CN108971486A - 在基于粉末的增材制造中增长压缩室以在增长部件上减轻粉末负载的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于利用压缩室来减少增长物体上的压力的增材制造(AM)的方法和设备。本发明提供一种用于制造物体的方法。该方法包括:(a)在构建平台之上的构建区域中照射粉末层以形成熔化区域；(b)在构建区域上方提供后续粉末层；和(c)重复步骤(a)和(b)直到物体的至少一部分、至少一个室、和管在构建区域中形成。室封装未熔化粉末区域并且管从构建平台内的通道延伸到室。该方法还包括(d)通过管和通道从室内移除未熔化粉末。本发明还提供一种用于在物体内形成压缩室的设备。

Description

在基于粉末的增材制造中增长压缩室以在增长部件上减轻粉 末负载的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于在构建物体的过程中熔化粉末(fuse powder)的增材制造(AM)的方法，以及将在这些AM过程中使用的新型压缩室。

背景技术

相比减材制造方法，AM过程大体涉及积聚一种或多种材料以制造净形或近净形(NNS)物体。尽管“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，AM包括以多种名称公知的多种制造和成型技术，其中包括自由成形制造、3D打印、快速成型/加工等。AM技术能够由范围广泛的材料制造复杂部件。总体而言，独立物体能够通过计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的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来烧结或熔融粉末材料，从而形成其中粉末材料颗粒结合在一起的固体三维物体。使用不同的材料系统，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属、和陶瓷。激光烧结或熔融是用于快速制造功能原型和工具的常见的AM过程。应用包括直接制造复杂工件、用于熔模铸的图案、用于注塑成型和压铸的金属模具、和用于砂模铸造的模具和型芯。在设计周期期间制造增强通信和测试概念的原型物体是AM过程的其它常见用途。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融、和直接激光熔融是用于表示通过使用激光束来烧结或熔融细粉来制造三维(3D)物体的常见工业术语。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述了传统激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔化(聚结)粉末颗粒，而熔融需要完全熔化粉末颗粒以形成固体均质块。与激光烧结或激光熔融相关的物理过程包括向粉末材料传热并且随后烧结或熔融粉末材料。尽管激光烧结和熔融工艺能够应用于范围广泛的粉末材料，但是生产流程的科学和技术方面，例如层制造过程期间例如烧结或熔融率和工艺参数对微结构演变的影响尚未得到很好地理解。该制造方法伴随着多种模式的热量，质量和动量转移，以及化学反应，使得过程非常复杂。

图1是示意图，其中示出了用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔融(DMLM)的示例性传统系统100的横截面图。设备100通过使用由诸如激光器120之类的源产生的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)以逐层方式构建物体、例如部件122。通过能量束熔融的粉末由容器126供给并且使用重涂臂(recoater arm)116将这样的粉末均匀地散布在构建板114上方，以将粉末保持在水平118处并且将在粉末水平118之上延伸的过量粉末材料移除到废物容器128。在振镜扫描器132的控制下，能量束136烧结或熔融构建的物体的剖面层。构建板114下降并且另一层粉末散布在构建板和被构建的物体之上，之后通过激光器120连续熔融/烧结粉末。重复该过程，直到部件122由熔融/烧结粉末材料完全建成。激光器120可以由计算机系统控制，该计算机系统包括处理器和存储器。计算机系统可以确定每一层的扫描模式并且控制激光器120以根据扫描图案照射粉末材料。在完成部件122的制造后，可以将多个后处理工艺施加于部件122。后处理工艺包括例如通过吹气或抽真空来移除未熔化粉末。其它的后处理工艺包括应力释放工艺。此外，机械、热、和化学后处理工艺能够用于对部件122进行最终处理。

EP1521657公开了一种金属工件，该金属工件由预制下部部件和使用金属粉末烧结工艺放置在其上的上部件组成。预制下部部件和上部件二者包括冷却通道，该冷却通道可以用于在注塑成型工艺期间对工件冷却。

发明人已经发现，可以使用增材制造技术来创建限定封装空间的物体、支承结构、或其组合。该封装空间可能会保持粉末。当物体冷却时，热收缩可能造成物体压缩所保持的粉末。一个可能的影响在于所保持的粉末可能不压缩，并且冷却物体可能破裂或者发展其它的结构弱点。另一个可能的影响在于保留的粉末可能变得压紧并且更难以在后处理操作期间被移除。

鉴于上述，能够领会存在与AM技术相关的问题、缺点或劣势，并且将期望能够获得在增材制造期间用于管理热收缩的改进的方法和设备。

发明内容

下文提供了对本发明的一个或多个方面的简要概括，以便提供对这些方面的基本理解。本概括并非对所有预期广泛的概述，并且既非旨在确定所有方面的关键因素也非旨在描述任何或所有方面的范围。其目的在于以简化形式展示一个或多个方面的一些概概念，以引出下文更详细的描述。

在一个方面中，本发明提供一种用于制造物体的方法。该方法包括(a)在构建平台之上的构建区域中照射粉末层以形成熔化区域；(b)在构建区域上方提供后续粉末层；和(c)重复步骤(a)和(b)直到物体的至少一部分、至少一个室、和管在构建区域中形成。室封装未熔化粉末区域并且管从构建平台内的通道延伸到室。该方法还包括(d)通过管和通道从室内移除未熔化粉末。

可选地，所述的方法还包括在步骤(d)之后重复步骤(a)和(b)。

可选地，其中所述室是可压缩的。

可选地，所述方法中步骤(d)包括打开阀，所述阀将未熔化粉末保持在所述通道内。步骤(d)包括通过真空从所述通道移除未熔化粉末。

可选地，所述方法中通过重复步骤(a)和(b)，在至少所述管中形成杆，所述杆从所述通道内的剩余部分延伸，步骤(d)包括移除在所述管内延伸的杆。

可选地，所述物体包括壁，所述壁封装所述物体内的未熔化粉末区域，并且其中所述室定位在所述未熔化粉末区域内。

可选地，根据权利要求7所述的方法，其中在所述壁封装所述物体内的未熔化粉末区域之后执行步骤(d)。其中所述物体包括水平顶板，所述水平顶板连接到至少部分地封装所述未熔化粉末区域的所述壁。

可选地，其中所述至少一个室包括形成于不同高度的多个室。其中步骤(d)包括在未熔化粉末水平高度超过所述室的相应高度之后从每一个室移除未熔化粉末。步骤(d)还包括在所述室上方形成水平顶板之后从每一个室移除未熔化粉末。连接到所述多个室的第一室的第一管位于连接到第二室的第二管的内部。所述第一管通过所述第二室。

一种用于由金属粉末制造物体的设备。该设备包括构建单元，该构建单元包括粉末递送单元、重涂臂、和能量束引导装置。该设备包括基板，该基板具有穿过其中的通道。该设备包括联接到通道的阀，该阀被配置成选择性地打开和关闭通道。

可选地，所述通道填充有未熔化粉末。

可选地，所述设备还包括联接到所述通道的真空源。

可选地，所述设备还包括杆，所述杆穿过所述通道延伸到构建板的顶部表面，所述杆能够在所述通道内缩回。

可选地，所述构建单元被配置成在所述基板之上选择性地照射粉末以形成管和室，所述管与所述通道连通，所述室封装与所述管连通的未熔化粉末的区域。所述阀被配置成在所述构建单元的操作期间打开，以允许未熔化粉末通过所述管和所述通道离开所述室。

本发明的这些和其它的方面将在阅读以下的详细描述后得到更全面的理解。

附图说明

图1是示出了用于增材制造的传统设备的实例的示意图。

图2是示出了根据本发明各个方面的设备的实例的示意图，该设备包括连接到压缩室的通道。

图3示出了图2的设备的平面图。

图4示出了室的第一示例性剖面形状。

图5示出了室的第二示例性剖面形状。

图6示出了室的第三示例性剖面形状。

图7示出了室的第四示例性剖面形状。

图8示出了根据本发明的各个方面的使用嵌套管的压缩室的实例。

图9示出了根据本发明的各个方面的设备的实例，该设备包括杆以用于释放压紧粉末上的压力。

图10示出了根据本发明的各个方面的图9的设备，其中杆缩回。

具体实施方式

下文结合附图阐述的详细描述旨在作为对多个配置的描述并且并非旨在仅代表其中可以实践本文中所描述的概念的唯一配置。详细的描述为了提供多个概念的全面理解的目的而包括具体细节。然而，对于本领域技术人员而言应当显而易见的是，可以在不具有这些特定细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，众所周知的部件以方框示出，以免模糊概念。

现在参照附图，图2和图3示出了设备200的实例，该设备包括连接到压缩室234的通道220。图2示出了设备200的竖直横截面。图3示出了设备200的水平横截面。设备200是用于由金属粉末形成物体的增材制造设备。设备200可以与传统的设备100类似，类似之处在于设备200包括能量束发射器204、粉末递送单元218、重涂臂216、和能量束引导装置206。能量束发射器204例如可以是激光器或者电子束(e-beam)发生器。能量束引导装置206可以是振镜扫描器(galvo scanner)。

如图所示，设备200包括壁202，所述壁将粉末212保持在基板214之上。在一个方面中，壁202可以形成固定粉末箱，并且基板214可以通过与构建平台114类似的方式在粉末箱内移动。粉末递送单元218可以与容器126类似，并且重涂臂216可以与重涂器116类似地散布粉末。在另一个方面中，壁202可以是动态构建的构建外壳，粉末被粉末递送单元218(例如，漏斗)分配在该构建外壳中，以使粉末212达到壁202的高度。基板214可以是固定的并且在构建物体240时构建单元可以向上移动，该构建单元包括能量束发射器204、粉末递送单元、重涂臂216、和能量束引导装置206。

基板214包括通道220，以用于在构建操作期间移除未熔化粉末。通道220例如通过管路222联接到相应的阀224。阀224还例如通过真空线路226联接到真空源228。在构建操作开始之前，阀224关闭并且通道220填充粉末到基板214的顶部表面。因此，在构建操作开始时，粉末可以被分配到平坦表面之上。

通过以逐层方式选择性地熔融或烧结粉末212来形成物体240。物体240包括主要部分，该主要部分包括壁242，该壁限定了具有不同直径的大体圆柱形形状。壁242将一部分粉末至少封装在水平平面中。当包括壁242的物体240冷却时，壁242可以收缩，从而径向向内压缩粉末的封装部分。在一些情况下，当封装部分的粉末不可压缩时，壁242上的应力可以能造成物体240中的破裂或其它结构弱点。物体240还包括被限定在壁242、壁244、和水平顶板246之间的外部248，从而封装一部分粉末。当壁242、壁244和顶板246冷却时，封装部分的粉末可以沿水平和竖直方向二者被压缩。再次，不可压缩粉末的压缩可能造成外部248的破裂或其它结构弱点。

压缩室234由设备200通过与物体240类似的方式形成。总体而言，压缩室234是封装未熔化粉末的薄壁结构。例如，薄壁可以是设备200基于束宽和/或支承需要所允许的最小厚度。例如，压缩室234的壁可以为大约10-20密耳(mils)厚。每一个压缩室234都连接到管232，该管接着连接到通道220。管232通过在基板214之上的每一层中围绕通道220选择性地熔化粉末的横截面(例如，圆)直到压缩室234的底部而形成。压缩室234可以从管232向外膨胀以封装体积较大的粉末。通过打开相应的阀224将由压缩室234封装的粉末移除。还可以通过真空源228施加真空。当粉末被移除时，压缩室234可以被来自位于压缩室234外部的未熔化粉末的压力压缩(可以通过热收缩壁242、244或顶板246来压缩)。因此，可以选择性地排空压缩室234，以便减少物体240内的压力。

如图所示，设备200包括四个通道220，该四个通道连接到相应的压缩室234。压缩室234可以策略性地定位以在构建操作期间在期望点的期望位置处释放压力。例如，三个压缩室234定位在壁242内的不同高度处。联接到压缩室的阀224可以随着粉末212的水平高度超过相应的压缩室的高度并且/或者在压缩室234完成之后顺序地打开。在另一个方面，可以延迟打开阀224，直到水平顶板(horizontal ceiling)形成在压缩室234之上为止，使得移除粉末将不影响顶层粉末。

图4示出了室234的第一示例性剖面形状400。形状400可以是椭圆形。椭圆形状可以允许室234沿期望方向(例如，椭圆形的短轴)压缩，同时保持另一个尺寸(例如，椭圆形的长轴)。因此，形状400可以允许沿期望方向释放压力。

图5示出了室234的第二示例性剖面形状500。形状500包括三个内角510。当从形状500移除内部粉末时，外部压力可能造成形状500在内角510处折叠，由此允许体积沿多个方向显著减小。

图6示出了室234的第三示例性剖面形状600。形状600包括四个内角610。当从形状600移除内部粉末时，外部压力可能造成形状600在内角610处折叠，由此允许体积沿多个方向显著减小。

图7示出了室234的第四示例性剖面形状700。形状700包括半圆形部分710和倾斜部分720。形状700可以相对抵抗压缩。因此，形状700可以提供逐步压缩，以使总压力保持在阈值之下而不产生突然压降。

图8示出了示例性构建环境800，该构建环境包括使用设备200构建的物体810。为了简化目的，未示出设备200的位于基板214之上的部件。物体810包括底部部分811和顶部部分820。底部部分811具有壁812和水平顶板814，从而限定了封装区域816。压缩室832形成在封装区域816内并且通过管834连接到通道220。顶部部分820也具有壁822和水平顶板824，从而限定了封装区域826。水平顶板814包括通道828，该通道连接封装区域816和封装区域826。压缩室836形成在封装区域826内。管838通过通道828、压缩室832、和管834从压缩室836延伸到通道220。即，管838嵌套在管834内，使得两个腔形成为与压缩室832和压缩室836连通。通道220包括内部管路840。内部管路840在Y形连接器842处通向通道220之外。内部管路840和通道220连接到相应的阀224，该阀随后通过真空线路226连接到真空源228。

在操作中，当物体810竖直构建时，压缩室832首先完成。在水平顶板824形成并且开始冷却之后，热收缩可能使封装区域816中的压力增大。可以通过打开相应的阀224并且通过真空将保持在压缩室832中的粉末排出来对压缩室832进行压缩。由于水平顶板814竖直封装区域816，即使移除粉末造成区域816中的粉末具有比区域816小的体积，区域826中的粉末也可以由水平顶板814支承。由于管838连接到单独的阀224，因此区域826中的粉末不应当受到影响。一旦水平顶板824形成，就可以排空压缩室836。

图9示出了设备900的实例，该设备包括杆910，以用于释放压缩室234内压紧粉末上的压力。由于压缩室234由熔融或烧结金属粉末形成，因此压缩室234也可能受到热收缩。尽管压缩室234由于薄壁而大体柔性，但是热收缩可能造成被保持的粉末变得压紧。仅通过真空可能不足以从压缩室234移除压紧粉末。

设备900可以包括杆910，该杆延伸穿过通道220。首先，杆可以延伸到基板214的顶部表面。杆910可以在弯曲处通过管路222。在构建操作期间，杆910可以通过在杆910的顶部上和管232内形成延伸部912来延伸。例如，在一个层中，延伸部912的固体圆形横截面可以在管232的环形横截面内熔化。类似地，延伸部912可以形成为在室234内延伸。

为了从室234移除未熔化粉末，杆910可以缩回，如图10中所示。延伸部912熔化到杆910并且也缩回。压紧粉末可以通过收回延伸部912而松开。阀224随后打开，以移除压缩室234内的未熔化粉末。压缩室234随后可以被外部粉末的压力压缩。

本书面描述使用实例来公开本文中公开的构思，包括优选实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所采用的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么此类其它实例希望在权利要求书的范围内。本领域普通技术人员能够将来自上述多个实施例的方面以及针对这些方面中每一个的其它已知的等同形式混合和匹配，以根据本申请的原理构造其它的实施例和技术。

Claims (10)

1.一种用于制造物体的方法，包括：

(a)在构建平台之上的构建区域中照射粉末层，以形成熔化区域；

(b)在所述构建区域上方提供后续粉末层；和

(c)重复步骤(a)和(b)直到所述物体的至少一部分、至少一个室、和管在所述构建区域中形成，其中所述室封装未熔化粉末区域并且所述管从所述构建平台内的通道延伸到所述室；和

(d)通过所述管和所述通道从所述室内移除未熔化粉末。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(d)之后重复步骤(a)和(b)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述室是可压缩的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)包括打开阀，所述阀将未熔化粉末保持在所述通道内。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤(d)包括通过真空从所述通道移除未熔化粉末。

6.根据权利要求1所述的方法，其中通过重复步骤(a)和(b)，在至少所述管中形成杆，所述杆从所述通道内的剩余部分延伸，其中步骤(d)包括移除在所述管内延伸的杆。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体包括壁，所述壁封装所述物体内的未熔化粉末区域，并且其中所述室定位在所述未熔化粉末区域内。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述壁封装所述物体内的未熔化粉末区域之后执行步骤(d)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述物体包括水平顶板，所述水平顶板连接到至少部分地封装所述未熔化粉末区域的所述壁。

10.一种用于由金属粉末制造物体的设备，包括：

构建单元，所述构建单元包括粉末递送单元、重涂臂、和能量束引导装置；

基板，所述基板具有穿过其中的通道；和

阀，所述阀联接到所述通道，所述阀被配置成选择性地打开和关闭所述通道。