CN109420764A - 多孔结构 - Google Patents

Abstract

形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构的方法。所述方法包含在彼此顶部上形成材料的连续层并且，对于每一层，根据具有空隙以在一个或多个维度中可渗透的几何结构选择性地熔合粉末状材料，和从所述层选择性地侵蚀材料以产生附加渗透性。

Description

多孔结构

技术领域

本公开涉及多孔结构和其形成方法。

背景技术

多孔结构可用于各种目的，如过滤、声音吸收、减震、催化、医疗植入物，和用于减重。多孔结构还可形成散热管的基础，其中工作流体经由毛细作用通过多孔管芯从冷部位移动到热部位，此时所述工作流体蒸发并且返回到冷部位。

在这些情况中的每一种中，有必要谨慎地控制结构的渗流力学，以便实现期望效果。

发明内容

本发明涉及用于形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构的方法和设备。

在一种方法中，在彼此顶部上形成金属或合金材料的连续层。方法包括，对于每一层，根据几何结构选择性地熔合粉末状材料，所述几何结构限定空隙使得所述几何结构在一个或多个维度中可渗透。粉末状材料在足以完全熔合材料的能量密度下熔合。然后从层选择性地侵蚀材料，从而产生附加渗透性。

还提供实施此方法的设备。

附图说明

现在将仅参考附图借助于实例描述实施例，所述附图纯粹为示意性的并且不按比例，并且其中：

图1示出用于形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构的设备；

图2以平面视图示出多孔结构；

图3A和3B分别为沿图2的A-A和B-B的多孔结构的截面；

图4A和4B示出替代多孔结构；

图5示出形成图1的设备的一部分的控制器；

图6示出在图5的控制器中的存储器中的指令和数据的映射；

图7详述通过图5的控制器进行的操作；

图8详述通过在图5的控制器中的系统控制模块进行的操作；

图9A和9B详述在图2的多孔结构中产生附加渗透性的两种替代方式；和

图10示出执行熔合和/或侵蚀的功能。

具体实施方式

在图1中示出用于形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构的设备101。

设备101在配置方面类似于现有增材制造系统。因此，简单来说，其包含被配置成将粉末状材料递送到粉末床103的粉末递送系统102。粉末递送系统102包含粉末料斗104以存储供电材料105，其在此实施例中为金属粉末。在本文论述的实施例中，金属粉末为镍基超合金。具体地说，镍基超合金为英高镍（Inconel）718。可使用其它镍基超合金，如英高镍625、CM247LC、CMSX486或其它。替代地，金属粉末可为铝合金（如AlSi10Mg或其它）、钛合金（如Ti6Al4V或类似物）或另一种其它金属或另一种合金。

在本实例中，粉末状材料为经雾化的气体，然而，可使用其它粉末雾化方法或实际上任何其它形成粉末状材料的方法。在本实例中，粉末状材料的最大尺寸为约15到53微米，但应了解可使用其它粉末细度。

粉末料斗104包括升高料斗104的底座的活塞106。粉末递送系统102进一步包含滚筒107，其将升高的电力递送到粉末床103。粉末床103含有粉末状材料105，其通过粉末熔合系统选择性地熔合，在此实例中所述粉末熔合系统包含呈激光系统108和扫描系统109形式的能量源。活塞110降低粉末床103的底座以允许多孔结构111逐层累积。在本实施例中，每一层为20微米厚。然而，在其它考虑因素之中，可根据所需分辨率选择其它厚度，如至多大约100微米或任一其它厚度。

设想设备101可用于形成为用于散热管（其可为回路散热管）的管芯、热交换器的构成部件、气体过滤器、液体过滤器或声学面板的多孔结构111。然而，应了解可通过本发明的方法和设备的实施例产生其它类型的多孔结构。

在本实施例中，激光系统108用于产生激光束112，其通过扫描系统109聚焦并且在粉末床103上扫描。在此实施例中，激光系统108为纤维激光器，并且在一个具体实施例中为镱纤维激光器。在此实施例中，扫描系统109包含可移动镜面系统以允许激光束112在两个维度中扫描。在图1中说明的具体实施例中，粉末递送系统、粉末床和粉末熔合系统维持在惰性环境113中，如高真空、氩气或等同物。

活塞106和110与滚筒107的协调通过控制器114以常规方式执行。在粉末熔合系统中，即在此实施例中，控制器113还控制激光系统108和扫描系统109的操作。控制器114将参考图5进一步详述。

在本实施例中，设备101用于执行激光粉末床熔合。在本实施例中，设备101通过熔融粉末状材料105来使其熔合。在此具体实施例中，这通过使用激光系统108执行粉末状材料105的选择性激光熔融来实现。在一替代实施例中，设备101用于选择性地烧结粉末状材料105。在这种情况下，粉末状材料通过烧结而熔合。

如将参考图9A进一步描述，设备101可用于在低于形成具有零或接近零孔隙度的固体制品所需的能量密度的能量密度下熔合粉末状材料105。这是因为粉末状材料105的熔合为随机过程，并且因此在较低能量密度下，供电材料中的一些而非全部进行熔合。

替代地，设备101可用于在形成具有零或接近零孔隙度的大体上固体制品的能量密度下熔合粉末状材料105，随后是侵蚀的过程，其中能量源，在此实例中为激光系统108，在引起材料的侵蚀且由此增加孔隙度的能量密度下操作。材料可由于高温而通过烧蚀消除。

将参考图6到10进一步描述通过控制器114进行的控制粉末熔合系统的步骤。

在一替代实施例中，粉末熔合系统可代替地为电子束熔融系统。因此，并不是激光束112熔合（熔融、烧结或以其它方式）粉末状材料105或侵蚀熔合的材料，而是使用通过电子源产生的电子束。

多孔结构111在通过设备101完成后，以平面视图在图2中示出。

将看到，多孔结构111具有两种孔隙度来源。第一孔隙度来源为扫描系统109根据在一个或多个维度中具有空隙的几何结构将激光束112引导在粉末状材料105上。在此实例中，几何结构呈筛网形式，在这种情况下其具体地说为栅格，使得形成具有正方形截面的空隙。几何结构可采取不同形式，如将参考图4A和4B进一步描述。

第二孔隙度来源是由于粉末熔合系统的操作模式和形成多孔结构111的能量源的能量密度。如先前所描述，根据针对形成多孔结构111选择的参数，低能量密度熔合方法可产生附加渗透性，或高能量密度侵蚀方法可产生附加渗透性。

沿图2的A-A的截面在图3A中示出。在多孔结构111逐层累积时，在栅格中的间隙形成一维空隙。在其中多孔结构111是为了形成散热管中的管芯的具体实例中，这可促进流体优先在箭头F₁的方向上流动。在其中多孔结构111是为了形成交通工具废气触媒剂主体的替代实例中，这可通过准许优先在箭头F₁的方向上流动而产生较低背压。

沿图2的B-B的截面在图3B中示出。通过低能量密度熔合或高能量密度侵蚀产生附加渗透性的结果为在多孔结构内孔网络打开，以在除了由几何结构限定的那一或那些维度（由箭头F₂和F₃所示）之外的维度中产生渗透性，粉末熔合系统通过所述几何结构形成多孔结构111。通过变化由层的几何结构形成的孔隙度和由针对形成多孔结构111选择的参数形成的孔隙度，其渗流力学可受控制。

因此，参考其中多孔结构111是为了形成散热管中的管芯的具体实例，这可促进工作流体在整个管芯中更均匀的分布，从而提高散热管的效率。参考其中多孔结构111是为了形成交通工具废气触媒剂主体的替代实例，孔网络可为催化剂的操作提供增大的表面积。

因此应理解，通过粉末熔合系统形成的层的几何结构中的空隙和通过控制熔合和任选地侵蚀参数形成的附加渗透性的组合，允许本发明的方法和设备的实施例形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构。

通过使用不同几何结构形成的多孔结构401的平面视图在图4A中示出。多孔结构401的几何结构为蜂巢。多孔结构401可应用为结构元件并且可有助于减重。举例来说，其还可应用为粉碎结构的一部分。

通过使用另一种不同几何结构形成的多孔结构402的平面视图在图4B中示出。多孔结构401的几何结构为筛网，具体来说包含多个互连的圆圈的筛网。多孔结构402可应用于气体或液体过滤系统中。

其它几何结构是可以的。实际上，设想空隙可存在于多于一个维度中，例如两个维度，使得，例如，可促进在任何所需方向上流体流动。

因此应了解，通过粉末熔合系统形成的每一层的几何结构可具有任何形式，只要在一个或多个维度中存在空隙。在图2、3A、3B、4A和4B中示出的实施例中，层示出为具有相同几何结构。然而，设想在替代实施方案中，几何结构可随层不同而改变。这将允许多孔结构具有不规则整体形状中的一种或多种，并且具有形状改变的空隙。

控制器114更详细地在图4中示出。在本实例中，控制器114采取个人计算机（PC）的形式。

控制器114包含处理器，如中央处理单元（CPU）501。在此实例中，中央处理单元401为单个因特尔（RTM）核心i7处理器，具有在3.2吉兆赫下操作的四个芯片内处理核心。可以的是可提供具有更多或更少核心的其它处理器配置。此外，包含两个或更多个这类处理器的多插口布置可用于在执行指令中提供高度的并行性。

通过随机存取存储器（RAM）502提供存储器，在此实例中其为容量总计8千兆字节的DDR4 SDRAM。其它容量是可以的。RAM 402允许通过控制器114存储频繁使用的指令和数据结构。

非易失性存储由存储装置这类固态硬盘（SSD）503提供，在此实例中所述存储装置的容量为256千兆字节。其它容量是可以的。SSD 503存储操作系统和应用程序数据。在一替代实施例中，存储装置可为机械硬盘驱动器。在一替代实施例中，提供多个存储装置并且被配置为RAID阵列以改进数据访问时间和/或冗余。

网络接口504有助于与分组网络如局域网通信。另外，提供外围接口505。在此实施例中，外围接口505包含RS232串联接口以将控制器114连接到设备101的其它部分从而允许控制其。外围接口505进一步包含通用串行总线接口以有助于人类接口装置连接到控制器114，以及VGA接口以允许显示器连接到控制器114。

尽管在本实施例中外围接口505包含RS232串行接口、通用串行总线接口和VGA接口，但可使用其它外围接口类型，如并行接口和/或IEEE 1394高速串行总线。替代地，可使用一种或多种无线接口，如IEEE 802.11x标准系列和/或蓝牙（RTM）的构件。

控制器114进一步包含光盘驱动器，如CD-ROM驱动器506，可将非暂时性计算机可读媒体如光盘例如CD-ROM 507插入到其中。CD-ROM 507包含计算机可读指令，在此实例中其有助于通过设备101实施本发明的方法。

在使用时，指令安装在固态硬盘503上，装载到RAM 502中，并且然后通过CPU 501执行。替代地，指令可经由网络接口504作为包数据508从网络附接存储装置下载。

在控制器114内的组件之间的通信通过总线509促进。

应了解，以上系统仅为可满足控制器305的作用的系统配置的实例。可使用具有处理装置、存储器、存储装置和外围接口以与设备101中的其余组件通信的任何其它系统。因此在一替代实施例中，设想可生成专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）可被配置成使得它们执行与控制器114相同的操作。

在控制器114中的存储器中的指令和数据的映射在图6中示出。

操作系统601经由硬件抽象层与控制器114的硬件组件和附接到其的外围配置通信，如在图5中所标识。在本实例中，操作系统601为基于NT的操作系统，如微软（RTM）Windows（RTM）10。可使用适合在控制器114上使用的其它操作系统。在本实例中，可选择IBM（RTM）PC相容的任何系统。

提供系统控制模块602，其与激光系统控制模块603和扫描系统控制模块604通信。

在本实施例中，激光系统控制模块603和扫描系统控制模块604包含装置驱动器，其提供接口以允许控制物理激光系统108和扫描系统109。

在操作中，将从控制器114的操作员接收指令以开始通过设备101产生多孔结构。操作系统601将此指令传送到系统控制模块602，这将协调多孔结构的产生。将参考图7到10进一步描述通过系统控制模块602进行的操作。

在替代实施例中，具体来说其中控制器114代替地通过专用硬件如ASIC或FPGA实施的那些，可以不存在操作系统，并且在图6中示出的模块的映射可代替地仅考虑到为在硬件中实施的功能模块的抽象表示。

在本实施例中通过控制器114进行的操作在图7中阐述。

在步骤701，控制器114开启，并且在步骤702，询问关于是否已经安装用于系统控制模块602的指令的问题。如果否，那么在步骤703，安装如先前描述的来自CD-ROM 507或作为包数据508下载的指令。

接着，或如果先前已安装指令，那么系统控制模块602执行并且在步骤704形成多孔结构。然后在步骤705询问关于是否需要形成另一多孔结构的问题。如果是，那么控制返回到步骤704，其中然后形成下一多孔结构。如果否，那么在步骤706，控制器114关闭。

在本实施例中在步骤704期间通过系统控制模块602进行的操作在图8中阐述。

在步骤801，获取限定用于多孔结构的层的几何结构的文件。在本实例中，文件为STL文件格式文件。替代地，文件可为AMF文件格式文件或适合于限定几何结构的任何其它文件。根据文件格式，步骤801可涉及切片用于多孔结构的几何结构和准备限定待通过扫描系统扫描的路径的G代码或类似物的过程。替代地，在步骤801中获取的文件可包含先前产生的G代码。

在步骤802，读取第一层。然后在步骤803形成所述层，这将参考图9A和9B进一步描述。然后在步骤804询问关于在文件中是否存在另一层的问题。如果是，那么在步骤805，系统控制模块602通过降低活塞110、升高活塞106和使用滚筒107以将新一层粉末状材料105从粉末料斗102移动到粉末床103中来为下一层准备粉末床。

最后，将形成所有层并且在步骤804询问的问题将回答为否定的。然后完成步骤704。

如先前描述，在本发明的一个实施例中，粉末熔合可在低能量密度下进行以仅部分地熔融或烧结粉末状材料105，因此产生除了由在每一层的几何结构中的空隙提供的渗透性之外的附加渗透性。在另一个实施例中，粉末熔合可进行以产生具有零或接近零孔隙度的层，随后是侵蚀过程以产生附加渗透性。

图9A详述当进行第一方法时的步骤803。在步骤901，将标记设定成进行低能量密度熔合方法的效果。控制进行到步骤902，其中进行激光熔合方法。考虑在步骤901设定的标记，将参考图10描述执行步骤902的操作。

图9B详述当进行第二方法时的步骤803。在步骤911，将标记设定成进行正常能量密度熔合方法的效果。控制进行到步骤912，其中进行激光熔合方法。在步骤913，将标记设定成进行侵蚀方法的效果。控制进行到步骤914，其中进行激光侵蚀方法。考虑在步骤911和913设定的标记，将参考图10描述执行步骤912和914而进行的操作。

在步骤902、912或914执行激光熔合或激光侵蚀的本实施例的功能在图10中示出。

功能通过获取材料规格开始于步骤1001，并且在调用功能之前，设定标记类型。这有助于在步骤1002确定实现期望方法结果的所需能量密度。能量源（在此实例中其为激光系统108和扫描系统109）的体积能量密度为激光功率、扫描间距、扫描速度和层厚度的函数。其单位为焦耳/立方毫米。（面积能量密度为激光功率、扫描间距和扫描速度的函数。其单位为焦耳/平方毫米。）

可示出低于一定能量密度，不发生材料的完全固结。已发现，对于多种镍基超合金（包括CM247LC、CMSX486、英高镍625和英高镍718），在能量密度增加超过约85焦耳/立方毫米时，发生粉末状材料的完全固结。因此，对于例如20微米的期望层厚度，面积能量密度将为1.7焦耳/平方毫米。

在较高能量密度下，通常高大约两到三个数量级，发生这类粉末状材料的侵蚀。因此，在本实施例中，粉末状材料和设定的标记的细节用于确定所需能量密度。

在一实例中，材料为镍基超合金，并且在步骤901设定低能量密度标记后，在步骤902熔合材料。在这类实例中，在步骤1002期间体积能量密度设定在15到70焦耳/立方毫米之间，即低于发生完全固结的密度。以此方式，仅一部分粉末状材料将熔融，在层中产生除了层几何结构中固有的孔隙度之外的附加孔隙度。

在另一实例中，材料为镍基超合金，并且在步骤911设定正常能量密度标记后，在步骤912熔合材料。在这类实例中，在步骤1002期间能量密度设定成100焦耳/立方毫米以实现粉末的完全固结，从而产生零或接近零孔隙度。

在另一实例中，材料为镍基超合金，并且在步骤913设定侵蚀标记后，在步骤914侵蚀材料。在这类实例中，在步骤1002期间能量密度设定成1500到10000焦耳/立方毫米之间。

在确定所需能量密度后，在步骤1003通过控制系统模块602借助于激光控制模块603启动激光系统。激光在必需的功率下用于提供所需能量密度。然后，在步骤1004，控制系统模块602经由扫描控制模块603移动激光束112以熔合粉末状材料（或侵蚀熔合的材料）从而实现当前层的所需几何结构。在本实例中，步骤1004包括光栅扫描激光束112以填充所形成的层的几何结构的过程。当与激光功率组合时，光栅扫描中的行间距和其发生的速率设定成产生在步骤1002确定的所需能量密度。

Claims (16)

1. 一种形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构的方法，所述方法包含在彼此顶部上形成金属或合金材料的连续层，包括，对于每一层：

根据几何结构选择性地熔合粉末状材料，所述几何结构限定空隙使得所述几何结构在一个或多个维度中可渗透，其中所述熔合在足以完全熔合所述材料的能量密度下执行；和

从所述层选择性地侵蚀材料，从而产生附加渗透性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料通过以下中的一种选择性地熔合：

激光熔融法；

激光烧结法；

电子束熔融法。

3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述材料通过以下中的一种选择性地侵蚀：

激光侵蚀法；或

电子束侵蚀法。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述材料包含以下中的一种：

铝；

钛；

镍基超合金。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每一层的所述几何结构相同。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中层的所述几何结构为以下中的一种：

筛网；

栅格；

蜂巢。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多孔结构为以下中的一种：

用于散热管的管芯；

热交换器的构成部件；

气体过滤器；

液体过滤器；

声学面板。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述材料为镍基超合金；

所述材料通过激光熔融法选择性地熔合；并且

选择性地熔合材料的所述能量密度为15到70焦耳/立方毫米。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述材料为镍基超合金；

所述材料通过激光侵蚀法选择性地侵蚀；并且

选择性地侵蚀材料的所述能量密度为1500到10000焦耳/立方毫米。

10.一种用于形成在两个或更多个维度中可渗透的多孔结构的设备，包含：

配置成将粉末状金属或合金材料递送到粉末床的粉末递送系统；

包括能量源的粉末熔合系统；和

控制系统，所述控制系统配置成：

根据几何结构用所述能量源在所述粉末床上选择性地熔合粉末状材料，所述几何结构限定空隙使得所述几何结构在一个或多个维度中可渗透，和

用所述能量源从所述层选择性地侵蚀材料，从而产生附加渗透性。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述粉末熔合系统为以下中的一种：

激光熔融系统；

激光烧结系统；

电子束熔融系统。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述材料通过以下中的一种选择性地侵蚀：

激光侵蚀法；

电子束侵蚀法。

13.根据权利要求10到12中任一项所述的设备，其中所述材料包含以下中的一种：

铝或其合金；

钛或其合金；

镍基超合金。

14.根据权利要求10到13中任一项所述的设备，其中每一层的所述几何结构相同。

15.根据权利要求10到14中任一项所述的设备，其中层的所述几何结构为：

筛网；

栅格；

蜂巢。

16.根据权利要求8到15中任一项所述的设备，其中所述多孔结构为以下中的一种：

用于散热管的管芯；

热交换器的构成部件；

气体过滤器；

液体过滤器；

声学面板。