导致薄的对象在它冷却时翘曲。作为另一示例，再涂敷器可导致横向力施加至对象，这在一些情况下将对象的边缘提起。在一方面中，栓紧式支撑构建于对象的下方，以将对象栓紧至锚表面。例如，栓紧式支撑可以从诸如平台之类的锚表面竖直地延伸至对象。通过在对象的下方的各层中的特定的位置处使粉末熔融而构建栓紧式支撑。栓紧式支撑与平台和对象两者连接（例如，在对象的边缘处），从而防止对象翘曲或剥离。在后处理程序中，可以将栓紧式支撑从对象移除。

断开式支撑结构减小支撑结构与对象之间的接触面积。例如，断开式支撑结构可以包括各自以空间分离的分离部位。空间可以减小断开式支撑结构的总尺寸和制作断开式支撑结构中所消耗的粉末的量。另外，所述部位中的一个或更多可以具有减小的与对象的接触表面。例如，支撑结构的一部位可以具有在后处理的期间更容易从对象移除的尖形（pointed）接触表面。例如，具有尖形接触表面的部位将在尖形接触表面处从对象断开。尖形接触表面仍然提供给予承载支撑且将对象栓紧的功能，以防止翘曲或剥离。

横向支撑结构用于支撑竖直对象。对象可以具有相对高的高度与宽度的纵横比（例如，大于1）。即，对象的高度比其宽度更大多倍。横向支撑结构定位至对象的一侧。例如，对象和横向支撑结构以包括对象的部位和横向支撑结构的部位的各层中的扫描图案被构建于相同的层中。横向支撑结构与对象（例如，由各层中未熔融粉末的部位）分离或通过断开式支撑结构而连接。因此，在后处理的期间，可以容易地将横向支撑结构从对象移除。在一方面中，横向支撑结构针对在施加另外的粉末时再涂敷器施加的力提供支撑。一般，再涂敷器所施加的力是沿着再涂敷器在它将另外的一层粉末弄平时的移动的方向。因此，横向支撑结构沿再涂敷器从对象移动的方向被构建。此外，横向支撑结构可以在底部比在顶部更宽。更宽的底部为横向支撑结构提供稳定性，以抵抗再涂敷器所生成的任何力。

此外，制作对象的方法可以包括相继地、同时地或交替地使粉末熔融，以形成如上所述的多个支撑的多部位。另外，对于使用多个支撑来制作的对象，后处理程序可以包括移除每个支撑。在一方面中，支撑结构可以包括如本文中所描述的不同类型的多个支撑。所述多个支撑可以直接地或经由对象而彼此连接。针对特定对象的支撑的选择可以基于本文中所描述的因素（例如，形状、纵横比、取向、热性质等）。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括优选的实施例，并且，还使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求来定义，并且，可以包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果此类其它示例具有并非与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则它们旨在位于权利要求的范围内。能够由本领域普通技术人员将来自所描述的各种实施例的方面以及每个此类方面的其它已知等效体进行混合并匹配，以根据本申请的原理而构造另外的实施例和技术。

Claims (10)

1.一种用于在粉末床中制作对象的方法，包含以下步骤：

（a）照射所述粉末床（112）中的粉末的层，以形成熔合的区域；

（b）通过使再涂敷器臂（116）从所述粉末床的第一侧在所述粉末床上经过，在所述粉末床上提供粉末的后续层；

（c）重复步骤（a）和（b），直到在所述粉末床中形成所述对象（200）和至少一个支撑结构（210），其中所述支撑结构包含弱化部位（216），并且所述对象包含出口（206）；以及

（d）使所述可移除的支撑结构在所述弱化部位断裂成至少两个部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述弱化部位包含缺口（220）。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述弱化部位包含与所述缺口对准的穿孔（218）。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述穿孔从所述支撑结构的第一端部延伸至相对的第二端部。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所形成的对象包含出口。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在经由所述弱化部位而使所述支撑结构断裂之后，所述支撑结构能够穿过所述出口。

7.如权利要求5所述的方法，其中，在经由所述弱化部位而使所述支撑结构断裂之前，所述支撑结构不能够穿过所述出口。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包含：

（e）将所述支撑结构的所述两个部分中的至少一个从所述对象通过使该部分穿过所述对象的所述出口而移除。

9.如权利要求1所述的方法，其中：

所述对象包含具有第一直径的第一部位和具有第二直径的第二部位，

所述支撑结构有具有第一宽度的第一部位和具有第二宽度的第二部位，并且

所述支撑结构的所述第一宽度大于所述对象的所述第二直径。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一宽度的一半比所述第二直径更小。