CN109108283A - 制造物件的方法和用于基于金属的增材制造的设备 - Google Patents

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Abstract

本公开大体上涉及制造物件的方法和用于基于金属的增材制造的设备。此类方法和设备可用于将微观结构和/或物理标签嵌入到所制造物件中，且此类嵌入的化学标签可被发现用于防伪操作和通过多种材料对物件的制造中。

Description

制造物件的方法和用于基于金属的增材制造的设备
技术领域
本公开大体上涉及用于在增材制造(AM)过程期间的激光冲击硬化的方法和设备。
背景技术
与减材制造(subtractive manufacturing)方法相比，增材制造(AM)或增材印刷过程通常涉及堆积一种或多种材料以形成网状或近似网状(NNS)物件。尽管“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但AM涵盖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。一般来说，独立物件能够通过计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的AM过程使用例如激光束等电磁辐射来熔融或烧结粉末状材料，从而形成固体三维物件。
图1中展示用于使用粉末构建材料的AM的设备的实例。设备140通过使用由源150产生的能量束170烧结或熔融粉末材料(未展示)以逐层方式构建物件或物件的部分，例如物件152，所述源可例如为用于产生激光束的激光器或在电流流动通过时发射电子的长丝。通过能量束熔融的粉末由储存器156供给并且使用在方向164上行进的重涂臂146将这样的粉末均匀地散布在粉末床142上方，以将粉末保持在水平148处并且将在粉末水平148之上延伸的过量粉末材料移除到废物容器158。能量束170在例如激光振镜扫描器162的辐射发射导向装置的控制下烧结或熔融经构建物件的横截面层。振镜扫描器162可包括例如多个可移动镜面或扫描透镜。
扫描能量束的速度是关键的可控制过程参数，从而影响递送到特定斑点的能量的数量。典型的能量束扫描速度约为每秒10到1000毫米。构建平台144下降并且另一层粉末散布在粉末床和被构建的物件之上，之后通过激光器150连续熔融/烧结粉末。举例来说，粉末层的厚度通常为10到100微米。重复所述过程，直到物件152由熔融/烧结粉末材料完全建成为止。能量束170可以由计算机系统控制，所述计算机系统包括处理器和存储器(未展示)。计算机系统可以确定每一层的扫描模式并且控制能量束170以根据扫描模式辐照粉末材料。在完成物件152的制造后，可以将多个后处理程序施加于物件152。后处理程序包括例如通过吹气或抽真空来移除过量粉末。其它后处理程序包括应力消除热处理过程。此外，热、化学和机械后处理程序能够用于对物件152进行表面处理。
大多数商用AM机器允许仅由单个部件材料构建部件。举例来说，图1中所说明的系统的粉末床142和粉末储存器156使得仅单个粉末材料原料用于制造部件。随着AM技术的快速成熟，更准确的打印机和建模工具可以成本降低的方式变得可获得。因此，物件的便宜复制品可涌入市场，且此类复制品相较于原始纯牌产品可具有较差质量。然而，在对完整物件的单个目视检查之后，客户和制造商可能都不能够区分原物与复制品。因此，需要在AM过程期间能够通过不同标签以微观结构方式或以物理方式标记表面上或下方的各部分，以有助于客户和制造商两者区别原始纯牌产品与廉价的较差复制品。
发明内容
下文呈现本公开的一个或多个方面的简化概述，以便提供对此些方面的基本理解。此概述并非所有所预期方面的广泛综述，且既不希望指明所有方面的关键或决定性要素，也不希望划定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念，以引出下文呈现的更详细描述。
一方面，本公开涉及用于制造物件的方法，包括(a)通过能量源辐照构建材料的给定层的至少一部分以形成至少一个固化区域；(b)提供构建材料的后续层；(c)重复步骤(a)和(b)直到形成所述物件为止；以及(d)辐照所述固化区域的至少一个部分以在所述固化材料的最小烧蚀或熔融的情况下改性所述固化材料的密度和/或微观结构的至少一个步骤。在一些方面中，步骤(d)包括将约束介质放置在待辐照的固化区域的至少一个部分上方的至少一个步骤。在一些方面中，步骤(d)包括通过约束介质辐照所述固化区域的所述至少一个部分的至少一个步骤。在一些方面中，所述方法进一步包括在通过所述约束介质辐照所述固化区域的所述至少一个部分的所述至少一个步骤之后移除所述约束介质。在一些方面中，所述构建材料为粉末状金属。在一些方面中，通过同一激光源进行步骤(a)中的辐照和步骤(d)中的辐照。在一些方面中，通过不同能量源进行步骤(a)中的辐照和步骤(d)中的辐照。在一些方面中，通过电子束源进行步骤(a)中的辐照。在一些方面中，辐照所述固化区域的所述至少一个部分的所述至少一个步骤改性所述固化区域的所述至少一个部分以形成经改性固化区域，其中所述经改性固化区域以以下方式中的一个或多个不同于所述固化区域：所述经改性固化区域相较于所述固化区域对x射线更为不透明；所述经改性固化区域相较于所述固化区域对放射性更为不透明；所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同密度；所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同微观结构；所述经改性固化区域与所述固化区域具有不同内应力；以及所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同吸收能量，如通过计算机断层(CT)扫描所测量。在一些方面中，所述经改性固化区域的所述微观结构包括所述固化区域的晶体结构、粒度和颗粒定向中的一个或多个的差异。在一些方面中，所述经改性固化区域在易受疲劳、裂化或其它机械故障模式中的一个或多个影响的物件的区域中。在一些方面中，所述约束介质选自玻璃、聚合物、石英、多层材料和液体填充封壳。
另一方面，本公开涉及用于基于金属的增材制造的设备，包括：激光源；粉末分配器；约束介质分配器；以及定位单元，用以在至少两个维度上移动所述约束介质分配器。在一些方面中，所述设备进一步包括振镜扫描器。在一些方面中，所述设备进一步包括约束介质存储容器。在一些方面中，所述粉末为金属粉末。在一些方面中，所述约束介质分配器附接到重涂臂。在一些方面中，所述约束介质分配器适于将约束材料分配到一层固化构建材料上。在一些方面中，所述约束介质选自玻璃、聚合物、石英、多层材料和液体填充封壳。在一些方面中，所述设备进一步包括电子束源。在一些方面中，所述设备进一步包括重涂臂，其中所述约束介质分配器并不附接到所述重涂臂。
本申请大体上还涉及以下技术方案：
技术方案1涉及一种制造物件的方法，包括：
(a)通过能量源辐照构建材料的给定层的至少一部分以形成至少一个固化区域；
(b)提供构建材料的后续层；
(c)重复步骤(a)和(b)直到形成所述物件为止；以及
(d)辐照所述固化区域的至少一个部分以在所述固化材料的最少烧蚀或熔融的情况下改性所述固化材料的密度和/或微观结构的至少一个步骤。
技术方案2涉及根据技术方案1所述的方法，其中，步骤(d)包括将约束材料放置在待辐照的所述固化区域的所述至少一个部分上方的至少一个步骤。
技术方案3涉及根据技术方案1所述的方法，其中，步骤(d)包括通过约束介质辐照所述固化区域的所述至少一个部分的至少一个步骤。
技术方案4涉及根据技术方案3所述的方法，其中，进一步包括在通过所述约束介质辐照所述固化区域的所述至少一个部分的所述至少一个步骤之后移除所述约束介质。
技术方案5涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述构建材料为粉末状金属。
技术方案6涉及根据技术方案1所述的方法，其中，通过同一激光源进行步骤(a)中的所述辐照和步骤(d)中的所述辐照。
技术方案7涉及根据技术方案1所述的方法，其中，通过不同能量源进行步骤(a)中的所述辐照和步骤(d)中的所述辐照。
技术方案8涉及根据技术方案7所述的方法，其中，通过电子束源进行步骤(a)中的所述辐照。
技术方案9涉及根据技术方案1所述的方法，其中，辐照所述固化区域的所述至少一个部分的所述至少一个步骤改性所述固化区域的所述至少一个部分以形成经改性固化区域，其中所述经改性固化区域以以下方式中的一个或多个不同于所述固化区域：
所述经改性固化区域相较于所述固化区域对x射线更为不透明；
所述经改性固化区域相较于所述固化区域对放射性更为不透明；
所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同密度；
所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同微观结构；
所述经改性固化区域与所述固化区域具有不同内应力；以及
所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同吸收能量，如通过计算机断层(CT)扫描所测量。
技术方案10涉及根据技术方案9所述的方法，其中，所述经改性固化区域的所述微观结构包括晶体结构、粒度或颗粒定向中的一个或多个相较于所述固化区域的所述微观结构的差异。
技术方案11涉及根据技术方案9所述的方法，其中，所述经改性固化区域在所述物件的易受疲劳、裂化或其它机械故障模式中的一个或多个影响的区域中。
技术方案12涉及根据技术方案3所述的方法，其中，所述约束介质选自玻璃、聚合物、石英、多层材料和液体填充封壳。
技术方案13涉及一种用于基于金属的增材制造的设备，包括：
激光源；
粉末分配器；
约束介质分配器；以及
定位单元，用以在至少两个维度上移动所述约束介质分配器。
技术方案14涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述设备进一步包括振镜扫描器。
技术方案15涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述设备进一步包括约束介质存储容器。
技术方案16涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述粉末为金属粉末。
技术方案17涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述约束介质分配器附接到重涂臂。
技术方案18涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述约束介质分配器适于将约束介质分配到一层固化构建材料上。
技术方案19涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述约束介质选自玻璃、聚合物、石英、多层材料和液体填充封壳。
技术方案20涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述设备进一步包括电子束源。
技术方案21涉及根据技术方案13所述的设备，其中，所述设备进一步包括重涂臂，且其中所述约束介质分配器并不附接到所述重涂臂。本发明的这些和其它方面将在阅览以下的详细描述之后得到更全面的理解。
附图说明
图1展示用于根据常规方法的现有技术AM的设备的实例。
图2A展示根据本公开的第一实施例将约束介质放置在物件的固化区域的一部分上方的示意图。
图2B展示根据本公开的第一实施例通过约束介质辐照物件的固化区域的一部分的示意图。
图2C展示根据本公开的第一实施例在通过约束介质辐射之后移除所述约束介质的示意图。
图2D展示根据本公开的第一实施例的将构建材料的后续层涂覆和辐照在如图2B中所示形成的固化层上方的示意图。
图2E展示根据本公开的第一实施例供使用的分配器单元的实例。
图3A展示根据本发明的第二实施例的通过独立定位单元将约束介质放置在物件的固化区域的一部分上方的示意图。
图3B展示根据本公开的第二实施例的通过由独立定位单元放置的约束介质辐照物件的固化区域的一部分的示意图。
图3C展示根据本公开的第二实施例的在通过约束介质辐射之后通过独立定位单元移除所述约束介质的示意图。
图3D展示根据本公开的第二实施例的将构建材料的后续层涂覆和固化在如图2D中所示形成的固化层上方的示意图。
图3E展示根据本公开的第二实施例供使用的分配器单元的替代实例。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种构造的描述，而不旨在表示可实践本文所描述的概念的唯一构造。详细描述包括了提供对各种概念透彻理解的具体细节。然而，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，众所周知的部件以框图展示，以免模糊此些概念。
本公开大体上涉及用于在增材制造(AM)过程期间的激光冲击硬化的方法和设备。大多数可商购的AM机器可用于仅由单个材料构建部件。本公开的方法和系统可用于在物件的制造期间改性单个材料，将实现许多AM部件的额外或改进型功能，且在制造各种物件、包括具有聚合内芯部分和充分界定外表面的部件时和在利用这些部件的过程中实现微观结构和/或物理标签的添加。本申请涉及用于在增材制造(AM)过程期间的激光冲击硬化(laser shock peening，LSP)的方法和设备。可在AM过程期间使用LSP以在制造期间添加微观结构和/或物理标签，因此促进区别原始产品与可具有较差质量的复制品的过程。
根据本公开，LSP用于通过AM过程以逐层方式改性经构建物件的一个或多个层的一部分。可对最近固化层或部件层进行所述改性。所述部件层可以是所构建物件的第一层、最终层或中间层。然而，在AM期间构建物件的第一层之后但在构建所述物件的最终层之前通过使用LSP，识别微观结构和/或物理标记可能够被放置在未来抄袭者视野之外，由此使得未来抄袭者更难以产生物件的复制品且使得更容易识别复制品或仿冒品。可能够通过光谱或成像方法由客户、制造商或第三方识别具有内部LSP得到标记的以此方式构建的物件。或者，本公开的LSP方法还可形成由单个材料构建但展示不同材料性质的物件，其中LSP改性赋予性质，例如但不限于，更高机械阻力、更高抗腐蚀性和更高导电性。
在本公开的一些实施例中，LSP与约束介质配合使用。在本公开的替代实施例中，LSP在无约束介质的情况下使用。在不希望受任何特定理论束缚的情况下，约束介质可用以约束通过吸收接触构建表面的足够高能激光束所产生的冲击波且迫使所述冲击波密实、改变材料微观结构或引起在本发明中其它处所描述的固化构建材料的其它改变。
如本文中所使用，如果材料并不发射入射辐射，那么所述材料对辐射“不透明”。
如本文中所使用，“辐射”指代呈波或粒子形式的能量，包括但不限于热、无线电波、可见光、x射线、放射性、声辐射和电磁辐射。
图2A到2D和3A到3D展示根据本公开的用于在AM期间使用LSP的设备的示意图。
根据本公开的第一实施例，设备240可配备有分配器单元280。在第一实施例中，分配器单元280可附接到重涂机构，例如重涂臂246(图2A)。在物件252的制造期间形成构建材料的至少一个固化区域之后，分配器单元280将约束介质281沉积在物件252的最近固化或熔合层的固化区域的至少一部分253上方(参见图2A)。
分配器单元280将为惯性干扰/等离子体约束透明覆层的约束介质281沉积在构建材料的最近固化或熔合层的一个或多个固化区域的至少一部分上方。分配器单元280可用于沉积适合结合设备240和构建材料使用的任何约束材料。适用作约束材料或约束介质的材料包括但不限于玻璃、聚合物、石英、多层材料或液体填充封壳。所述多层材料可包括适用作约束材料的材料的两个或多于两个层。液体填充封壳可用适用作约束材料的液体填充，包括但不限于水，且所述封壳的壁可包括适用作约束介质的一种或多种材料。在一些方面中，分配器单元280进一步被配置成存储一种或多种约束介质281。在一些方面中，设备240进一步包括被配置成存储一种或多种约束介质281的约束介质存储单元。
本公开的方法和设备涉及局部LSP以用于在AM期间的构建材料的定点改性，这会提供优于所属领域的优点。举例来说，在AM期间的局部LSP实现所制造物件252的表面下方水印或其它物理标记的嵌入。另外，本公开的方法和设备可促进防伪操作。
在一些方面中，分配器单元280可用于改性具有期望性质的物件252中的固化构建材料，例如出于标记、识别或防伪目的和相关检测方法，或将合乎需要的材料性质赋予到所制造物件。在一些方面中，经改性材料或经改性固化区域相较于所述构建材料可对x射线辐射更为不透明。在一些方面中，经改性材料相较于未经改性固化构建材料可对放射性更为不透明。优选的是，经改性材料在一个或多个物理化学性质上不同于增材构建材料，在以下论述中提供其实例的非详尽性列表。在一些方面中，经改性材料可具有相较于固化状态下的构建材料的不同密度。在一些方面中，经改性材料相较于固化状态下的构建材料具有更高密度。在一些方面中，经改性材料相较于固化状态下的构建材料可具有不同疲劳强度。在一些方面中，经改性材料相较于构建材料具有不同抗裂性。在一些方面中，对固化构建材料的一部分的改性引起部件的内应力剖面的有利改变。举例来说，对固化构建材料的一部分的LSP改性可减少对构建时的支撑结构的需要以及减少对后处理操作的需要且使得能够更为易于制得许多类型的结构。在一些方面中，经改性材料相较于构建材料具有更高抗腐蚀性。此外，相较于增材构建材料，经改性材料在以下各项中的至少一个上可有所不同：红外(IR)发射率、IR吸收率或反射率、紫外(UV)吸收率或反射率、次级x射线发射能量分布曲线、中子散射分布曲线、表面能、摩擦系数、导热性、导电性。在一些方面中，经改性材料相较于构建材料具有不同硬度。在一些方面中，经改性材料相较于固化区域对x射线更为不透明。在一些方面中，经改性材料相较于固化区域对放射性更为不透明。在一些方面中，经改性材料相较于固化区域具有不同吸收能量，如通过计算机断层(CT)扫描所测量。在一些方面中，经改性固化区域相较于固化区域具有不同微观结构。微观结构改变可影响未经改性固化构建材料的晶体结构、粒度和颗粒定向中的一个或多个。根据本公开的方法，在固化材料的最少(minimal)烧蚀或熔融情况下改性密度和/或微观结构。
如本文中所使用，固化材料的“最少”烧蚀或熔融意味着在将激光器用于改性固化材料的密度和/或微观结构时通过烧蚀或熔融移除所述固化材料的不超过10％。优选的是，在此步骤中的烧蚀或熔融的量低于所述最少量。举例来说，优选的是经烧蚀材料的量不超过烧蚀或熔融固化材料的5％，更优选地不超过1％，甚至更优选地不超过0.1％，最优选地不超过0.01％。烧蚀或熔融的程度可通过所属领域的技术人员已知的任何合适方式确定，包括但不限于比较层内的固体材料在辐照所述固体材料以改性其密度和/或微观结构之前和之后的面积。
在一些方面中，通过LSP改性呈单层形式的构建材料。在一些方面中，通过LSP跨越多个层改性构建材料以获得3D对比度图像。
在约束介质281已经沉积在物件252的最近固化或熔合层的区域253上方之后，在例如振镜扫描器262的辐射发射导向装置的控制下通过能量束270辐照区域253(参见图2B)。振镜扫描器262可包括例如多个可移动镜面或扫描透镜。激光扫描的速度为关键的可控制过程参数，影响将激光功率施加到特定斑点的时间。典型的激光扫描速度约为每秒10到1000毫米。能量束270行进通过约束介质281，从而产生高压受限等离子体且将冲击波发送到区域253中，产生经改性区域253′(参见图2B)。所述等离子体和冲击波可在一些方面中通过使用不透明烧蚀层进一步限制在约束介质281与区域253之间。所述冲击波可在以下性质中的一个或多个上改性区域253：密度、疲劳强度、抗裂性、硬度、内应力和对其它机械故障模式的敏感性。优选的是，所述冲击波在密度、疲劳强度、内应力、抗裂性和硬度中的一个或多个上改善或增强区域253，和/或降低对其它机械故障模式的敏感性。
在一些方面中，所述经改性固化区域在易受疲劳、裂化或其它机械故障模式中的一个或多个影响的物件的区域中。成品物件或部件对机械故障的敏感性可基于设计和/或用例。举例来说，所述部件的一部分可为发动机上的负载支承，例如但不限于撑杆或螺栓附接。同一物件或部件的另一部分可经受最小机械应力(例如，冷却管线)。在一些方面中，所述部件中为负载支承或经受特定应力的所述部分将为经处理的区域。常规LSP可用作对部件中最多经受高应力和机械故障的区域的后处理操作以改善物件使用寿命。作为另一实例，应力可产生为构建过程的一部分。举例来说，内部热应力在增材过程期间积累且可在构建期间、在后处理期间或在使用中导致部件的畸变或甚至裂化。在一些方面中，在与后处理热处理组合的构建期间将部件构建在适当位置的各种类型的支撑结构的使用可减小此类内应力。本公开的过程内LSP方法可提供减小此类内应力的额外机构。
所述能量源可以适合用于增材印刷方法的任何波长发射辐射，如所属领域的技术人员已知。在一些方面中，所述能量源可为用于产生激光束的激光器。在一些方面中，所述能量源可为电子束源，例如当电流流动通过时发射电子的长丝。在一些方面中，单个能量源用于辐照构建材料的给定层的至少一给定部分以形成至少一个固化区域且通过约束介质辐照所述固化区域的至少一个部分以形成经改性固化材料。在一些此类方面中，所述单个能量源为激光源。在其它方面中，不同能量源用于辐照构建材料的给定层的至少一部分以形成至少一个固化区域且通过约束介质辐照所述固化区域的至少一个部分以形成经改性固化材料。在一些此类方面中，可通过激光源进行两个辐照。在其它此类方面中，可通过激光源进行一个辐照且通过电子束源进行另一辐照，所述电子束源视需要使用一个或多个磁体聚焦。在又其它此类方面中，可通过视需要使用一个或多个磁体聚焦的电子束源进行两个辐照。在一些方面中，不同能量源可为两个独立能量源，例如两个激光源，视需要各自独立地使用一个或多个磁体聚焦的两个电子束源或一个激光源和一个电子束源，所述电子束源视需要使用一个或多个磁体聚焦。在其它方面中，不同能量源可通过使用分离器，视需要通过独立振镜扫描器、独立磁体或其它独立光学件从单个能量源(即，单个激光源或单个电子束源)形成。
在辐照以形成经改性区域253′之后，可通过任何合适方式移除和舍弃约束介质281。在一些方面中，分配器单元280进一步被配置成移除约束介质281。在一些方面中，分配器单元280进一步被配置成移除和舍弃约束介质281。在一些方面中，将约束介质281舍弃到废物容器258中(图2C)。在一些方面中，设备240包括用于约束介质281的独立废物容器。在一些方面中，可在辐照以形成经改性区域253′之后移除和舍弃约束介质281。在一些方面中，例如如果约束介质281经不恰当地放置，那么可在辐照以形成经改性区域253′之前移除和舍弃约束介质281。
在形成经改性区域253′之后移除约束介质281之后，降低构建板244，且重涂臂246将构建材料的后续层均匀地散布在粉末床242和物件252的最近固化层上方(参见图2D)。在一些方面中，构建材料的后续层散布在经改性区域253′上方。在一些方面中，不将构建材料的后续层散布在经改性区域253′上方。能量束270在辐射发射导向装置，例如振镜扫描器262的控制下烧结或熔融经构建物件252的横截面层。构建平台244下降并且另一层粉末散布在粉末床和被构建的物件之上，之后通过激光器250连续熔融/烧结粉末。举例来说，粉末层的厚度通常为10到100微米。重复所述过程，直到物件252由熔融/烧结粉末材料完全建成为止。激光器250可以由计算机系统(未展示)控制，所述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250以根据扫描模式辐照粉末材料。在完成物件252的制造后，可以将多个后处理程序施加于物件252。后处理程序包括例如通过吹气或抽真空来移除过量粉末。其它后处理程序包括应力释放过程。此外，热和化学后处理程序能够用于对物件252进行表面处理。
如图2A到2D中所展示，分配器单元280可有利地附接到重涂机构(例如重涂臂246)以实现分配器单元280围绕构建环境的二维或三维移动。
图2E展示附接到重涂臂246的分配器单元280的实例。重涂臂246的正常运动实现在一个维度(图2A到2D中的方向264或在图2E中通过箭头“Y”指示的方向)上的定位。将重涂臂用作轨道结合用以实现沿着所述轨道的运动的机构实现在第二维度(在图2E中由箭头“X”指示的方向)上的运动。在一个实施例中，实现运动的此机构为线性齿轮和电动机。在另一实施例中，此机构为结合附接到分配器单元280的传动皮带安装到重涂臂246的电动机。在另一实施例中，所述运动机构为狭槽型电动机或磁悬浮驱动器。构建表面的运动实现在第三维度(在图2E中由箭头“Z”指示的方向)上的运动。
本发明的重要方面为对在某种程度上包括和/或接近于构建表面释放的约束介质281的需要。这是因为如果约束介质281并不受限或足够接近于构建表面释放，那么将难以精确控制将约束介质281沉积在何处。有必要距离构建表面不超过2cm而释放约束介质281以便足够接近，优选的是0.01到0.1cm。优选的是，所述约束介质经分配以与构建表面进行接触。在其它方面中，所述约束介质经分配以在约束介质与构建表面之间留下不超过0.1mm的间距。可通过所属领域中已知的任何合适方式建立和/或测量所述间距。出于此原因，可能有利的是重涂臂246可经操作以在竖直方向上(例如，如在图2E中由箭头“Z”指示)进一步移动和定位分配器单元280。此外，在某些实施例中，重涂臂246(图2E)可经操作以在方向264(图2A到2D)或在图2E中通过箭头“Y”指示的方向上移动和定位分配器单元280。此外，沿着重涂臂246自身的长度(例如，如在图2E中由箭头‘X’指示)的移动实现在第二方向上的移动和定位。重要的是，重涂臂246上的分配器单元280与粉末床242的接近性确保分配器单元280足够接近于粉末床242和构建表面。可使用驱动电动机和线性齿轮机构、驱动电动机和传动皮带、狭槽型电动机驱动器或磁悬浮(magnetic levitation，mag-lev)驱动器促进沿着重涂臂246的长度的移动。
图2E展示根据本公开的第一实施例的附接到重涂臂246的分配器单元280的近视图。在一些方面中，重涂臂246可包括重涂叶片410。在一些方面中，分配器单元280包括弹簧411、滑动活塞412、真空活塞413、一个或多个导轨414和一种或多种约束介质281。通过滑动活塞412将约束介质281推动到导轨414和真空活塞413上。真空活塞413接着在制造物件252时将约束介质281沉积到构建材料的最近固化或熔合层的一个或多个熔合或固化区域的至少一部分253上。在一些方面中，滑动活塞412可连接到气体源以促进将约束介质281推动到导轨414和真空活塞413上(和弹簧411的部分释放)。
图2E展示壳体415，其不仅用作固持具有弹簧411、滑动活塞412、真空活塞413和导轨414的分配器单元280的框架，而且定位约束介质281的放置，例如载玻片的堆叠。向下(即远离弹簧411和朝向构建表面)延伸的真空活塞413和导轨414确保约束介质281置于构建表面上。导轨414的底部与构建表面之间存在的小间距允许实现重涂叶片410的移动的间隙。分配器单元280的竖直移动实现约束介质281从构建表面的移除。
根据本公开的第二实施例，设备240可配备有分配器单元280。在第二实施例中，分配器单元280可附接到可与重涂机构分离的定位单元，例如定位单元283(图3A)。在图3E中进一步详细展示定位单元283。图3A中所展示的粉末床设备可与图2A中所展示的设备具有相同特征。相对于附接到重涂臂246的分配器单元280(图2A到2D)所描述的所有方面将相等的力施加到附接到定位单元283的分配器单元280(图3A到3D)。在物件252的制造期间形成构建材料的至少一个固化区域之后，分配器单元280将约束介质281沉积在物件252的最近固化或熔合层的固化区域的至少一部分253上方(参见图3A)。
分配器单元280将为惯性干扰/等离子体约束透明覆层的约束介质281沉积在构建材料的最近固化或熔合层的一个或多个固化区域的至少一部分上方。分配器单元280可用于沉积适合结合设备240和构建材料使用的任何约束材料。适用作约束材料或约束介质的材料包括但不限于玻璃、聚合物、石英、多层材料和液体填充封壳。所述多层材料可包括适用作约束材料的材料的两个或多于两个层。液体填充封壳可用例如但不限于水的一种或多种液体填充，且封壳壁可包括适用作约束材料的一种或多种材料。在一些方面中，分配器单元280进一步被配置成存储一种或多种约束介质281。在一些方面中，设备240进一步包括被配置成存储一种或多种约束介质281的约束介质存储单元。
本公开的方法和设备涉及局部LSP以用于在AM期间的构建材料的定点改性，这会提供优于所属领域的优点。举例来说，在AM期间的局部LSP实现所制造物件252的表面下方水印或其它物理标记的嵌入。另外，本公开的方法和设备可促进防伪操作。
在一些方面中，分配器单元280可用于改性具有期望性质的物件252中的固化构建材料，例如出于标记、识别或防伪目的和相关检测方法，或将合乎需要的材料性质赋予到所制造物件。在一些方面中，经改性材料或经改性固化区域相较于所述构建材料可对x射线辐射更为不透明。在一些方面中，经改性材料相较于未改性的固化构建材料可对放射性更为不透明。优选的是，经改性材料在一个或多个物理化学性质上不同于增材构建材料，在以下论述中提供其实例的非详尽性列表。在一些方面中，经改性的材料可具有相较于固化状态下的构建材料的不同密度。在一些方面中，经改性的材料相较于固化状态下的构建材料可具有不同疲劳强度。在一些方面中，经改性的材料相较于固化状态下的构建材料具有不同抗裂性。在一些方面中，对固化构建材料的一部分的改性引起部件的内应力剖面的有利改变。举例来说，对固化构建材料的一部分的LSP改性可减少对构建时的支撑结构的需要以及减少对后处理操作的需要且使得能够更为易于制得许多类型的结构。在一些方面中，经改性的材料相较于构建材料具有更高抗腐蚀性。此外，相较于增材构建材料，经改性的材料在以下各项中的至少一个上可有所不同：红外(IR)发射率、IR吸收率或反射率、紫外(UV)吸收率或反射率、次级x射线发射能量分布曲线、中子散射分布曲线、表面能、摩擦系数、导热性、导电性。在一些方面中，经改性的材料相较于构建材料具有不同硬度。在一些方面中，经改性的材料相较于固化区域具有不同吸收能量，如通过CT扫描所测量。在一些方面中，经改性的固化区域相较于固化区域具有不同微观结构。微观结构改变可影响未改性的固化构建材料的晶体结构、粒度和颗粒定向中的一个或多个。
在一些方面中，通过LSP改性呈单层形式的构建材料。在一些方面中，通过LSP跨越多个层改性构建材料以获得3D对比度图像。
在约束介质281已经沉积在物件252的最近固化或熔合层的区域253上方之后，在例如振镜扫描器262的辐射发射导向装置的控制下通过能量束270辐照区域253(参见图3B)。振镜扫描器262可包括例如多个可移动镜面或扫描透镜。激光扫描的速度为关键的可控制过程参数，影响将激光功率施加到特定斑点的时间。典型的激光扫描速度约为每秒10到1000毫米。能量束270行进通过约束介质281，从而产生高压受限等离子体且将冲击波发送到区域253中，产生经改性的区域253′(参见图3B)。所述等离子体和冲击波可在一些方面中通过使用不透明烧蚀层进一步限制在约束介质281与区域253之间。所述冲击波可在以下性质中的一个或多个上改性区域253：密度、疲劳强度、抗裂性、硬度、内应力和对其它机械故障模式的敏感性。优选的是，所述冲击波在密度、疲劳强度、内应力、抗裂性和硬度中的一个或多个上改善或增强区域253，和/或降低对其它机械故障模式的敏感性。
在一些方面中，所述经改性的固化区域在易受疲劳、裂化或其它机械故障模式中的一个或多个影响的物件的区域中。成品物件或部件对机械故障的敏感性可基于设计和/或用例。举例来说，所述部件的一部分可为发动机上的负载支承，例如但不限于撑杆或螺栓附接。同一物件或部件的另一部分可经受最小机械应力(例如，冷却管线)。在一些方面中，所述部件中为负载支承或经受特定应力的所述部分将为经处理的区域。常规LSP可用作对部件中最多经受高应力和机械故障的区域的后处理操作以改善物件使用寿命。作为另一实例，应力可产生为构建过程的一部分。举例来说，内部热应力在增材过程期间积累且可在构建期间、在后处理期间或在使用中导致部件的畸变或甚至裂化。在一些方面中，在与后处理热处理组合的构建期间将部件构建在适当位置的各种类型的支撑结构的使用可减小此类内应力。本公开的过程内LSP方法可提供减小此类内应力的额外机构。
所述能量源可以适合用于增材印刷方法的任何波长发射辐射，如所属领域的技术人员已知。在一些方面中，所述能量源可为用于产生激光束的激光器。在一些方面中，所述能量源可为电子束源，例如当电流流动通过时发射电子的长丝。在一些方面中，不同能量源用于辐照构建材料的给定层的至少一部分以形成至少一个固化区域且通过约束介质辐照所述固化区域的至少一个部分以形成经改性固化材料。在一些此类方面中，可通过激光源进行两个辐照。在其它此类方面中，可通过激光源进行一个辐照且通过电子束源进行另一辐照。在又其它此类方面中，可通过视需要使用一个或多个磁体聚焦的电子束源进行两个辐照。在一些方面中，不同能量源可为两个独立能量源，例如两个激光源，视需要各自使用一个或多个磁体聚焦的两个电子束源或一个激光源和一个电子束源，所述电子束源视需要使用一个或多个磁体聚焦。在其它方面中，不同能量源可通过使用分离器，视需要通过独立振镜扫描器、独立磁体或其它独立光学件从单个能量源(即，单个激光源或单个电子束源)形成。
在辐照以形成经改性区域253′之后，可通过任何合适方式移除和舍弃约束介质281。在一些方面中，分配器单元280进一步被配置成移除约束介质281。在一些方面中，分配器单元280进一步被配置成移除和舍弃约束介质281。在一些方面中，将约束介质281舍弃到废物容器258中(图3C)。在一些方面中，设备240包括用于约束介质281的独立废物容器。在一些方面中，可在辐照以形成经改性区域253′之后移除和舍弃约束介质281。在一些方面中，例如如果约束介质281经不恰当地放置，那么可在辐照以形成经改性区域253′之前移除和舍弃约束介质281。
在形成经改性区域253′之后移除约束介质281之后，降低构建板244，且重涂臂246将构建材料的后续层均匀地散布在粉末床242和物件252的最近固化层上方(参见图3D)。在一些方面中，构建材料的后续层散布在经改性区域253′上方。在一些方面中，不将构建材料的后续层散布在经改性区域253′上方。能量束270在辐射发射导向装置，例如振镜扫描器262的控制下烧结或熔融经构建物件252的横截面层。构建平台244下降并且另一层粉末散布在粉末床和被构建的物件之上，之后通过激光器250连续熔融/烧结粉末。举例来说，粉末层的厚度通常为10到100微米。重复所述过程，直到物件252由熔融/烧结粉末材料完全建成为止。激光器250可以由计算机系统(未展示)控制，所述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250以根据扫描模式辐照粉末材料。在完成物件252的制造后，可以将多个后处理程序施加于物件252。后处理程序包括例如通过吹气或抽真空来移除过量粉末。其它后处理程序包括应力释放过程。此外，热和化学后处理程序能够用于对物件252进行表面处理。
如图3A到3D中所展示，分配器单元280可有利地附接到定位单元(例如，定位单元283)以实现分配器单元280围绕构建环境的二维或三维移动。
图3E展示附接到定位单元283的分配器单元280的实例。定位单元283可为与重涂臂246分离的机动机械臂，例如图3E的机械臂283，且定位单元283优选的是受计算机控制。另一方面，定位单元283可为台架，例如X-Y-Z台架，从而可利用多个轨道或横梁、传动皮带、传动螺钉和/或笛卡尔台架以接近于粉末床242定位分配器单元。在又另外的替代方面中，定位单元283可为机器人、缆索机器人、皮带传动等。在一些方面中，分配器单元280沿着轨道570的运动和/或将定位单元283用作轨道实现分配器单元280在一个维度(例如，如在图3E中由箭头“X”指示)上的移动和定位，且轨道570沿着侧壁675的运动实现分配器单元280在第二维度(例如，如在图3E中由箭头“Y”指示)上的移动和定位。另外，在一些方面中，构建表面的运动可实现分配器单元280在第三维度(例如，如在图3E中由箭头“Z”指示)上的移动和定位。
本发明的重要方面为对在某种程度上包括和/或接近于构建表面释放的约束介质281的需要。这是因为如果约束介质281并不受限或足够接近于构建表面释放，那么将难以精确控制将约束介质281沉积在何处。有必要距离构建表面不超过2cm而释放约束介质281以便足够接近，优选的是0.01到0.1cm。优选的是，所述约束介质经分配以与构建表面进行接触。在其它方面中，所述约束介质经分配以在约束介质与构建表面之间留下不超过0.1mm的间距。可通过所属领域中已知的任何合适方式建立和/或测量所述间距。出于此原因，可能有利的是图3E中的定位单元283可经操作以在竖直方向上(例如，在图3E中如由箭头“Z”指示)进一步移动和定位分配器单元280。此外，在某些实施例中，定位单元283(图3E)可经操作以在方向264上(图3A到3D)或在图3E中由箭头“Y”指示的方向上移动和定位分配器单元280。此外，沿着定位单元283自身的长度(例如，在图3E中如由箭头‘X’指示)的移动实现在第二方向上的移动和定位。重要的是，定位单元283上的分配器单元280与粉末床242的接近性确保分配器单元280足够接近于粉末床242和构建表面。可使用驱动电动机和线性齿轮机构、驱动电动机和传动皮带、狭槽型电动机驱动器或磁悬浮(magnetic levitation，mag-lev)驱动器促进沿着定位单元283的长度的移动。
图3E展示根据本公开的第二实施例的附接到定位单元283的分配器单元280的近视图。在一些方面中，分配器单元280包括弹簧511、滑动活塞512、真空活塞513、一个或多个导轨514和一种或多种约束介质281。通过滑动活塞512将约束介质281推动到导轨514和真空活塞513上。真空活塞513接着在制造物件252时将约束介质281沉积到构建材料的最近固化或熔合层的一个或多个熔合或固化区域的至少一部分253上。在一些方面中，滑动活塞512可连接到气体源以促进将约束介质281推动到导轨514和真空活塞513上(和弹簧511的部分释放)。
图3E展示根据本公开的第二实施例的附接到定位单元283的分配器单元280的近视图。图3E中所展示的分配器单元280可与图2E中所展示的分配器单元具有相同特征。相对于附接到重涂臂246的分配器单元280(图2E)所描述的所有方面将相等的力施加到附接到定位单元283的分配器单元280(图3E)。
图3E展示壳体515，其不仅用作固持具有弹簧511、滑动活塞512、真空活塞513和导轨514的分配器单元280的框架，而且定位约束介质281的放置，例如载玻片的堆叠。向下(即远离弹簧511和朝向构建表面)延伸的真空活塞513和导轨514确保约束介质281置于构建表面上。导轨514的底部与构建表面之间存在的小间距允许实现定位单元283的移动的间隙。分配器单元280的竖直移动实现约束介质281从构建表面的移除。在此实施例中提供的额外竖直移动适用于具有降低构建板的系统中(例如，如图1中所示)以及具有静止构建板的系统中，包括但不限于在以下专利申请中所描述的系统：
名称为“Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume”的美国专利申请号15/406,467，代理卷号为037216.00059，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Mobile Scan Area”的美国专利申请号15/406,454，代理卷号为037216.00060，并于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Dynamically Grown BuildEnvelope”的美国专利申请号15/406,444，代理卷号为037216.00061，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Selective Recoater”的美国专利申请号15/406,461，代理卷号为037216.00062，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Large Scale Additive Machine”的美国专利申请号15/406,471，代理卷号为037216.00071，并于2017年1月13日提交。
这些申请的公开内容整体并入本文，只要它们公开了可与本文公开的增材制造方法和设备结合使用的增材制造方法和设备的额外方面。
本文中所描述的方法和设备可与适合用于增材印刷中的任何构建材料一起使用，如所属领域的技术人员已知。在一些方面中，所述构建材料为粉末状金属。在一些方面中，所述构建材料为钴铬。
本公开的方法和设备可以与所属领域中已知的增材印刷方法结合使用，包括但不限于直接金属激光熔融(direct metal laser melting，DMLM)、立体光刻(stereolithography，SLA)、选择性激光熔融(selective laser melting，SLM)和其它基于粉末的过程。在一些方面中，本公开涉及使用DMLM制造物件的方法。在一些方面中，本公开的方法和系统可以与DMLM方法结合使用，包括构建至少一层腔室壁，通过使重涂臂在粉末层上方通过而在所述至少一层腔室壁内提供所述粉末层，辐照所述粉末层以形成熔合区域，且接着重复直到物件形成于所述腔室壁内为止。以下专利申请包括这些各个方面和其用途的公开内容：
名称为“Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume”的美国专利申请号15/406,467，代理卷号为037216.00059，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Mobile Scan Area”的美国专利申请号15/406,454，代理卷号为037216.00060，并于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Dynamically Grown BuildEnvelope”的美国专利申请号15/406,444，代理卷号为037216.00061，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Selective Recoater”的美国专利申请号15/406,461，代理卷号为037216.00062，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Large Scale Additive Machine”的美国专利申请号15/406,471，代理卷号为037216.00071，并于2017年1月13日提交。
这些申请的公开内容整体并入本文，只要它们公开了可与本文公开的增材制造方法和设备结合使用的增材制造方法和设备的额外方面。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使得所属领域的任何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并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可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。根据本申请的原理，来自所描述的各种实施例的各方面以及每个这样的方面的其它已知等效物可以由所属领域的技术人员混合和匹配以构建额外的实施例和技术。

Claims (10)

1.一种制造物件的方法，包括：
(a)通过能量源辐照构建材料的给定层的至少一部分以形成至少一个固化区域；
(b)提供构建材料的后续层；
(c)重复步骤(a)和(b)直到形成所述物件为止；以及
(d)辐照所述固化区域的至少一个部分以在所述固化材料的最少烧蚀或熔融的情况下改性所述固化材料的密度和/或微观结构的至少一个步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(d)包括将约束材料放置在待辐照的所述固化区域的所述至少一个部分上方的至少一个步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(d)包括通过约束介质辐照所述固化区域的所述至少一个部分的至少一个步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：进一步包括在通过所述约束介质辐照所述固化区域的所述至少一个部分的所述至少一个步骤之后移除所述约束介质。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述构建材料为粉末状金属。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过同一激光源进行步骤(a)中的所述辐照和步骤(d)中的所述辐照。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过不同能量源进行步骤(a)中的所述辐照和步骤(d)中的所述辐照。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：通过电子束源进行步骤(a)中的所述辐照。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：辐照所述固化区域的所述至少一个部分的所述至少一个步骤改性所述固化区域的所述至少一个部分以形成经改性固化区域，其中所述经改性固化区域以以下方式中的一个或多个不同于所述固化区域：
所述经改性固化区域相较于所述固化区域对x射线更为不透明；
所述经改性固化区域相较于所述固化区域对放射性更为不透明；
所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同密度；
所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同微观结构；
所述经改性固化区域与所述固化区域具有不同内应力；以及
所述经改性固化区域相较于所述固化区域具有不同吸收能量，如通过计算机断层(CT)扫描所测量。
10.一种用于基于金属的增材制造的设备，包括：
激光源；
粉末分配器；
约束介质分配器；以及
定位单元，用以在至少两个维度上移动所述约束介质分配器。
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