CN110087864A - 用于在增材制造中避免羽流干涉的方法 - Google Patents

用于在增材制造中避免羽流干涉的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制增材制造处理的方法，其中，在通过一个以上能量射束与粉末相互作用产生的一个以上羽流存在时，一个以上能量射束用以选择性地熔融粉末，以形成工件。该方法包括，控制一个以上羽流的轨迹以及一个以上能量射束中的至少一个，从而阻止一个以上能量射束与一个以上羽流相交。

Description

用于在增材制造中避免羽流干涉的方法
技术领域
本发明大体涉及增材制造，更加具体地，涉及用于在增材制造中避免能量射束与排放羽流干涉的装置及方法。
背景技术
增材制造是一种逐层构建材料以形成部件的处理。增材制造还通过术语，诸如“分层制造”、“反向加工”、“直接金属激光熔化”(DMLM)和“3D打印”来指代。这种术语当作出于本发明的目的的同义词。
一种类型的增材制造机器称之为“粉末床”机器并且包括构建室，构建室包围通过辐射能量射束被选择性地熔融以形成工件的大量粉末。构建室包围在壳体中，壳体一般包括用于其中保护气体流的设置。保护气体用于将热量传送离开粉末床的表面，以阻止汽化的粉末在工件的表面上冷凝，并且控制不期望的化学反应，诸如氧化。
操作时，辐射能量射束与粉末的相互作用导致粉末的汽化，产生羽流，羽流源自于能量射束所产生的熔池的附近并且向下游行进，夹带在保护气体流中。紧接在熔池的附近，羽流的成分主要是汽化粉末。在下游部位，蒸气冷却并冷凝，使得羽流包含气体和金属颗粒(冷凝物)的混合物。
伴随冷凝物的存在的一个问题是，它会对构建处理具有不利效果，例如，能量射束的阻挡，或者射束强度的减少。该问题阻止迅速射束扫描或使用多个射束。
发明内容
该问题通过使用模型或实时了解羽流行为的方法以及改变增材制造处理中使用的能量射束的路径的控制器来解决，使得它可以阻止或避开排放羽流。
根据文中描述的技术的一个方面，提供了一种控制增材制造处理的方法，其中，在通过一个以上能量射束与粉末相互作用产生的一个以上羽流存在时，一个以上能量射束用以选择性地熔融粉末，以形成工件。该方法包括，控制一个以上羽流的轨迹以及一个以上能量射束中的至少一个，从而阻止一个以上能量射束与一个以上羽流相交。
根据文中描述的技术的另一方面，提供了一种控制增材制造处理的方法，其中，在通过一个以上能量射束与粉末相互作用产生的一个以上羽流存在时，一个以上能量射束用以选择性地熔融粉末，以形成工件。该方法包括，控制一个以上羽流的轨迹以及一个以上能量射束中的至少一个，从而阻止一个以上能量射束与一个以上羽流相交。
附图说明
通过参考以下连同附图一起的描述可以最好地了解本发明，其中：
图1是其中包括构建室的示范性增材制造机器的示意性部分截面正视图；
图2是图1的机器的示意性部分截面侧视图；
图3是图1的机器的示意性部分截面俯视图；
图4是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束的构建处理，其中一个射束与另一射束所产生的羽流相交；
图5是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束的构建处理，其中传感器定位在构建室周围以检测射束所产生的羽流；
图6是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束的构建处理，其中，使射束中的每一个转向，以避开其他射束所产生的羽流；
图7是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束的构建处理，其中，使第二能量射束的路径转向，以避开第一射束所产生的羽流；以及
图8是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束的构建处理，其中间隙在第一射束所产生的羽流中生成，以准许第二射束穿过其中。
具体实施方式
参考附图，其中，等同附图标记在各个视图中标示相同元件，图1示意性映射图示适合于实行增材制造方法的增材制造机器10。机器10的基本部件包括台子12、粉末供应部14、重涂覆机16、溢流容器18、构建室22所围绕的构建平台20以及至少一个射束产生器24，全部被壳体26围绕。下面将更加详细地描述这些部件中的每一个。
台子12是限定平面工作表面28的刚性结构。工作表面28与虚拟工作平面共面并且限定虚拟工作平面。在图示示例中，它包括与构建室22连通并且露出构建平台20的构建开口30，与粉末供应部14连通的供应开口32，以及与溢流容器18连通的溢流开口34。
重涂覆机16是位于工作表面28上的刚性横向伸长结构。它连接到致动器36，致动器36能够操作以沿着工作表面28选择性地移动重涂覆机16。在图1中示意性地描绘了致动器36，其中知道的诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电动致动器之类的设备可以被用于该目的。
粉末供应部14包含在供应开口32下方并与供应开口32连通的供应容器38，以及升降器40。升降器40是能够在供应容器38内竖向滑动的板状结构。它连接到致动器42，致动器43能够操作以选择性地上下移动升降器40。在图1中示意性地描绘了致动器42，其中知道的诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电动致动器之类的设备可以被用于该目的。当升降器40降低时，可以将期望成分的粉末44(例如，金属、陶瓷、聚合和/或有机粉末)的供应装载到供应容器38中。当升降器40升高时，它将粉末露出在工作表面28上面。可以使用其他类型的粉末供应；例如，粉末可以通过顶置设备(未示出)下落到构建室22中。
构建平台20是能够在构建开口30下面竖向滑动的板状结构。它连接到致动器46，该致动器46能够操作以选择性地上下移动构建平台20。在图1中示意性地描绘了致动器46，其中知道的诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电动致动器之类的设备可以被用于该目的。当在构建处理期间构建平台20降低到构建室22中时，构建室22和构建平台20共同围绕并支撑大量粉末44以及在被构建的任何部件。该大量粉末大体称之为“粉末床”，并且该特定类别的增材制造处理可以称之为“粉末床处理”。
溢流容器18个在溢流开口34下方并与溢流开口34连通，并且用作过量的粉末44的存放处。
装置10包含至少一个射束产生器24，射束产生器24能够操作以产生能量射束并视所需引导能量射束。如下面将更加详细地说明的，可以提供并同时使用多个射束产生器24，以便增加装置10的生产速度。在图示示例中，示出了两个射束产生器24。
每一个射束产生器24包括引导能量源48和射束转向装置50引导能量源48可以包含能够操作以产生适合的能量和其它操作特性的射束的任何设备，以在构建处理期间熔化并熔融粉末44，在下面更加详细地描述。例如，引导能量源48可以是激光器。其他引导能量源(诸如电子束枪)是激光器的适合的替代品。
射束转向装置50可以包括一个以上反射镜、棱镜、和/或透镜，并且设置有合适的致动器，并且布置成使得来自引导能量源48的射束可以聚焦到期望光斑大小并且转向到与工作表面28重合的平面中的期望位置。出于方便描述的目的，该平面可以称之为XY平面，垂直于XY平面的方向标示为Z方向(X，Y和Z是三个互相垂直的方向)。射束在文中可以称之为“构建射束”。
在图示示例中，射束产生器24中的一个能够操作以产生第一构建射束54，而射束产生器24中的另一个能够操作以产生第二构建射束56。
使用上述装置的用于工件25的示范性基本构建处理如下。构建平台20移动到初始高位置。构建平台20以选定的层增量降低到工作表面28下面。层增量影响增材制造处理的速度和工件25的分辨率。作为示例，层增量可以是大约10到50微米(0.0003到0.002英寸)。然后将粉末44沉积在构建平台20上，例如，可以升高供应容器38的升降器40，以推动粉末通过供应开口32，将其露出在工作表面28上面。重涂覆机16移动越过工作表面，以在构建平台20上水平地展开升高的粉末44。在重涂覆机16从左向右经过时，任何过量的粉末44通过溢流开口34下落到溢流容器18中。随后，重涂覆机16可以移动回到起始位置。调平的粉末44可以称之为“构建层”，并且其露出的上表面可以称之为“构建表面”，标明为45。
射束产生器24中的一个以上用于熔化在被构建的工件25的二维横截面或层。在射束产生器24内，引导能量源48发出射束，并且射束转向装置用于以适当形式在露出的粉末表面上使射束转向。围绕焦斑的粉末44的露出层的小部分(文中称之为“熔池”)通过构建射束加热到允许其烧结或熔化、流动和固结的温度。该步骤可以称之为“熔融”粉末44。例如，熔池可以在100微米(0.004英寸)宽的量级上。在使用两个射束产生器24的图示示例中，第一构建射束54产生第一熔池58，第二构建射束56产生第二熔池60。
构建平台20以层增量竖向向下移动，粉末44的另一层以相似厚度施加。射束产生器24再次发出构建射束54，56，并且射束转向装置50用于以适当形式在露出的粉末表面上使构建射束54，56的焦斑转向。粉末44的露出层通过构建射束54，56加热到允许其如上所述地熔融并且在顶层内以及与先前固化的下层均固结的温度。
重复移动构建平台20、施加粉末44，然后引导能量熔融粉末44的循环，直到整个部件完成为止。
机器10及其操作作为“粉末床机器”的代表性示例。将了解，这里描述的原理适用于粉末床机器的其他配置。
壳体26用来隔离和保护机器10的其他部件。在上述构建处理期间，壳体26设置有适当的保护气体流，保护气体流在其他功能中将氧气从构建环境中排除。为了提供该流，机器10可以联接到气体流动装置62，如图2中看到的。示范性气体流动装置62以串联流体流动连通关系包括可变速度风扇64、过滤器66、与壳体26连通的入口管道68以及与壳体26连通的返回管道70。气体流动装置62的全部部件与合适的管道相互连接，并且与壳体26组合限定气体流动回路。
使用的气体的成分可以与用作常规焊接操作的保护气体的成分相似。例如，可以使用气体，诸如氮气、氩气或其混合物。可以使用任何方便的气体源。例如，如果气体是氮气，则常规的氮气产生器72可以连接到气体流动装置62。替代地，可以使用一个以上加压缸74来供应气体。
一旦气体流动装置62和机器10开始利用气体吹扫，风扇64用于使气体以大致闭合的回路通过气体流动回路再循环，从而在壳体26中维持正压力，其中视所需增添附加的增添组成气体。增加风扇速度会增加气体流动回路中气体的速度和流速；反之，减小风扇速度会减小气体流动回路中气体的速度和流速。作为再循环的替代，气体流动装置62可以在全损耗模式下操作；例如，代替气体流动通过返回管道70并回到风扇64，气体可以在经过构建室22之后简单地通向大气。在图示示例中，热的大量气体提供热传递功能，然而，可选的热交换器(未示出)可以包含在气体流动装置62中。
入口管道68定位在壳体26的底部附近。在操作期间，它提供流或者气体流(参见箭头76)。如图1所示，入口管道68具有伸长形状(例如，矩形)并且跨越构建室22的宽度排出气体。出于参考目的，构建室22的宽度可以认为是平行于“X”方向。如图3所示，最接近于入口管道68的构建室22的边缘称之为“前边缘”78，相对的平行边缘称之为“尾边缘”80。出于参考目的，构建室的长度(即，从前边缘78到尾边缘80的距离)可以认为是平行于“Y”方向。
气体流76具有两个功能。首先，它用于使热传递生效并且将热量从构建室22内的最上侧的构建层的表面运送走。其次，在构建处理期间，粉末44中的一些被汽化。该蒸气可以冷却并且冷凝在工件25的表面上，转而导致不期望的表面粗糙度或“重铸”层。气体流76的部分用于将蒸气和/或冷凝物运送走。
操作时，构建射束54，56与粉末44的相互作用导致粉末44的加热和汽化。如图4所示，这相应地产生第一“羽流”82和第二“羽流”84，第一“羽流”82和第二“羽流”84源自于熔池58，60的附近并且向下游行进，夹带在气体流76中。紧接在熔池58，60的附近，相应地，羽流82，84的成分主要是汽化粉末。在下游部位，蒸气可以冷却并冷凝，使得羽流82，84包含气体和金属颗粒的混合物。
将了解，只要构建射束54，56中的一个相对于气体流76在另一构建射束54，56的上游部位处接触粉末44，就存在构建射束54，56中的一个与羽流82，84中的一个的相交的潜在性。将进一步了解，上述构建射束54，56一般可以比羽流82，84更快行进地跨越构建表面45扫描或定位，因而生成构建射束54，56与其自身羽流82，84相交的潜在性。
当构建射束54，56中的一个与羽流82，84相交时，冷凝物的存在可以具有众多不利效果，例如，构建射束54，56的阻挡，和/或射束强度减少。这些效果可能不一致，因为冷凝物是闪烁的。由此，期望以使得构建射束54，56均不经过羽流82，84中的任一个的方式进行构建处理。下面描述了用于避免这些相交的若干技术。
为了实现文中别处描述的避开技术，期望量化羽流82，84的行为。特别地，期望生成“羽流映射图”，描述在任何给定时间内在3D空间中每个羽流82，84的部位和尺寸，以及羽流82，84随时间的演化。该处理还可以描述为确定羽流82，84的轨迹。将描述用于表征羽流82，84的若干方法。出于方便描述的目的，将使用羽流82作为示例来描述这个，其中了解，相同方法可以被用于羽流84或用于任何附加羽流，其中使用多个能量射束。
用于表征羽流82的一个可能方法涉及到对羽流82建模。这可以例如使用市场上可得的计算流体动力学(“CFD”)软件包来进行。对软件的输入包括但不限于保护气体流76的空气动力学和热学特性以及羽流产生和演化过程的空气动力学和热学特性。输入可以考虑因素，诸如：空气流速、能量射束波长、强度或聚焦、固结或未固结的粉末状材料成分和物理特性、熔池尺寸和热学特性、熔融处理的类型(如，加热、熔化或烧结)以及羽流的成分(如，气体和/或金属合金)。然后CFD软件能够生成上述羽流映射图作为输出。
用于表征羽流82的另一可能方法涉及到感测羽流82。能够将羽流82与气体流76区分开的任何可视化技术可以被用于该目的。
例如，可以提供照明源，以照明羽流82，配合有传感器，以检测从羽流82散射或反射的光。合适的照明源的非限制性示例包括：以低输出瓦特操作的激光器(诸如射束产生器24)；一个以上附加的专用低功率激光(图5中以85示意性地示出)，辅助发光二极管(“LED”)，或者适当波长(如，红外或可见)的室光。可以使用后向散射和前向散射感测技术，并且可以组合来自多个传感器的多个图像以产生3D羽流映射图。
在图5中示出的示例中，照明源86(示意性地示出)设置在壳体26内的固定部位处。传感器88设置在壳体26内，具有构建表面45的清晰视野。每个传感器88对前向散射光90或后向散射光92敏感。传感器88是一种类型的并且配置成使得它们可以产生表示羽流82的位置的信号。例如，它们可以是成像传感器，或者可以提供以X-Y阵列布置的多个更简单的传感器，以便提供位置参考。来自传感器88的信号的形式指示羽流82的部位。
传感器88可以用于在构建处理行进时实时地产生羽流映射图。替代地，传感器88可以使用为表征羽流82的经验方法的部分。初始时，将使用标称的一组操作参数来执行测试构建，而无需任何努力来避免射束-羽流相互作用。传感器88将用于生成如上所述的羽流映射图。在第二次迭代中，羽流映射图将用于使用下面描述的射束-羽流避免方法中的一个以上来实施构建参数的变动。可以再次使用传感器88来确定变动的有效性。可以执行一系列迭代，直到操作参数导致最小的射束-羽流相互作用为止。一旦该一组迭代完成，就可以使用优化的一组操作参数以开环执行后续构建。
使用表征羽流的上述方法中的一个以上所提供的信息，机器10可以以阻止构建射束54，56和羽流82，84之间不期望的相互作用的方式被控制。这些技术中的若干涉及到参考上述羽流映射图控制构建射束54，56。
例如，一个可能方法涉及到控制射束产生器24的操作，使得通过将构建表面45划分成虚拟区域，构建射束54，56不与羽流82，84相互作用。参考图6，构建表面45通过平行于气体流76(即，平行于Y方向)的方向延伸的虚拟边界98而虚拟地划分成第一区域94和第二区域96。操作时，构建射束54限制于在第一区域94内操作，构建射束56限制于在第二区域96内操作。使用该方法，可以看到，来自第一构建射束54的羽流82将固有地保持避开第二构建射束56，来自第二构建射束56的羽流84将保持避开第一构建射束54。而且，每个构建射束54，56将保持避开其相应的羽流82，84，只要构建射束54，56一致地相对于气体流76在上游方向上扫描即可。
另一可能方法涉及到控制射束产生器24的操作，使得构建射束54，56转移成远离或“跳过”羽流82，84。参考图7，构建射束54示出为产生羽流82，构建射束56示出为横穿将与羽流82相交的预期路径100。使用该方法，构建射束56将在与羽流的预测相交点处暂时关闭，然后重启以继续跟随在羽流82的相对侧的预期路径100(或者，可能在完全避开羽流82的路径中被转向)。然后可以在羽流82移走之后的后续时间熔融路径100的剩余部分。替代地，仅当检测到了实际相交时，构建射束56可以“跳过”，远离其标称路径。
另一可能方法涉及到协调射束产生器24的操作，使得羽流产生暂时中断，提供用于构建射束的间隙。参考图8，构建射束54示出为产生羽流82，构建射束56示出为横穿将与羽流82相交的预期路径100。使用该方法，构建射束54将在预测相交以前的时间暂时关闭，因而在羽流82中生成间隙102。选取关闭的正时和持续时间，使得该羽流间隙将允许构建射束56横穿预期路径，而不中断或遇到羽流82。
任何这些技术可以使用单个射束产生器24或多个射束产生器24来实施。
包括机器10和气体流动装置62的上述装置的操作可以例如通过在体现在一个以上设备(诸如可编程逻辑控制器(“PLC”)或微型计算机(未示出))中的一个以上处理器上运行的软件来控制。这种处理器可以联接到传感器并且例如经过有线或无线连接来操作部件。可以使用相同的处理器或多个处理器来取回和分析传感器数据，用于统计分析，以及用于反馈控制。
文中描述的方法具有优于现有技术的若干优势。特别地，它使得能够使用多个能量射束或迅速扫描的能量射束，以加速增材制造处理。
它将通过维持均匀的能量射束密度和聚焦来改进零件质量。
前述描述了用于增材制造处理中的羽流避开的装置及方法。本说明书中公开的全部特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)和/或这样公开的任何方法或处理的所有步骤可以以任何组合来组合，除了这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤的组合是互斥的情况以外。
除非另有明确声明，否则，本说明书中公开的每个特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)可以更替为服务于相同、等效或相似目的的替代特征。因而，除非另有明确声明，否则，所公开的每个特征仅是一通用系列等效或相似特征的一个示例。
本发明不受限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书中公开的特征中的任何新颖的特征或任何新颖的组合(包括任何随附的潜在新颖点、摘要和附图)，或者，扩展到这样公开的任何方法或处理的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

Claims (27)

1.一种控制增材制造处理的方法，其特征在于，其中，在通过一个以上的能量射束与粉末相互作用产生的一个以上的羽流存在时，所述一个以上的能量射束用于选择性地熔融所述粉末，以形成工件，所述方法包含：控制所述一个以上的羽流的轨迹以及所述一个以上的能量射束中的至少一个，从而阻止所述一个以上的能量射束与所述一个以上的羽流相交。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，使所述能量射束中的一个以上转向，从而避免与所述一个以上的羽流相交。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，使所述能量射束中的一个转向，以避免同一所述能量射束所产生的所述羽流中的一个。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，使所述能量射束中的一个转向，以避免所述能量射束中不同的一个所产生的所述羽流中的一个。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，中断所述能量射束中的一个以上，以在所述羽流中的一个以上中生成间隙，使得所述能量射束中的一个以上能够经过所述间隙。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中，所述能量射束中的一个经过同一所述能量射束所产生的所述羽流中的一个中的间隙。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中，所述能量射束中的一个经过所述能量射束中不同的一个所产生的所述羽流中的一个中的间隙。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：通过感测来确定所述一个以上的羽流的所述轨迹。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：通过建模来确定所述一个以上的羽流的所述轨迹。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，在相交发生以前，预测所述能量射束中的一个以上与所述羽流中的一个以上的所述相交。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，在相交发生以前，不预测所述能量射束中的一个以上与羽流或冷凝物的所述相交。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，访问感测或预测的羽流轨迹的电子控制器应用该信息，以确定何时使所述能量射束中的一个以上转向或中断。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，在开始所述增材制造处理以前，为所述一个以上的能量射束中的每一个选定路径。
14.一种制作工件的方法，其特征在于，包含：
将粉末状材料沉积在安置于壳体中的构建室中，同时使用与所述壳体流体连通地联接的气体流动装置，以在所述粉末上提供气体流；
在所述气体流存在时，引导一个以上的能量射束，以与所述工件的横截面层对应的形式，选择性地熔融所述粉末状材料，其中，所述一个以上的能量射束与所述粉末状材料的相互作用产生夹带在所述气体流中的一个以上的羽流；和
控制所述一个以上的羽流的轨迹以及所述一个以上的能量射束中的至少一个，从而阻止所述能量射束与所述羽流相交。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，使所述能量射束中的一个以上转向，从而避免与所述一个以上的羽流相交。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中，使所述能量射束中的一个转向，以避免同一所述能量射束所产生的所述羽流中的一个。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中，使所述能量射束中的一个转向，以避免所述能量射束中不同的一个所产生的所述羽流中的一个以上。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，中断所述能量射束中的一个以上，以在所述羽流中的一个以上中生成间隙，使得所述能量射束中的一个以上能够经过所述间隙。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，所述能量射束中的一个经过同一所述能量射束所产生的所述羽流中的一个中的间隙。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，所述能量射束中的一个经过所述能量射束中不同的一个所产生的所述羽流中的一个中的间隙。
21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包含：通过感测来确定所述一个以上的羽流的所述轨迹。
22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包含：通过建模来确定所述羽流中的一个以上的所述轨迹。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，在相交发生以前，预测所述能量射束中的一个以上与所述羽流中的一个以上的所述相交。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，在相交发生以前，不预测所述能量射束中的一个以上与羽流或冷凝物的所述相交。
25.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，访问感测或预测的羽流轨迹的电子控制器应用该信息，以确定何时使所述一个以上的能量射束中的一个转向或中断。
26.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，在开始所述增材制造处理以前，为所述一个以上的能量射束中的每一个选定路径。
27.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包含：循环重复沉积和熔融的步骤，以逐层方式构建所述工件。
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