CN110267796B - 增材制造系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种在粉末床中形成构件的方法，包括从至少一个竖直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列的选定VCSEL发射多个激光束到粉末床上，至少一个VCSEL阵列的选定VCSEL对应于构件的层的图案；以及，同时与构件的层的图案对应地在粉末床中熔化粉末。

Description

增材制造系统及方法
技术领域
本技术大体涉及激光器阵列(包括竖直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列)在粉末床熔融增材制造(PBFAM)系统及处理中的使用，以允许同时创建完整图案以促进更高的构建速度。
背景技术
增材制造是一种使之能够对各种材料(包括金属、陶瓷和塑料)的部件“3D打印”的技术。例如，在增材制造中，通过使用高功率激光或电子束平整金属粉末并且使粉末选择性地熔融在层内，而以逐层方式构建零件。每个层之后，增添更多粉末并且激光使下一层图案化，同时使其熔融到先前层，以制造埋在粉末床中的完整的部件。增材制造系统及处理用以由数字模型制造精密三维部件。
现有系统及处理在速度上受限于使用单个扫描镜沿着待制作零件的一个层的轮廓引导高功率激光束以串行方式完整地扫描出每个零件层所需要的时间。一旦零件的轮廓完成，扫描器将束引导到内壁和外壁之间的区域，以填充材料。在每个处理中，激光熔化薄的粉末状金属层以将金属熔化到生产的先前层上。一旦制作了一层，重涂覆机棒移动越过另一层的粉末并增添另一层的粉末，并且重复利用激光的处理。每个层可能花费若干秒到几分钟来完成，需要好几千层来制作零件。
一次构建完整区段的替代方式是使用一次只让宽束的一小区域到达粉末的掩模。该办法的缺点是激光功率非常无效率，要求丢下大部分激光功率。
在现有的粉末床系统中进行构建时，激光束或电子束用于扫描粉末的层，以在粉末床的层中烧结并熔化所需图案。用于这种系统的典型扫描时间每一层在70到100秒的范围中。对于一些应用，构建可能要求数天的处理时间。DMLM的一个应用是用于飞行器的燃气涡轮发动机的翼型件的制造和修理。使用常规铸造技术难以形成翼型件的几何构型，因而已提出使用DMLM处理或电子束熔化处理来制造翼型件。利用各层构建在彼此之上并且横截面和横截面彼此连结，可以生产具有要求的几何构型的翼型件或其部分，诸如用于修理。翼型件可能要求后处理以提供所需结构特性。
发明内容
根据文中公开的技术的一个示例，在粉末床中形成构件的方法包含：从至少一个竖直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列的选定VCSEL发射多个激光束到粉末床上，至少一个VCSEL阵列的选定VCSEL对应于构件的层的图案；以及，同时与构件的层的图案对应地在粉末床中熔化粉末。
根据文中公开的技术的另一示例，用于在粉末床中形成构件的装置包含：至少一个竖直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列，包含多个VCSEL；构造成支撑粉末床的支撑件，或者，构造成在离至少一个VCSEL阵列一定距离处支撑粉末床的部件；以及控制器，构造成控制VCSEL阵列，以从至少一个VCSEL阵列的选定VCSEL发射多个激光束到粉末床上，至少一个VCSEL阵列的选定VCSEL对应于构件的层的图案，并且同时与构件的层的图案对应地在粉末床中熔化粉末。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地了解本技术的这些及其他特征、方面和优点，附图中，类似的字符在所有附图中表示类似的零件，其中：
图1示意性地描绘根据本技术的示例的粉末床熔融增材制造系统；
图2示意性地描绘根据本技术的示例的VCSEL阵列；
图3示意性地描绘根据本技术的示例的多个VCSEL阵列；
图4示意性地描绘根据本技术的另一示例的粉末床熔融增材制造系统；以及
图5示意性地描绘根据本技术的进一步示例的粉末床熔融增材制造系统。
具体实施方式
参考图1，粉末床熔融增材制造(PBFAM)系统20包括，用于保持粉末床24的构建台22，用于将粉末床24散布在构建台22上的颗粒散布器或擦拭器或重涂覆机棒26，用于向散布器26供应粉末的粉末供应料斗30，以及粉末多余料斗32。增材制造系统20可以构造成以逐层方式构建或修理工件36。
控制器38可以具有一体的CAD系统，用于将工件36建模成大体在竖直或z坐标方向上(参见箭头42)在彼此顶上增材构建的多个层40。制造时，在凝固以前，每个凝固层40对应于粉末床24的层44。粉末床层44放置在先前凝固层40的构建表面46的顶部上。控制器38构造成经过发送到系统20部件的一系列电气和/或数字信号48来操作系统20。例如，控制器38可以将信号48发送到供应料斗30的活塞50，以依序向上推动供应粉末52，用于通过散布器26接收，或者替代地或除此之外，供应料斗30可以经由重力向下进送粉末。散布器26可以是擦拭器、辊子或其他设备，其在方向54上推动粉末床层44，或者以其他方式以经过控制器38控制的构建台22的向下移动42来建立的预定厚度而将供应粉末52放置在工件36的构建表面46上。任何过量粉末56可以通过散布器26被推动到多余料斗32中。应当理解，粉末床层44可以不由粉末组成，而是可以采取可以越过构建表面46铺设或施加的、准备用于熔化的任何基底的形式。
控制器38可以是计算机处理器或其他基于逻辑的设备，软件部件(如，软件应用)，和/或，硬件部件和软件部件的组合(如，计算机处理器或其他基于逻辑的设备及相关软件应用，计算机处理器，或者具有硬布线控制指令的其他基于逻辑的设备，等等)。
参考图2，激光器阵列28可以在一个以上硅芯片12上包含VCSEL 10的阵列。每个芯片12可以具有10个以上VCSEL 10。为了从元件获得所需输出功率，可以将多个VCSEL封装到单个可寻址单元或基板上。因而，其中使用的术语VCSEL指代封装到单个可寻址单元上的单个VCSEL或多个VCSEL。冷却的小透镜阵列14包括微透镜16，从而以高功率创建一系列激光光斑8(图4和图5)。小透镜阵列14可以形成为单件式阵列。在阵列28在通过箭头58示出的方向上越过粉末床24平移时，通过单独地调制阵列28的每个VCSEL 10，可以选择性地熔化粉末层44，以一次一层40地形成零件36。因而，通过使阵列28移动越过零件36一回，阵列28提供层40的完整写入。例如通过线性马达或一些其他致动器(诸如活塞)，阵列28可以相对于粉末床24移动。还应当理解，阵列28相对于粉末床24的移动可以通过使粉末床24移动或者通过使阵列28和粉末床24两者移动的组合来实现。
一旦在构建表面46上建立大致平整的粉末层44，控制器38可以将信号48发送到阵列28，以选择性地熔化顶层44。控制器38控制每个VCSEL 10的开启和关闭。控制器38还可以控制当关闭时每个VCSEL 10的功率减少的速率。控制器38可以在例如大约5到15毫秒或更长(如果需要)的时间帧内开启和关闭每个VCSEL 10。对于粉末44的给定层(例如，在待修理翼型件上面)，致动所需VCSEL 10，以按照CAD设计使粉末熔化成所需形状，CAD设计可以输入和/或存储在控制器38中。该处理可以视必要性重复许多次，以构建起要求的修理区域。在系统用于制造部件(如，翼型件)的情况下,该处理可以视必要性重复许多次，以构建部件。随着粉末层被增添并且随后通过VCSEL阵列28处理，控制器38使构建台22向下移动。例如，所形成的每个层40可以是大约1μm到大约1mm厚。例如，在修理翼型件的情况下，每个层可以形成为大约100μm厚。
VCSEL阵列28可以通过控制器38控制，以控制靠近熔化区域或与熔化区域相邻的粉末的热量，以控制熔化区域(即，熔化池)的冷却速率。控制器38还可以控制VCSEL阵列28，以预加热粉末床24和/或工件36。通过预加热粉末床24和/或工件36，及/或，加热靠近熔化区域或与熔化区域相邻的区域，热梯度可以控制成大致仅在与粉末床24垂直的方向上。这可以有助于对快速凝固冷却速率敏感而开裂的材料。利用粉末床层的平面冷却，能够获得与层表面垂直的理想晶粒生长。这允许伴随翼型件类的结构的构建修理形成定向凝固(DS)类晶粒结构和单晶结构。还应当理解，VCSEL 10可以控制成使粉末床24过热，以控制熔化区域的粘度。控制熔化区域的粘度允许例如对粉末蒸发、凝固层的晶粒结构与/或修理部件的表面光洁度的控制。在粉末熔化之后还可以控制阵列28的功率分布曲线，以控制粉末床中熔化池的凝固，以形成所需微结构，例如，如在普通分派、待审的美国申请15/014,713中公开的。
参考图3，如果相比于现有VCSEL能够得到的，期望或要求更接近的粉末熔化的间隔，例如大约0.5mm，则多个阵列28可以相对于粉末床24相继移动。每个阵列28的VCSEL10可以与其他阵列中的VCSEL 10交错，以获得焊接束的所需间隔。
参考图4，PBFAM系统20可以包括多个2D激光器阵列28，34，诸如VCSEL阵列。应当理解，阵列可以每个皆是构造成一次形成一条线的图案的一维(ID)阵列，并且在一个或是多个方向上越过粉末床扫描，以形成修理或零件。VCSEL阵列中的激光器的间隔可能太大而不能获得用于熔化粉末(例如金属或陶瓷粉末)需要的功率水平。为了获得所需间隔，图4中示出的分光束耦合器4或图5中示出的多个分光束耦合器4可以使用将相应的来自阵列28，34的激光束58，60和/或更宽间隔的源的阵列组合成可寻址激光光斑8的紧密间隔阵列的手段。PBFAM系统20使用具有不同波长的线性交错激光器阵列28，34，然后将阵列28，34的束60，62结合到粉末床24上，作为激光光斑8。阵列28的激光的波长可以不同于阵列34的激光的波长，波长为例如10到200μm，以例如50到100μm。由于VCSEL可以发射偏振束，应当理解，束60，62的偏振也可以被耦合。与图1至图3中图示的系统一样，阵列28，34可以相对于粉末床24可移动，例如通过移动阵列28，34、移动粉末床24或其某一组合。还应当理解，可以在阵列中使用其他类型的激光器代替VCSEL，例如激光二极管。
每个层40的图案或轮廓可以存储在控制器38中，VCSEL阵列可以通过控制器控制，从而以将要熔融(即，构建)的下一层40的形状，将来自小透镜阵列的激光光斑定址到设置在构建表面46上的粉末层44上。控制器38可以针对每个层40提供预选图案，并且控制VCSEL阵列，以从阵列提供激光束，从而通过根据图案熔化粉末在粉末床中形成图案。
阵列28，34的每个束60，62可以以不同的频率操作，以满足制造目标。例如，具有较短波长的束可以比具有较长波长的束更快地加热粉末。用于加热和/或熔化的波长可以基于粉末的组成(例如，金属或陶瓷或聚合物)。粉末颗粒可以具有影响熔化速率的不同热量吸收速率。除波长外，还可以考虑束的其他性质。例如，脉冲激光束或连续激光束可以用以熔化粉末。
阵列或各阵列的VCSEL的激光束可以具有从大约10到60W的功率。对于大约10到60μm颗粒尺寸的超合金粉末，熔化一个光斑要求在0.1mm光斑中的10到25W的功率。粉末床24中的材料可以是金属粉末，例如，镍或钴或铁基超合金。粉末床的颗粒可以例如从10到100μm，例如从40到60μm。应当理解，其他材料，例如塑料、陶瓷或玻璃，可以被用于粉末床。取决于粉末床中的材料，激光束(包括组合的激光束)的功率，可以从大约10到大约60W。在激光束和粉末床相对于彼此移动的实例中，相对移动的速度大小也影响粉末的熔化，因为它影响沉积在粉末中的能量的量。例如，束的功率可以是20W，束(即，阵列)和粉末床的相对速度大小可以是50mm/s。在该相对速度下，粉末床的100μm光斑将在2ms内被束穿过，沉积的能量将是20W×2ms＝40mJ/100μm光斑，或者大约5J/mm2。与之相比，现有DMLM单个束系统包括在近似300W下以800mm/s行进的近似80μm的束，导致300W×0.1ms＝30mJ/80μm光斑或者大约6J/mm2的沉积能量。因而，本技术允许激光功率显著更低且时间段更短的有可比性的熔化。
本技术解决对于零件的长构建时间的问题(即使对于小零件构建时间也可以达到超过24小时)。VCSEL阵列的集成提供每个激光器与其他激光器的精确对准，所以避免精密的组装步骤。对比一组光纤激光器或光纤耦合二极管，VCSEL在芯片上的使用避免使用可能损坏并增添额外成本的光纤。
通过在芯片上使用集成的一组VCSELS，对准通过精密芯片生产处理来确定，并且与光纤激光器相比除掉了光纤的成本和可能的维护。此外，通过同时提供并行操作，系统的速度比单个扫描激光束更快。VCSEL芯片生产的长期成本可以比二极管和光纤的单独部件便宜。通过生产紧密间隔的激光源的2D阵列，可以控制用于创建粉末状金属的微熔化的功率分布，从而使用2D阵列提供所需熔化以及加热和冷却时间。它还容许高效率地使用低功率的分开的冷却组件，由于缺乏有效冷却，其在完整接近的阵列中可能燃烧。
尽管本技术可以适用于对部件的构建功能，但是，应当理解，本技术适用于部件的增材制造修理。
应要了解，根据任何特定示例，可以不必获得上述所有这些目的或优点。因而，例如，本领域技术人员将认识到，文中描述的系统和技术可以以获得或优化文中教导的一个优点或一组优点的方式具体或实行，而不必获得文中可以教导或表明的其他目的或优点。
虽然文中图示和描述了本技术的某些特征，但是，本领域技术人员将容易想到许多修改和改变。要了解，所附权利要求书意在涵盖所有这些修改和改变。

Claims (15)

1.一种在粉末床中形成构件的方法，其特征在于，包含：
从至少一个竖直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列的选定VCSEL发射多个激光束到所述粉末床上，所述至少一个VCSEL阵列的所述选定VCSEL对应于所述构件的层的图案；以及
与所述构件的所述层的所述图案对应地，同时在所述粉末床中熔化粉末；
其中从所述至少一个VCSEL阵列的所述选定VCSEL发射所述多个激光束包含：
从第一VCSEL阵列发射多个第一激光束，所述第一激光束具有第一波长；
从第二VCSEL阵列发射多个第二激光束，所述第二激光束具有不同于所述第一波长的第二波长；以及
通过分光束分离器将所述第一激光束和所述第二激光束组合成可寻址激光光斑的阵列；
其中，所述第一VCSEL阵列包含多个VCSEL阵列，并且每个阵列的VCSEL与其他阵列中的VCSEL交错，所述第二VCSEL阵列包含多个VCSEL阵列，并且每个阵列的VCSEL与其他阵列中的VCSEL交错。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
控制以下中的至少一个：每个激光束的持续时间、每个VCSEL的脉冲能量、每个VCSEL的脉冲宽度、VCSEL的平均输出功率、每个激光束的能量分布、每个激光束的功率密度、每个激光束的功率的减少速率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
使所述至少一个VCSEL阵列和所述粉末床相对于彼此移动；以及，
在相对移动期间同时控制所述至少一个VCSEL阵列的所述VCSEL。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
从与对应于所述层的所述图案的所述选定VCSEL相邻的VCSEL发射激光束；以及
加热与所述构件的所述层的所述粉末相邻的粉末，以控制熔化的所述粉末的冷却速率。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述第一波长和所述第二波长之间的差在50到100μm之间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，每个VCSEL的平均功率输出是10到60W。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含：
允许熔化的所述粉末冷却并凝固。
8.一种在粉末床中形成构件的装置，其特征在于，包含：
包含多个VCSEL的至少一个竖直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列；
构造成支撑粉末床的支撑件或构造成在距所述至少一个VCSEL阵列一定距离处支撑所述粉末床的部件；以及
控制器，所述控制器构造成控制所述VCSEL阵列，以从所述至少一个VCSEL阵列的选定VCSEL发射多个激光束到所述粉末床上，所述至少一个VCSEL阵列的所述选定VCSEL对应于所述构件的层的图案，并且与所述构件的所述层的所述图案对应地，同时在所述粉末床中熔化所述粉末；
其中从所述至少一个VCSEL阵列的所述选定VCSEL发射所述多个激光束包含：
从第一VCSEL阵列发射多个第一激光束，所述第一激光束具有第一波长；
从第二VCSEL阵列发射多个第二激光束，所述第二激光束具有不同于所述第一波长的第二波长；以及
通过分光束分离器将所述第一激光束和所述第二激光束组合成可寻址激光光斑的阵列；
其中，所述第一VCSEL阵列包含多个VCSEL阵列，并且每个阵列的VCSEL与其他阵列中的VCSEL交错，所述第二VCSEL阵列包含多个VCSEL阵列，并且每个阵列的VCSEL与其他阵列中的VCSEL交错。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，其中，所述控制器进一步构造成控制以下中的至少一个：每个激光束的持续时间、每个VCSEL的脉冲能量、每个VCSEL的脉冲宽度、VCSEL的平均输出功率、每个激光束的能量分布、每个激光束的功率密度、每个激光束的所述功率的减少速率和/或所述至少一个VCSEL阵列的与所述粉末床的距离。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，其中，所述控制器进一步控制所述至少一个VCSEL阵列，以从与所述选定VCSEL相邻的VCSELS发射激光束，并且加热与所述构件的所述层的所述粉末相邻的粉末，以控制熔化的所述粉末的冷却速率。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中，所述控制器构造成控制所述至少一个VCSEL阵列，以在所述层的所述图案的所述粉末的同时熔化以前或期间，或者在熔化的所述粉末的冷却期间，加热与所述层的所述粉末相邻的所述粉末。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，其中，所述至少一个VCSEL阵列在硅芯片上包含至少10个VCSEL。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，其中，所述控制器构造成使所述至少一个VCSEL阵列和所述粉末床相对于彼此移动，以及在相对移动期间同时控制所述至少一个VCSEL阵列的所述VCSEL。
14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，其中，所述第一波长和所述第二波长之间的差在50到100μm之间。
15.如权利要求8所述的装置，其特征在于，其中，每个VCSEL的平均功率输出是10到60W。
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